Синхронизация систем управления движением
Количество осей в промышленных автоматизированных системах управления движением непрерывно увеличивалось, благодаря появлению мощных контролеров и других систем обработки. Однако в большинстве таких систем движение по разным осям происходит независимо: например, в индексирующих системах, которые перемещают детали через ряд фиксированных положений производственного процесса. Перемещение по различным координатам независимо и в распределенных архитектурах с параллельным заданием осей.
В более сложных автоматизированных системах требуется синхронизация нескольких осей перемещения. Она должна быть на очень высоком уровне, например для многокоординатного управления движением промышленных роботов, печатных машин, станков с ЧПУ и систем резки и формовки металла, скорость линии которых может достигать152 м/мин и более. Для передачи данных и управления такими системами требуются быстрые сетевые протоколы.
В Baldor Electric синхронному управлению перемещением уделяется достаточно внимания. „При многокоординатном движении для технологического процесса необходимо одновременно управлять несколькими осями” – объясняет Джон Мазуркевич, управляющий отдела сервоприводов. – „Эта задача возникает в робототехнике, двух и трехкоординатных системах управления, когда для решения задачи кинематики необходимо положение тела по всем осям”. Основные элементы синхронного управления в Baldor – это многокоординатный контроллер NextMove и Ethernet Powerlink (EPL) – шина управления движением в реальном времени на базе Ethernet. Контроллеры NextMove поддерживают до 16 осей и позволяют интерполировать их значения, например, для одновременного старта и останова. По словам Мазуркевича, “Используется интерполяция только по 16-ти осям из-за сложной обработки. Кроме этого, контроллер NextMove e100 позволяет синхронизировать оси сервоприводов (с переключением ±10 В), оси шаговых электродвигателей (как направление, так и импульс) и другие типы осей с помощью Powerlink”.
В Baldor различают следующие два режима: синхронизация – это одновременное управление осями на основе опорного сигнала (обычно от одной выбранной оси с кодировщиком). Интерполяция – это одновременное управление двумя или несколькими осями для реализации гладкой траектории. К функциям синхронизации относится пропорциональное управление несколькими осями (электронная передача), передача со сдвигом, электронная отработка криволинейного контура и подвижные ножницы. Интерполяция осей может быть линейной, круговой или более высокого порядка.“Такие контроллеры необходимы для станков с ЧПУ, координатноизмерительных машин и роботов” – объяснил Мазуркевич.
“Корпорация Bosch Rexroth занимается созданием многокоординатных систем управления движением уже более 20 лет. Цифровой волоконно-оптический интерфейс управления SERCOS (последовательная система взаимодействия в реальном времени) подчиняется стандарту IEC 61491”– рассказывает Карл Рапп (Karl Rapp), менеджер по машиностроению отдела электрических приводов и систем управления. Интерфейс SERCOS – это инструмент точной синхронизации с точностью, не превышающей 1й микросекунды, он востребован во многих современных задачах” – говорит Рапп. Согласно проведенным измерениям, при использовании чипа SERCON816 задержка составляет всего 0,035 мкс, поэтому с помощью SERCOS возможно синхронное управление движением. Последняя версия SERCOS III (100 МГц Ethernet) отличается еще большей производительностью и новыми возможностями систем ввода-вывода.
Координировать, синхронизировать и интерполировать
В этой области управления движением возникают самые разные трудности. В том случае, когда точность следования пути не важна по сравнению со скоростью, например при плавном движении вокруг препятствий с максимальной возможной скоростью, применяют Координирование. (Рывки, нарушающие плавность движения – это изменение ускорения, т.е. 3-я производная от координаты. Они отрицательно сказываются на качестве работы системы и увеличивают износ шестерен.) Программа управления для запуска и передвижения осей координат в нужную точку задается пользователем. Если значения скорости и ускорения в ней определяются на основе известной траектории, то движение будет мало отличаться от рассчитанного с интерполяцией. Однако, как объяснил Рапп, в отличие от интерполяции, вычисления производятся только один раз перед началом движения.
