Nowoczesne systemy przemysłowe, takie jak robotyka i zautomatyzowane systemy przenośników, opierają się na szybkich, zsynchronizowanych danych w celu optymalizacji wydajności, poprawy wydajności i osiągnięcia konserwacji predykcyjnej. Jednak przechwytywanie i koordynowanie danych dotyczących pozycji i ruchu z dokładnością do milisekund jest poważnym wyzwaniem. Standardowym systemom akwizycji danych (DAQ) często brakuje wyspecjalizowanej funkcjonalności wymaganej do połączenia w czasie rzeczywistym z koderami i timerami, co może prowadzić do zmniejszenia niezawodności systemu i wąskich gardeł w wydajności.
W tym artykule najpierw krótko przedstawiono różne wymagania wymagane do szybkiego pomiaru położenia i czasu w trudnych zastosowaniach przemysłowych. Następnie przedstawiono moduł licznika/zegara enkodera firmy Advantech oraz wyjaśniono różne tryby enkodera i cztery szybkie kanały tego modułu, w jaki sposób można je wykorzystać do rozwiązywania złożonych problemów z synchronizacją w zastosowaniach związanych z robotami i sterowaniem ruchem. Typowe konfiguracje systemu i kompatybilne narzędzia programowe zapewniają jasną ścieżkę wdrożenia integracji systemu.
Znaczenie precyzyjnego sterowania ruchem i czasem w procesach przemysłowych
Nowoczesne systemy przemysłowe opierają się na złożonych i uporządkowanych ruchach, w których kluczowa jest zdolność koordynacji. Rozważmy ramię robota, które podnosi komponenty z poruszającego się przenośnika taśmowego. Aby system działał normalnie, ruch ramienia robota musi być zsynchronizowany z prędkością i położeniem przenośnika. Aby to osiągnąć, konieczne jest przechwytywanie informacji z wielu źródeł danych z dokładnością do milisekund i koordynowanie ich, co stanowi bardzo trudne wymaganie techniczne.
System DAQ odgrywa kluczową rolę w rozwiązaniu tego problemu. System przechwytuje dane z enkodera z silnika napędowego przenośnika i przegubów ramienia robota, a następnie synchronizuje te pomiary w wielu kanałach, aby dokładnie obliczyć czas przechwytywania elementów na taśmie przenośnika.
Zwiększając prędkość przenośnika taśmowego w celu poprawy wydajności produkcji, system gromadzenia danych (DAQ) musi szybko próbkować dane dotyczące pozycji i czasu, aby uniknąć błędów. Opóźnione lub brakujące odczyty czujników mogą prowadzić do nieprawidłowego synchronizacji działania komponentów mechanicznych, a nawet powodować kolizje pomiędzy komponentami mechanicznymi, co skutkuje nieoczekiwanymi przestojami i utratą produktywności.
Precyzyjny system DAQ wspiera również konserwację predykcyjną. Na przykład nienormalna prędkość lub błąd położenia może wskazywać na problem, taki jak zużycie łożyska lub poślizg paska. Analizując te sygnały, projektanci mogą z wyprzedzeniem zidentyfikować potencjalne usterki i uniknąć przerw w działaniu.
Wymagania dla szybkiego DAQ
Aby spełnić te wymagania aplikacyjne, systemy DAQ muszą posiadać następujące kluczowe cechy wydajnościowe:
Próbkowanie z dużą szybkością i rozdzielczością: rejestrowanie subtelnych ruchów, takich jak zmiany pozycji na poziomie submilimetrowym, wymaga zarówno dużej częstotliwości próbkowania, jak i wysokiej precyzji rozdzielczości. Próbkowanie w zakresie megaherców (MHz) gwarantuje, że żadne krytyczne zdarzenia nie zostaną pominięte nawet w środowiskach o dużej szybkości.
