Які модулі ПЛК підходять для основних сервосистем?

Розуміння функцій модулів ПЛК у системах керування сервоприводами

Роль модулів ПЛК у загальній функціональності системи

Модулі ПЛК утворюють основу систем сервокерування, перетворюючи код на реальні рухи на виробничій ділянці. Ці модулі приймають сигнали від різноманітних датчиків, включаючи енкодери та кінцеві вимикачі, які ми встановлюємо скрізь, і практично миттєво передають інструкції серводрайверам. Частина керування рухом забезпечує плавну роботу декількох осей узгоджено, тоді як аналогові I/O пристрої займаються контролем таких параметрів, як величина прикладеного обертального моменту та швидкість руху компонентів. Усе це відбувається настільки швидко, що верстати можуть точно позиціонувати деталі з точністю до 0,01 мм в будь-якому напрямку. Така прецизійність має велике значення під час роботи з ЧПУ-верстатами, де навіть незначні помилки можуть зіпсувати цілі партії продукції.

Ключові апаратні характеристики сучасних модулів ПЛК

Сучасні модулі ПЛК визначаються трьома основними досягненнями в апаратному забезпеченні:

• Швидкість обробки : 32-бітові процесори, що виконують інструкції за цикли в 10 нс
• Щільність I/O : Компактні конструкції, що підтримують 32+ цифрових канали або 16 аналогових входів
• Інтерфейси зв'язку : Інтегровані порти для EtherCAT, PROFINET або Ethernet/IP

Ці можливості дозволяють обробляти складні інтерпольовані траєкторії руху з одночасним збереженням детермінованої продуктивності. Модулі високошвидкісних лічильників, необхідні для серво-застосувань, можуть обробляти імпульси енкодера з частотою понад 1 МГц.

Інтеграція комунікаційних модулів та модулів введення/виведення в одному шасі

Модульні ПЛК інтегрують функції комунікації та введення/виведення через уніфіковані шини, які забезпечують детерміновану передачу даних. В одному шасі можуть розміщуватися:

Ця інтеграція зменшує складність електропроводки на 40% порівняно з розподіленими архітектурами та забезпечує циклічні часи менше 2 мс, що дозволяє високоточну координацію сервоприводів.

Оцінка сумісності між модулями ПЛК та екосистемами сервоприводів

Сумісність апаратного забезпечення: узгодження напруги, струму та специфікацій модулів

Забезпечення роботи всього обладнання у комплексі починається з перевірки відповідності електричних з'єднань та фізичного монтажу модулів ПЛК і сервоприводів. Більшість промислових систем ПЛК працюють на постійному струмі 24 вольти, хоча вони можуть витримувати струм від 2 ампер до 20 ампер залежно від характеру навантаження. Згідно з даними PR Newswire за минулий рік, приблизно кожна четверта проблема з керуванням рухом пов’язана з неправильними налаштуваннями напруги або недостатньою потужністю струму. Під час налаштування інженерам дуже важливо ще раз перевірити граничні значення струму шини, переконатися, що модулі правильно встановлені у відведені для них місця, і підтвердити, що все буде надійно закріплено на DIN-рейках. В іншому випадку можуть виникнути серйозні проблеми, такі як перегрів компонентів або втрата з'єднання під час роботи. Наприклад, аналогові модулі вводу/виводу високої щільності потребують на 10–15 відсотків більше вільного місця всередині шафи порівняно зі звичайними цифровими модулями лише тому, що вони генерують більше тепла й потребують кращої циркуляції повітря.

Сумісність протоколів зв'язку: EtherNet/IP, Modbus TCP та PROFINET

Правильна узгодженість протоколів має велике значення для ефективного обміну даними між ПЛК та серво-підсилювачами. На сьогодні близько трьох чвертей промислових мереж використовують EtherNet/IP або PROFINET, які забезпечують час відгуку менше 1 мілісекунди. Це досить швидко. Навпаки, Modbus TCP досі використовується в старих системах, але часто поступається за продуктивністю, маючи затримки синхронізації, що перевищують ±5 мілісекунд. Це не найкращий варіант, якщо потрібен точний контроль руху. У випадках із кількома узгодженими осями більшість користувачів обирають протоколи, що підтримують специфікації CIP Motion або PROFIdrive, оскільки вони забезпечують синхронізацію осей із точністю до часток мілісекунди.