При Синхронизации происходит привязка одной или нескольких осей к опорной. Эта опорная ось может быть реальной, например, датчик на маховике штамповочного пресса, или виртуальной, когда сигнал генерируется в контроллере или приводе. В системах электронной трансмиссии возможна синхронизация до 32-х осей по одному опорному сигналу и электронное изменение передаточного отношения для разных осей – отмечает Рами Аль-Ашкар (Rami Al-Ashqar), менеджер по системам управления Bosch Rexroth.
Интерполяция используется для точного следования заданному пути, она считается наиболее сложным методом, особенно для многокоординатных систем. Цикл управления производит расчет траектории движения на ходу (обычно с интервалом примерно 1 мс).“Значения векторов ускорения и скорости рассчитываются для всех осей, они определяют перемещение” – говорит Альашкар. “Если по данным расчета траектория отклоняется от требуемой, программа управления должна предотвратить это, например, заблаговременно снизив скорость движения”.
Для компании Bosch Rexroth стандартом являются следующие параметры станков с ЧПУ при интерполяции траектории: время отклика 0,5 мс по 8-ми осям и 4 мс по 64 осям. „Интеллектуальные приводы SERCOS позволяют замкнуть цикл управления с периодом 0,25 мс, так достигается высокая точность и точное следование заданной траектории”– говорит Рапп.
Интерфейс SERCOS и различные приводы позволяют Bosch Rexroth применять синхронизацию и интерполяцию перемещений в самых разных приложениях, в том числе и в последнем предложении компании – системе управления механическим станком IndraMotion MTX. Для более простых приложений подойдет система из 8 синхронизованных осей IndraMotion MLD-M, это экономичное решение для производителей и пользователей, которым необходимо управление приводами. IndraMotion MLC с возможностью контроля 64 осей предназначена для более масштабных систем.
“Точное следование траектории должно быть заложено в самой конструкции системы управления, а не обеспечиваться программой – говорит Рапп. – Скорость работы цикла управления также должна быть очень высокой”.
С точки зрения Rockwell Automation, к управляемому движению относятся различные задачи: от простого регулируемого запуска или останова нескольких осей до контроля сложной траектории с интерполяцией нескольких осей во время движения. По словам Боба Хиршингера (Bob Hirschinger), менеджера по маркетингу в Logix motion, для этих задач требуются мощные контроллеры со следующими возможностями:
-
Задание координатной системы – для группировки осей при многокоординатной интерполяции.
-
Поддержка интерполируемых траекторий – линейной, круговой, эллиптической или специальной по двум и более осям, связанным координатной системой.
-
Кинематика – для управления такими нелинейными механическими системами, как суставные роботы
-
Многокоординатный планировщик криволинейных траекторий– для синхронизации положения, скорости и/или вращающего момента нескольких осей на основе опорного сигнала с кубической интерполяцией до 5-го порядка (для сглаживания промежуточных участков)
-
Синхронизованное замкнутое сервоуправление – с помощью аналогового или цифрового интерфейса привода, например, SERCOS.
„У контроллера движения должна быть высокая скорость выполнения программы, возможность планирования сложных траекторий и множество дополнительных функций: регистрационный контроль, динамический расчет пути, добавление фазового сдвига и другие”– говорит Хиршингер.
RockwellAutomation предлагает широкий спектр программируемых контроллеров, которые поддерживают линейную и круговую интерполяцию, различные кинематические преобразования и позволяют генерировать сложные криволинейные траектории. Один контроллер поддерживает до 32-х осей, для синхронного управления большим количеством можно соединить несколько приборов. Часто применяются следующие функции: редактирование криволинейных траекторий (с помощью графического редактора или таблицы точек) и различные кинематические преобразования с графической настройкой. Также в различных форматах (многозвенной схемы, структурированного текста, схемы последовательных функций) можно указать 40 встроенных шаблонов движения.