Wielokanałowe jednoczesne próbkowanie: Aby skoordynować działanie ramienia robota i przenośnika taśmowego, konieczne jest jednoczesne przechwytywanie danych dotyczących ich położenia i czasu, a nie przechwytywanie ich sekwencyjnie. Próba skorelowania sekwencyjnie przechwyconych strumieni danych może skutkować błędami, takimi jak wybranie niewłaściwego elementu na przenośniku taśmowym lub całkowite pominięcie tego elementu.
Elastyczna obsługa enkoderów: systemy przemysłowe często korzystają z komponentów pochodzących od różnych dostawców, co skutkuje mieszanymi typami sygnałów enkoderów. System DAQ powinien obsługiwać wiele trybów kodera, aby uniknąć dodawania logiki interfejsu.
Wzornictwo przemysłowe: środowiska przemysłowe mogą narażać urządzenia elektroniczne na trudne warunki, takie jak zakłócenia elektromagnetyczne, wibracje i wysokie temperatury. Dlatego, aby zapewnić niezawodne działanie systemu i zapobiec awariom systemu, należy zastosować odpowiedni sprzęt DAQ.
Skalowalność: systemy DAQ powinny mieć konstrukcję modułową, umożliwiającą projektantom łatwą rozbudowę systemu poprzez dodanie większej liczby kanałów lub różnych typów wejść. Oznacza to, że nawet w miarę ciągłego rozwoju obiektów automatyki, nadal można zapewnić integrację nowych robotów, czujników i linii produkcyjnych.
Aby sprostać tak zróżnicowanemu zakresowi potrzeb, należy stawić czoła znaczącym wyzwaniom projektowym, jakie się z tym wiążą. Chociaż wiele DAQ doskonale nadaje się do ogólnego gromadzenia danych, kryteria aplikacji obejmujące szybki, synchroniczny ruch wymagają specjalistycznego sprzętu.
Zaawansowana technologia pomiaru pozycji i czasu dla systemów sterowania ruchem
Moduł licznika/timera o wysokiej precyzji enkodera iDAQ-784 (rysunek 1) wprowadzony na rynek przez firmę Advantech został zaprojektowany specjalnie, aby spełnić te wymagania. Moduł ten udostępnia cztery uniwersalne 32-bitowe kanały enkodera, które mogą obsługiwać synchroniczny pomiar pozycji i czasu w systemach przemysłowych. Moduł ten obsługuje częstotliwości wejściowe do 10 MHz, aby uzyskać precyzyjne taktowanie sygnałów enkodera.
Moduł licznika/zegara enkodera iDAQ-784 firmy Advantech
Rysunek 1: Moduł licznika/timera enkodera iDAQ-784 obsługuje jednoczesne gromadzenie danych na czterech 32-bitowych kanałach, dzięki czemu nadaje się do złożonych zastosowań przemysłowych w zakresie sterowania ruchem. (Źródło obrazu: Advantech)
Wbudowana funkcja filtrowania sygnału cyfrowego może pomóc iDAQ-784 osiągnąć wyraźniejszą transmisję sygnału i wyższą dokładność pomiaru. Zapewnia to możliwość precyzyjnego charakteryzowania na poziomie systemu dla zaawansowanych zastosowań automatyki, takich jak roboty przemysłowe, systemy sterowania ruchem i systemy przenośników o dużej prędkości.
Tryby wejścia, pomiaru i wyjścia enkodera
IDAQ-784 obsługuje wiele typów sygnałów wejściowych i trybów pomiaru, aby sprostać różnorodnym potrzebom w zakresie przemysłowego sterowania ruchem. Każdy kanał licznika obsługuje wejścia jednoprzewodowe i różnicowe, z zakresem napięcia wspólnego wynoszącym ± 15 VDC. Moduł ten obsługuje trzy standardowe enkodery przemysłowe do pomiaru położenia:
Ortogonalny (faza A/B): Dzięki zastosowaniu dwóch kanałów sygnałowych (faza A i faza B) z różnicą fazową wynoszącą 90°, położenie i kierunek są określane synchronicznie. Specyficzna metoda kodowania (X1, X2 lub X4) określa rozdzielczość poprzez zliczenie liczby zboczy narastających i/lub opadających, gdzie X4 ma rozdzielczość czterokrotnie większą niż X1.
