Nopeuta älykkään liikeohjauksen suunnittelua älyvalmistusta varten

Siirtyminen älykkääseen valmistukseen hyödyntää edistyneitä teknologioita tuloksen, tuottavuuden, ketteryyden, tehokkuuden ja turvallisuuden parantamiseksi ja samalla kustannusten laskemiseksi. Älykkäällä liikeohjauksella on keskeinen rooli tässä muutoksessa. Se vaatii usein vanhojen tehtaiden päivittämistä korvaamalla kiinteänopeuksiset moottorit ja ohjaukset paremmilla liikeohjauslaitteilla. Nämä laitteet perustuvat edistyneeseen mittaukseen, joka mahdollistaa tarkan liike- ja teho-ohjauksen. Optimaalisen työnkulun ja ketterän tuotannon saavuttamiseksi suunnittelijoiden on myös toteutettava reaaliaikainen verkkoyhteys tuotantokoneiden ja tuotannonohjausjärjestelmien välillä.

Tarjolla on monia kehittyneitä tekniikoita ja järjestelmätason ratkaisuja, jotka mahdollistavat siirtymisen älykkääseen moottorinohjaukseen, mutta suunnittelijat joutuvat usein kokoamaan järjestelmän yksin. Tämä tilanne on muuttumassa, sillä nyt on saatavilla kattavia ratkaisukokonaisuuksia, jotka nopeuttavat liikeohjauksen suunnittelua. Niihin kuuluu komponentteja erotettuun virtamittaukseen ja asennon takaisinkytkentään moottorin nopeuden ja vääntömomentin moniakselista ohjausta varten sekä antureita koneen kunnonvalvontaan suunnittelemattomien seisokkien vähentämiseksi. Saatavilla on myös huippunopeita verkkorajapintoja, jotka helpottavat tietojen jakamista koneiden ja ylemmän tason ohjaus- ja hallintaverkkojen välillä.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti parannetun moottorinohjauksen tärkeyttä. Artikkelissa esitellään sen jälkeen Analog Devices -yrityksen ratkaisuja älykkääseen liikeohjaukseen, sisältäen teho-, anturi- ja verkkokomponentit, ja käsitellään niiden käyttöä.

Miksi älykkäämpää moottorinohjausta tarvitaan

Sähkömoottorit ovat teollisen liikeohjauksen perusta, ja niiden osuus teollisuudessa käytetystä energiasta on jopa 70 prosenttia. Tämä teollisuuden virrankulutuksen osuus vastaa noin 50 prosenttia maailmanlaajuisesta sähköenergian kulutuksesta. Tämän vuoksi liikeohjauksen tehokkuuden parantamiseen on panostettu niin paljon, ja älykäs moottorinohjaus tuo siihen monia etuja.

Varhainen liikeohjaus perustui yksinkertaisiin sähköverkkoon kytkettyihin moottoreihin, joista on kehitetty nykyisiä sofistikoituneita moniakselisia servomoottoreilla varustettuja robottiaktuaattoreita. Tämä evolutiivinen kehitys on seurannut yhä lisääntyvää kompleksisuutta, joka oli välttämätöntä älykkään valmistuksen vaatiman korkeamman tehokkuuden, suorituskyvyn, luotettavuuden ja omavaraisuuden saavuttamiseksi (kuva 1).

Kuva 1: Liikeohjaus on kehittynyt kiinteänopeuksisista, verkkoon kytketyistä moottoreista älykkäiksi liikeohjausjärjestelmiksi, joihin kuuluu moniakselisia servomoottorilla varustettuja robottiaktuaattoreita. (Kuvan lähde: Analog Devices Inc.)