Пропрієтарна та відкрита архітектура інтеграції ПЛК-серво

Власні системи, такі як CC-Link IE, зазвичай мають кращу продуктивність, оскільки виробники можуть точно налаштувати їх під своє обладнання. Але відкриті стандарти, як-от OPC UA та MQTT, дають виробникам значно більше свободи при роботі на різних платформах. Згідно з останніми галузевими звітами, близько двох третин фахівців з автоматизації обирають модульні конфігурації ПЛК, сумісні з обома типами архітектури. Це поєднання фактично стимулює стабільний ріст гібридних комунікаційних модулів приблизно на 14 відсотків на рік. Справжня перевага полягає в тому, щоб повільно модернізувати старі мережі сервоприводів до сучасної інфраструктури IIoT, не викидаючи все і не починаючи все спочатку.

Вибір розміру входів/виходів та комунікаційних інтерфейсів для застосунків сервоприводів

Правильний вибір розміру входів/виходів та комунікаційних інтерфейсів забезпечує надійну взаємодію між модулями ПЛК та сервосистемами, забезпечуючи баланс між поточними вимогами та можливостями майбутнього масштабування.

Оцінка цифрових, аналогових та спеціальних вимог до входів/виходів для завдань автоматизації

Для сервоприводів потрібна ретельна класифікація входів/виходів:

• Цифрові входи/виходи обробляє дискретні сигнали, такі як кінцеві вимикачі та стани реле.
• Аналогові входи/виходи керує неперервними потоками даних, включаючи зворотний зв'язок за моментом і температурою, при цьому для точних завдань рекомендується роздільна здатність не менше 12 біт.
• Спеціалізовані модулі , такі як швидкісні лічильники для вхідних сигналів енкодера або виходи ШІМ для крокових двигунів, задовольняють специфічні вимоги застосування. Згідно з дослідженням Automation Research за 2023 рік, 27% випадків невдалої інтеграції спричинені неузгодженими специфікаціями входів/виходів, що підкреслює важливість ретельного планування.

Підбір входів/виходів до приладів на об'єкті: датчики, виконавчі механізми та приводи

Правильна настройка можливостей введення/виведення під час підключення до пристроїв на об'єкті має важливе значення для уникнення затримок у швидкозмінних виробничих середовищах. Візьмемо, наприклад, типову лінію з упаковки: фотоелектричні датчики найчастіше найкраще працюють із входами 24 В постійного струму з «заземленням», тоді як пропорційним клапанам зазвичай потрібен аналоговий вихід із сигналом 4–20 мА. Багато провідних виробників обладнання врахували цю проблему й почали випускати конфігуровані канали введення/виведення, здатні працювати з кількома різними типами сигналів. Така гнучкість значно зменшує сумісність модулів із пристроями, що раніше часто ускладнювала роботу монтажників.

Забезпечення масштабованості та можливості майбутнього розширення

При проектуванні з урахуванням масштабованості більшість експертів радять закладати приблизно на 10–20 відсотків більшу ємність входів/виходів, ніж потрібно зараз, згідно з останніми стандартами автоматизації 2024 року. Модульні системи ПЛК із розширюваними шинними платами дійсно добре себе показують у цьому аспекті, оскільки дозволяють виробникам поступово оновлювати обладнання частинами. Потрібно більше підключень приводів? Просто вставте додаткову картку PROFINET замість того, щоб розбирати все наново. Перевага цього методу полягає в тому, що система продовжує працювати достатньо швидко для операцій у реальному часі, зберігаючи надзвичайно короткі цикли менше ніж одна мілісекунда, навіть коли вимоги до виробництва змінюються та зростають.

