Mitkä PLC-moduulit sopivat yleisimpiin servojärjestelmiin?

PLC-moduulien toimintojen ymmärtäminen servo-ohjausjärjestelmissä

PLC-moduulien rooli kokonaisjärjestelmän toiminnallisuudessa

PLC-moduulit muodostavat servojärjestelmien ytimen ja muuntavat käytännössä koodin todelliseksi liikkeeksi tehdasnavoilla. Nämä moduulit vastaanottavat signaaleja kaikenlaisilta antureilta, mukaan lukien enkooderit ja kaikkialle asentamamme rajakytkimet, ja lähettävät ohjeet servo-ohjaimille lähes välittömästi. Liikkeenohjausosa huolehtii useiden akselien tasaisesta yhteistoiminnasta, kun taas analogiset I/O-osuudet seuraavat asioita kuten käytettyä vääntömomenttia ja komponenttien liikenopeutta. Kaikki tämä tapahtuu niin nopeasti, että koneet voivat sijoittaa osia tarkasti noin 0,01 millimetrin tarkkuudella kumpaankin suuntaan. Tällainen tarkkuus on erittäin tärkeää CNC-koneiden käytössä, koska jo pienetkin virheet voivat tuhota koko tuotannossa olevat erät.

Tärkeät laitteistoominaisuudet, jotka määrittelevät nykyaikaisia PLC-moduuleja

Nykyaikaiset PLC-moduulit määrittyvät kolmen keskeisen laitteistokehityksen myötä:

• Käsittelyn nopeus : 32-bittiset prosessorit, jotka suorittavat käskyjä 10 ns sykleissä
• I/O-tiheys : Kompaktit mallit, jotka tukevat 32+ digitaalista kanavaa tai 16 analogien syöttöä
• Viestintäliittymät : Integroidut portit EtherCATille, PROFINETille tai Ethernetille/IP:lle

Nämä ominaisuudet mahdollistavat monimutkaisten interpoloitujen liikkuvuuden profiilien käsittelyn, kun deterministinen suorituskyky säilyy. Servo-sovelluksiin välttämättömät nopeuslaskimoduulit voivat käsitellä kooderimpulsseja nopeuksilla yli 1 MHz.

Viestintä- ja I/O-moduulien integrointi samaan runkoon

Modulaariset ohjausjärjestelmät yhdistävät viestintä- ja sisään- ja uloskäyntivaltojen yhtenäisten tausta-ohjausjärjestelmien kautta, jotka takaavat deterministisen tiedonsiirron. Yksittäiseen malliin voidaan sijoittaa:

Tämä yhdistäminen vähentää kaapeloinnin monimutkaisuutta 40 % verrattuna hajautettuihin arkkitehtuureihin ja tukee kierroksiajat alle 2 ms, mahdollistaen tarkkanäköisen servokoordinoinnin.

Ohjelmoitavien logiikkakontrollerien modulien ja servo-ekosysteemien yhteensopivuuden arviointi

Laitteiston yhteensopivuus: Jännitteen, virran ja moduulimäärittelyjen yhdenmukaistaminen

Kaikkien osien saaminen toimimaan yhdessä alkaa sähköisten liitosten ja fyysisen asennuksen tarkistamisella ohjelmoitavien logiikkakontrollerien (PLC) moduulien ja servojen välillä. Useimmat teollisuuden PLC-järjestelmät toimivat 24 voltin tasajännitteellä, vaikka ne voivat käsitellä virtaa 2 ampeerista jopa 20 ampeeriin työmäärästä riippuen. Viime vuoden PR Newswire -aineiston mukaan noin joka neljännes liikkeenohjauksen ongelmista johtuu joko väärästä jänniteasetuksesta tai riittämättömästä virrankuljetuskyvystä. Asennuksen yhteydessä insinöörien on erittäin tärkeää tarkistaa takalevyn virranrajoitukset, varmistaa, että moduulit sopivat oikeisiin paikkoihinsa, ja vahvistaa, että kaikki voidaan asentaa oikein DIN-kiinnikkeille. Muuten voi esiintyä vakavia ongelmia, kuten komponenttien ylikuumeneminen tai yhteyksien menetys käytön aikana. Ota esimerkiksi käyttöön tiheästi pakattujen analogisten syöttö/lähtömoduulien – niitä tarvitaan noin 10–15 prosenttia enemmän tilaa kytkentäkaapissa verrattuna tavallisiin digitaalimoduuleihin ainoastaan sen vuoksi, että ne tuottavat enemmän lämpöä ja vaativat parempaa ilmanvaihtoa.