Podwójny impuls (CW/CCW): Impulsy zgodne z ruchem wskazówek zegara (CW) i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (CCW) korzystają z oddzielnych linii wejściowych. Licznik zwiększa się w przypadku impulsu CW i maleje w przypadku impulsu CCW.
Kierunek impulsu (impuls ze znakiem): Jeden sygnał służy do generowania impulsu, drugi zaś wskazuje kierunek. Licznik zwiększa się lub zmniejsza w zależności od stanu sygnału kierunkowego.
Każde wejście enkodera może wykorzystywać okablowanie jednostronne lub różnicowe i zapewniać wejście sygnału Z do resetowania położenia. Każdy kanał zliczający obsługuje także wiele trybów funkcjonalnych do pomiaru czasu i generowania impulsów:
Liczba zdarzeń: Zlicza narastające i opadające zbocze sygnału wejściowego, z opcjonalną funkcją bramkowania.
Pomiar częstotliwości: Dokładnie zmierz częstotliwość sygnału, stosując metodę odwrotnego cyklu lub metodę zliczania impulsów.
Pomiar szerokości impulsu: mierzy czas trwania wysokiego i niskiego poziomu sygnału cyfrowego.
Pomiar pozycji: Śledź pozycję enkodera, korzystając z obsługiwanych trybów wejściowych wymienionych powyżej.
Porównanie ciągłe (porównanie pozycji): Po osiągnięciu progu pozycji wyzwalany jest impuls wyjściowy lub przerwanie.
Pojedynczy wyzwalacz (opóźnione generowanie impulsu): Po wyzwoleniu bramki i określonym opóźnieniu wysyłany jest pojedynczy impuls.
Generowanie timera/impulsu: Wyjście ciągłego ciągu impulsów z funkcją obsługi przerwań.
Modulacja szerokości impulsu (PWM): wysyłanie przebiegów z programowalnym czasem trwania wysokiego i niskiego poziomu; Obsługuje generację ograniczoną lub ciągłą.
Ten szeroki wybór trybów zapewnia kompatybilność z różnymi popularnymi urządzeniami w systemach przemysłowych.
Specjalnie zaprojektowane do środowisk przemysłowych
iDAQ-784 i otaczający go ekosystem zostały zaprojektowane tak, aby osiągnąć wysoką niezawodność w trudnych warunkach przemysłowych. Znamionowy zakres temperatur pracy tego modułu wynosi od -40°F do 158°F, przy wilgotności względnej do 90% (bez kondensacji).
Ponadto moduł ten został specjalnie zaprojektowany tak, aby był odporny na typowe zakłócenia elektromagnetyczne występujące w środowiskach fabrycznych; Wbudowany cyfrowy filtr sygnału może poprawić klarowność sygnału, a każdy kanał obsługuje sygnał wejściowy różnicowy, zapewniając doskonałą skuteczność tłumienia szumów w trybie wspólnym.
Ta koncepcja projektowa obejmuje również akcesoria ekosystemowe, które charakteryzują się solidną i trwałą konstrukcją zgodną ze standardami szyny DIN i mogą być niezawodnie instalowane w szafach przemysłowych. Dzięki potężnemu połączeniu tolerancji środowiskowej, odporności na hałas i solidnej integracji fizycznej, można przeprowadzić precyzyjną analizę charakterystyki na poziomie systemu w zaawansowanych aplikacjach automatyki.
Budowa szybkiego i precyzyjnego systemu DAQ
Pierwszym krokiem w budowie DAQ jest podłączenie czujników. W pierwszej kolejności podłączyć przewody czujnika do zacisków przewodów. Gotowym rozwiązaniem do tego celu jest moduł interfejsu ADAM-3937-BE firmy Advantech (rysunek 2). Ten 37-pinowy moduł został zaprojektowany specjalnie do montażu na szynie DIN, ma wymiary 87,2 mm x 112,5 mm x 51 mm i można go łatwo zintegrować ze standardową infrastrukturą przemysłową kompatybilną z DB37.