Інтеграція в реальних умовах: продуктивність зв'язку в мережах ПЛК-сервопривод

Синхронізація потоку даних у реальному часі між ПЛК та сервоприводами

Коли мова йде про промислову автоматизацію, дуже важливо забезпечити надійну передачу даних між модулями ПЛК і сервоприводами. Такт теж має бути чітким — мова йде про підтримку похибок синхронізації менш ніж плюс-мінус 50 мікросекунд для будь-чого, що працює на високій швидкості, згідно з Звітом про ефективність автоматизації минулого року. У наш час люди покладаються на сучасні комунікаційні протоколи, такі як EtherNet/IP та PROFINET, щоб надсилати команди в режимі реального часу. Що це означає на практиці? Двигуни зупиняються практично точно там, де потрібно, зазвичай з відхиленням приблизно на одну десяту градуса від цілі. Візьмемо, наприклад, металоштампувальні преси. Коли виробники підключають свої ПЛК безпосередньо до мереж сервоприводів замість застарілих імпульсних сигналів, відбувається просто неймовірна річ. Вирівнювання інструменту, яке раніше тривало вічність, тепер відбувається в чотири рази швидше. Це логічно, якщо врахувати, наскільки критичним стає час на таких швидкостях виробництва.

Дослідження випадку: Впровадження координації PLC-серво на основі PROFINET у лінії з упаковки

Підприємство з упаковки цукерок у Середньому Заході значно модернізувало систему керування рухом, замінивши застарілу технологію CANopen на PROFINET IRT. Що це дає на практиці? Час відгуку скоротився з 8 мілісекунд до всього 1,2 мс, при цьому всі 12 осей залишилися синхронізованими. Результати говорять самі за себе: кількість застрягань продукції зменшилася майже на дві третини (67%), а загальна швидкість виробництва зросла на 25%. Досить вражаючі показники. У тилу системи спеціальний процесор керування рухом у PLC керував не менше ніж 1200 точками введення/виведення, розподіленими по трьох окремих шафах сервоприводів. Така продуктивність демонструє, як далеко просунулась технологія модулів PLC у тому, що вони здатні обробляти сьогодні.

Показники продуктивності модулів PLC у керуванні високошвидкісними сервоприводами

Найкращі модулі ПЛК на сьогоднішньому ринку здатні обробляти цикли тривалістю менше 2 мілісекунд для систем із до 32 осей. Вони також забезпечують рівень джиттеру нижче 5 мікросекунд, навіть у разі аварійного зупинення, що підтверджено тестами Motion Control Lab у 2023 році. Ці передові системи використовують двопроцесорну архітектуру, де один процесор керує всією комунікацією, а інший виконує безпосередньо логічні операції. Таке розділення дозволяє оновлювати сервоприводи з частотою 1 кілогерц, не порушуючи при цьому показань аналогових входів. Поєднання з розподіленими модулями введення/виведення також сприяє стабільній роботі системи. На відстанях до 100 метрів через з'єднання EtherCAT втрати пакетів залишаються нижчими за 0,01%. Саме така надійність дозволяє цим системам ефективно працювати в складних промислових умовах, де простою не передбачено.

ЧаП

Яку роль відіграють модулі ПЛК у системах керування сервоприводами?

Модулі ПЛК мають важливе значення для перетворення коду на рух і забезпечення точності в системах сервокерування. Вони обробляють сигнали датчиків і надсилають інструкції сервоприводам, забезпечуючи плавне керування рухом та контроль параметрів, таких як крутний момент і швидкість.

Чому важлива узгодженість протоколів у системах ПЛК-сервопривод?

Узгодженість протоколів, наприклад EtherNet/IP або PROFINET, забезпечує швидкий і плавний обмін даними між ПЛК та серво підсилювачами, що є критично важливим для підтримки точної синхронізації рухів.

Як системи ПЛК можуть забезпечити масштабованість у майбутньому?

Проектування з додатковою ємністю входів/виходів і використання модульних конфігурацій із розширюваними шинними платами дозволяє забезпечити майбутню масштабованість і полегшити оновлення системи.

Чому може бути доцільно обрати інтеграцію ПЛК з відкритою архітектурою замість пропрієтарних систем?

Системи з відкритою архітектурою пропонують більшу гнучкість у роботі з різними платформами і все частіше обираються завдяки можливості інтеграції з різноманітними системами без повного переобладнання.