Yhteensopivat viestintäprotokollat: EtherNet/IP, Modbus TCP ja PROFINET

Oikean protokollan valinta on tärkeää, kun halutaan saavuttaa sujuva tiedonsiirto ohjainlaitteiden (PLC) ja servovahvistimien välillä. Nykyään noin kolme neljäsosaa teollisista verkoista käyttää joko EtherNet/IP:tä tai PROFINET:iä, jotka yleensä tarjoavat vastausajat alle yhden millisekunnin. Tämä on varsin nopeaa. Toisaalta Modbus TCP on edelleen käytössä vanhemmissa järjestelmissä, mutta sen synkronointiviiveet ovat usein yli plus- tai miinus 5 millisekuntia, mikä hidastaa suorituskykyä. Tämä ei ole kovin hyvä, jos liikkeen tarkkuudelle asetetaan tiukat vaatimukset. Kun useita akselia ohjataan yhdessä, suurin osa käyttäjistä valitsee CIP Motion - tai PROFIdrive-määrityksiä tukevat protokollat, koska ne pitävät akselit synkronoituna murto-osassa millisekuntia kaikkialla verkossa.

Omavarainen vs. avoimeen arkkitehtuuriin perustuva PLC-servo integraatio

Omistetekniset järjestelmät, kuten CC-Link IE, suoriutuvat yleensä paremmin, koska valmistajat voivat säätää niitä tarkasti omiin laitteisiinsa. Avoimet standardit, kuten OPC UA ja MQTT, tarjoavat valmistajille huomattavasti enemmän vapautta eri alustojen yhteistoiminnassa. Viimeaikaiset teollisuusraportit osoittavat, että noin kaksi kolmasosaa automaatioprosesseista käyttää modulaarisia ohjelmoitavien logiikkakontrollerien (PLC) rakenteita, jotka toimivat molempien arkkitehtuurien kanssa. Tämä yhdistelmä on itse asiassa edistänyt hybridiviestintämodulien vakiota kasvua noin 14 prosenttia vuodessa. Todellinen etu tässä on mahdollisuus päivittää vanhoja servoverkkojärjestelmiä kohti modernia IIoT-infrastruktuuria asteittain ilman, että kaikki pitäisi hävittää ja aloittaa alusta.

I/O:n ja viestintäliitäntöjen mitoitus servo-sovelluksissa

Oikein mitoitetut I/O- ja viestintäliitynnät varmistavat luotettavan vuorovaikutuksen PLC-modulien ja servo-järjestelmien välillä, tasapainottaen välittömät vaatimukset ja tulevan skaalautuvuuden.

Digitaalisten, analogisten ja erikois-I/O-vaatimusten arviointi automaatiotehtävissä

Servosovellukset vaativat huolellisen I/O-luokittelun:

• Digitaalinen I/O käsittelee diskreettejä signaaleja, kuten rajakytkimiä ja reletiloja.
• Analoginen I/O hallinnoi jatkuvia tietovirtoja, mukaan lukien vääntömomentin takaisinkytkentä ja lämpötila, joissa tarkkuustehtäviin suositellaan vähintään 12-bittistä resoluutiota.
• Erikoismoduulit , kuten nopeita laskureita enkooderisyötteisiin tai PWM-ulostuloja askelmoottoreihin, ratkaisevat erityiset sovellustarpeet. Vuoden 2023 Automation Research -tutkimuksen mukaan 27 % integrointivioista johtuu epäyhteensopivista I/O-määrityksistä, mikä korostaa perusteellisen suunnittelun tärkeyttä.