SERCOS – это интерфейс между приводами и контроллером движения, который производит все расчеты траектории, обеспечивает синхронизацию осей и устанавливает необходимые скорость и координату приводов, замыкающих контур системы, объяснил Хиршингер.
В Beckhoff Automation также считают синхронизированное движение отдельной областью среди задач управления. „Необходимо рассчитать траекторию движения, исходя из относительных перемещений, для этого требуется гораздо больше операций, чем при управлении независимыми осями – говорит главный инженер-консультант Роберт Траск (Robert Trask). – При жесткой взаимосвязи осей контроль многокоординатной системы становится проще – изменение нескольких осей определяется движением одной опорной”.
Своевременный обмен данными
Как считают в Beckhoff, огромные вычислительные мощности современных ПК позволяют замкнуть все циклы расчета положения на одном центральном промышленном компьютере – с системой автоматизации реального времени и детерминированной двусторонней связью с приборами. „Для регулярного получения данных необходимо, чтобы программа определяла скорость выполнения цикла, а не операционная система” – говорит Траск. В Beckhoff используются разные ОС Microsoft и дополнительно разработано собственное ядро ОС реального времени для выполнения программ управления. “Выполнение расчетов вне операционной системы позволяет поддерживать управление вне зависимости от остальных процессов”– утверждает он.
Успех Beckhoff Automation связан с EtherCAT – быстро развивающейся технологией для высокоскоростной детерминированной связи по Ethernet для задач управления движением и с интерфейсом к SERCOS для постоянного обмена координатами. Благодаря этим системам, цикл управления замыкается на промышленном ПК и управление движением становится еще проще.“Необходимый для синхронизации обмен данными между осями происходит без осложнений, связанных с квитированием нескольких контроллеров или всевозможных задержек, с которыми всегда боролись при попытках синхронизовать движение”– говорит Траск.
“В EtherCAT используется красивый метод передачи данных на стандартном физическом слое Ethernet, который обеспечивает синхронизацию данных на уровне микросекунд – продолжает он. – Достичь таких параметров с другими промышленными протоколами по меньшей мере сложно, а с традиционным TCP/IP вообще невозможно”. EtherCAT – это зарегистрированная в IEEE оболочка для Ethernet, пользующаяся стандартным оборудованием и кабелями. Oнa не требуюет новых инструментов для поддержки сети. Этим и обеспечивается низкая стоимость системы. EtherCAT поддерживается EtherCAT Technology Group – открытой торговой организацией состоящей более чем из 500 компаний. Компоненты EtherCAT выпускаются различными производителями.
Для координации движения в Beckhoff используется TwinCAT, программный управляющий пакет на основе IEC 61131-3. По словам Траска, TwinCAT может с обычного ПК осуществлять синхронизацию 40-50 осей.
Настройка, поиск неисправностей
Ли Стивенс (Lee Stephens), системный инженер Danaher Motion рассказал об управлении платформой (крана) – еще одном приложении, которое требует синхронизированного движения. В точной и детерминированной системе стороны (координаты) платформы должны двигаться синхронно. “Величина ошибки не очень важна, главное, чтобы с разных сторон она была примерно одной величины и знака” – говорит он. В противном случае во время движения возникнут колебания, как у человека, который идет по лестнице. В результате, из-за неточности управления возникнут вибрации, которые могут повредить подшипник или вызвать другие неполадки.
По мнению Стивенса, необходимы средства настройки и поиска неполадок для анализа резонансов, настройки системы и исследования ее стабильности, а не подстройка коэффициентов усиления одного за другим, пока контроллер не заработает удовлетворительно.“Качественный осциллограф стал необходимой составляющей контроллера движения, особенно при синхронизованном движении”– утверждает он.