I/O-porttien yhdistäminen kenttälaitteisiin: anturit, toimilaitteet ja ajot

Kenttälaitteiden liittäminen oikeilla I/O-ominaisuuksilla on olennaista, jotta vältetään hidastumiset nopeasti etenevissä tuotantoympäristöissä. Otetaan esimerkiksi tyypillinen pakkaukseen liittyvä linja: fotonelementtianturit toimivat usein parhaiten 24 V:n DC-sinkkäsyöttöjen kanssa, kun taas nuo verrannollisuusventtiilit vaativat yleensä jotain kuten 4–20 mA:n analogisen lähdön. Monet johtavat laitteiden valmistajat ovat huomanneet tämän ongelman ja alkaneet tuottaa näitä konfiguroitavia I/O-kanavia, jotka voivat käsitellä useita eri signaalityyppejä. Tämäntyyppinen joustavuus vähentää merkittävästi niitä yhteensopivuusongelmia modulien ja laitteiden välillä, jotka aiemmin aiheuttivat paljon hankaluuksia asennustiimeille.

Skaalautuvuuden ja tulevan laajennettavuuden varmistaminen

Suunniteltaessa skaalautuvuutta, useimmat asiantuntijat suosittelevat rakentamaan noin 10–20 prosenttia suuremman syöttö/lähtökapasiteetin kuin mitä tällä hetkellä tarvitaan, kuten viimeisimmät vuoden 2024 automaatiostandardit määrittelevät. Modulaariset PLC-järjestelmät, joissa on laajennettavat takakannat, toimivat erityisen hyvin tässä, koska ne mahdollistavat valmistajille asteittaisen päivityksen osa kerrallaan. Tarvitsetko enemmän ajokkien liitäntöjä? Liitä vain lisää PROFINET-kortti, äläkä pura koko järjestelmää. Tämän menetelmän etuna on, että se pitää järjestelmän riittävän nopeana reaaliohjaukseen, säilyttäen erittäin nopeat kierroksiajat alle millisekunnin, vaikka tuotantovaatimukset muuttuisivat ja kasvaisivat.

Käytännön integraatio: Viestintäsuorituskyky PLC-ja servo-verkoissa

Reaalikaistaisten tietovirtojen synkronointi PLC:n ja servomoottorien välillä

Teollisessa automaatiassa luotettava tiedonsiirto PLC-moduulien ja servomoottorien välillä on erittäin tärkeää. Kellon tulee olla myös tarkka – puhumme synkronointivirheistä, jotka pysyttelevät alle plus- tai miinus 50 mikrosekunnissa kaikilla nopeasti toimivilla järjestelmillä, kuten viime vuoden Automation Performance -raportti toteaa. Nykyään käytetään edistyneitä kommunikaatioprotokollia, kuten EtherNet/IP:tä ja PROFINET:ia, komentojen lähettämiseen reaaliajassa. Mitä tämä käytännössä tarkoittaa? Moottorit pysähtyvät melko tarkasti siihen kohtaan, mihin niiden kuuluu, yleensä noin kymmenesosan asteen tarkkuudella. Otetaan esimerkiksi metallin painoleikkurit. Kun valmistajat kytkentävät PLC:t suoraan servoverkkoihin vanhojen pulssisignaalien sijaan, he huomaavat tapahtuvan jotain uskomatonta. Työkalujen asennointi kestää neljäsosan siitä ajasta mitä aiemmin. Tämä on loogista, kun ottaa huomioon, kuinka kriittiseksi ajoitus muuttuu tuotantonopeuksissa.