В Danaher Motion системы синхронизированного перемещения управляются по SynqNet – цифровой сети реального времени. Контроль всех осей осуществляет Motion Supervisor, таким образом, все команды поступают из одного источника. По словам Стивенса: „SynqNet – это запатентованная технология цепи с фазовой синхронизацией, она обеспечивает настройку потоков данных для осей, которые могут работать от различных тактовых генераторов”. Для более сложных задач управления движением, с большим числом координатных осей и точек ввода/вывода Danaher предлагает такие SynqNet контроллеры, как XMP, eXMP (со встроенным процессором) и ZMP, которые позволяют координировать до 32-х осей.
Погрешности между синхронизированными осями возникают из-за потери данных и искажения управляющих сигналов, связанных со старением кабелей, электрическим шумом и плохим соединением. Стивенс предлагает регистрировать погрешности (циклический избыточностный контроль), анализ полученных данных поможет выявить оси с поврежденным каналом управления.
В Siemens Energy & Automation считают, что возможность синхронизации нескольких контроллеров связана с желанием производителя изготовливать приборы серийно, но с возможностью настройки под требования заказчика. Для этого производитель соединяет автономные модули в один механизм, а после этого синхронизирует систему, как при использовании одного контроллера – объясняет Цури Эванс (Zuri Evans), менеджер по Simotion. Simotion является целостным контроллером для машиностроения, который позволяет это сделать.
“После синхронизации контролеров в Simotion можно установить передаточное соотношение между осями разных контроллеров с одинаковыми командами (например, gear-on или cam-on) – объясняет Эванс. – При правильном применении концепция модульных приборов позволяет сэкономить до 80% времени разработки”.
Компания Siemens недавно представила обрабатывающую машину, в которой 8 контроллеров на основе Simotion обеспечивают синхронизацию до 109 осей. “Однако, точность важна не меньше, чем число осей – добавляет Эванс. – Например, любая рассогласованность в печатном прессе во время работы приведет к полному искажению рисунков”. Simotion обеспечивает джиттер не больше 1 микросекунды, для целей синхронизации этого более чем достаточно.
Еще больше осей
“Протоколы реального времени на базе Ethernet, например, PowerLink увеличивают количество осей, которые может синхронизировать один контроллер – говорит Мазуркевич из компании Baldor. – PowerLink с легкостью обеспечивает синхронизацию, интерполяцию и координирование”. Также с его помощью проще контролировать положение осей, их синхронизацию (опорный сигнал передается по сети, а не подключается к каждому приводу) и интерполяцию благодаря работе сети в реальном времени – объясняет Мазуркевич.
Bosch Rexroth – давний сторонник интерфейса SERCOS, исполнительного инструмента для генерации сложных профилей в задачах управления ЧПУ и других областях. По мнению компании, последняя версия SERCOS III – это возможность увеличить количество управляемых осей и избежать снижения производительности и стоимости системы управления.
Не называя точной даты, представители Siemens утверждают, что в скором времени Simotion расширит концепцию синхронизации контроллеров одной машины на несколько разных машин. Решение от Siemens позволит сэкономить значительные средства и время по сравнению с другими предложениями, обеспечивая синхронизацию приводов и контроллеров различных производителей, поддерживающих Profibus или Profinet.
Хиршингер из Rockwell Automation утверждает, что дальнейшее развитие планировщика траекторий позволит сделать дополнительный шаг вперед по синхронизации систем управления перемещением. Он считает, что новые мощные процессоры обеспечат большую скорость расчета сложных траекторий и циклов обратной связи, а программные средства снизят сложность разработки и описания траекторий. Среди других новшеств, которые появятся в ближайшее время, Хиршингер выделяет внедрение циклов с обратной связью в приводы для лучшего управления валом мотора и новые функции сетевого взаимодействия для синхронизации распределенных приводов, например, средства тактирования на базе Ethernet, подчиняющиеся стандарту IEEE 1588.
Прогресс в этих и других областях обеспечит инженеров новыми средствами координации, синхронизации и интерполяции осей в автоматизированных системах.