Tapaus: PROFINET-pohjaisen PLC-servokoordinaation käyttöönotto pakkauksessa

Keski-alueen karkkipakkaustehdas teki merkittäviä parannuksia liikkeenohjausjärjestelmäänsä, kun se korvasi vanhan CANopen-teknologian PROFINET IRT:llä. Mitä tämä tarkoittaa käytännössä? Vasteaika laski dramaattisesti 8 millisekunnista vain 1,2 millisekuntiin samalla kun kaikki 12 akselia pysyivät täysin synkronissa. Tulokset puhuvat puolestaan – tuotetukokset vähenivät lähes kaksi kolmasosaa (67 %) ja kokonaisvalmistusnopeus kasvoi 25 %. Melko vaikuttavaa. Taustalla erityinen Motion Control -PLC-suoritin hoiti peräti 1 200 syöttö/lähtöpistettä, jotka olivat jakautuneet kolmeen erilliseen servokaappiin. Tämänlainen suorituskyky osoittaa, kuinka pitkälle PLC-modulitekniikka on nykyään kehittynyt siinä, mitä se pystyy käsittelemään.

Suorituskyvyn vertailuarvot PLC-moduuleille nopeassa servo-ohjauksessa

Parhaat markkinoilla olevat PLC-moduulit pystyvät käsittelemään kiertäviä aikoja, jotka ovat alle 2 millisekuntia järjestelmissä, joissa on enintään 32 akselia. Ne myös hallitsevat jittäritasot alle 5 mikrosekunnin, jopa hätäpysäytyksen yhteydessä, kuten Motion Control Lab -tutkimuslaitoksen testit vuonna 2023 osoittavat. Näissä edistyneissä järjestelmissä käytetään kaksinkertaista prosessorisuunnittelua, jossa toinen prosessori hoitaa kaiken viestinnän ja toinen vastaa varsinaisen logiikan suorittamisesta. Tämä erottelu mahdollistaa servopäivitykset 1 kilohertsin taajuudella häiritsemättä samalla analogisten tulojen lukemia. Niiden yhdistäminen hajautettujen I/O-moduulien kanssa pitää järjestelmän toiminnan tasaisena. Etäisyyksillä, jotka ulottuvat 100 metriin käyttäen EtherCAT-yhteyksiä, pakettihäviö pysyy alle 0,01 %. Tämäntyyppinen luotettavuus tekee näistä järjestelmistä hyvin toimivia vaativissa teollisuusympäristöissä, joissa käyttökatkot eivät ole vaihtoehto.

UKK

Mikä rooli PLC-moduuleilla on servojärjestelmissä?

PLC-moduulit ovat ratkaisevan tärkeitä koodin muuttamisessa liikkeeksi ja tarkan ohjauksen varmistamisessa servojärjestelmissä. Ne käsittelevät anturien signaaleja ja lähettävät ohjeita servoajaimille, ylläpitäen tasaisen liikkeen ohjausta sekä seuraamalla parametreja, kuten vääntömomenttia ja nopeutta.

Miksi protokollan yhdenmukaistaminen on tärkeää PLC-servo-järjestelmissä?

Protokollan yhdenmukaistaminen, kuten EtherNet/IP tai PROFINET, takaa nopean ja sujuvan tiedonsiirron PLC:n ja servoaluevahvistimien välillä, mikä on olennaista tarkan liikkeen ja synkronoinnin ylläpitämiseksi.

Kuinka PLC-järjestelmät voivat taata tulevan skaalautuvuuden?

Suunnittelu ylimääräisellä syöttö/lähtökapasiteetilla ja modulaarisilla ratkaisuilla, joissa on laajennettavat takakiskot, mahdollistaa tulevan skaalautuvuuden ja järjestelmän päivitysten helppouden.

Miksi joku saattaa valita avoimen arkkitehtuurin PLC-integraation suljettujen järjestelmien sijaan?

Avoimen arkkitehtuurin järjestelmät tarjoavat suurempaa joustavuutta eri alustojen yli ja niitä valitaan yhä enemmän kyvystä integroitua monenlaisiin järjestelmiin ilman täydellisiä uudelleenrakennuksia.