Moottorinohjauksen eri tyyppeihin kuuluvat:

• Kiinteä nopeus: Vanhimmat ja yksinkertaisimmat liikeohjaukset perustuvat verkkoon kytkettyihin 3-vaiheisiin AC-moottoreihin, jotka toimivat kiinteällä nopeudella. Kytkinlaitteisto huolehtii päälle/pois-ohjauksesta ja suojauspiireistä. Tarvittava tehonalennus saavutetaan mekaanisesti.
• Invertteriohjattu moottori: Tasasuuntaajan, DC-väylän ja 3-vaiheisen invertteriasteen integrointi mahdollistaa muuttuvan taajuus- ja jännitelähteen sekä moottoriohjauksen nopeussäädöllä. Tämä invertteriohjattu moottori mahdollistaa energiankulutuksen merkittävän vähentämisen, sillä moottoria voidaan käyttää kuormituksen ja sovelluksen kannalta optimaalisella nopeudella.
• Taajuusmuuttaja (VSD): Käytetään sovelluksissa, joissa tarvitaan enemmän tarkkuutta moottorin nopeuden, asennon ja vääntömomentin ohjaukseen. VSD-ohjaus toteutetaan integroimalla virta- ja paikannusanturit jännitesäädeltyyn perusinvertteriohjaukseen.
• Servokäyttöjärjestelmä: Useita VSD-taajuusmuuttajia voidaan synkronoida moniakselisiin servokäyttöjärjestelmiin vieläkin monimutkaisempien liikkeiden toteuttamiseksi sellaisissa sovelluksissa kuten CNC-työstökoneet, joissa tarvitaan erittäin tarkkaa asennon takaisinkytkentää. CNC-koneistuksessa koordinoidaan yleensä viittä akselia, mutta siinä voidaan käyttää jopa kahtatoista koordinoitua liikeakselia.

Teollisuus-, yhteistyö- ja mobiilirobotit

Teollisuusrobotit yhdistävät moniakselisen liikeohjauksen mekaaniseen integraatioon ja edistyneisiin ohjausohjelmistoihin, mikä mahdollistaa kolmiulotteisen paikannuksen tyypillisesti kuudella akselilla.

Yhteistyörobotit eli cobotit on tarkoitettu käytettäviksi turvallisesti ihmisten rinnalla. Ne rakennetaan teollisuusrobottialustoille integroimalla niihin turvallisuusanturit sekä virran- ja voimanrajoitusominaisuudet, jotta saadaan luotua toiminnallisesti turvallinen robottikollega.

Myös mobiilirobotit käyttävät toiminnallisesti turvallista koneohjausta, mutta näiden robottien ominaisuuksiin kuuluvat myös paikannusmittaus, reitinohjaus ja törmäyksien ehkäisy.

Kompleksisuus on lisääntynyt liikeohjausjärjestelmien jokaisessa kehitysvaiheessa, ja usein merkittävästi. Älykkäät liikeohjausjärjestelmät edistävät neljää keskeistä tekijää:

• energiankulutuksen vähentäminen
• ketterä tuotanto
• digitaalinen transformaatio
• seisokkien vähentäminen käyttöomaisuuden maksimaaliseksi hyödyntämiseksi.

Korkean hyötysuhteen moottoreiden ja pienempihäviöisten VSD-taajuusmuuttajien käyttöönotto sekä älyn integrointi liikeohjaussovelluksiin ovat avaintekijöitä, joiden avulla voidaan saavuttaa merkittävä energiatehokkuus älykkäässä valmistuksessa.

Ketterä tuotanto edellyttää tuotantolinjoja, jotka on mahdollista konfiguroida nopeasti uudelleen. Tätä joustavuutta tarvitaan, jotta voidaan vastata kuluttajien vaihtelevaan kysyntään monipuolisesta tuotevalikoimasta pienempinä tuotantomäärinä, mikä vaatii mukautuvampaa tuotantorakennetta. Teollisuusrobotit ovat keskeisessä roolissa monimutkaisten ja toistuvien toimintojen suorittamisessa lisäten siten tuotantotehoa ja tuottavuutta.

Digitaaliseen transformaatioon liittyy kyky verkottaa liikeohjaus ja koko tuotantolaitoksesta kerättävä kattava anturidata ja jakaa tätä dataa reaaliajassa. Tällainen verkottaminen mahdollistaa pilvilaskennan ja tekoälyalgoritmien käytön tuotantoprosessien optimointiin ja parempaan käyttöomaisuuden hyödyntämiseen.

Käyttöomaisuuden hyödyntäminen toimii erilaisten uusien liiketoimintamallien perustana ja keskittyy tehdasomaisuuden tuottavuuteen, eikä vain alkuasennuskustannuksiin. Järjestelmätoimittajat ovat yhä kiinnostuneempia laskuttamaan palveluista, jotka perustuvat tällaisen käyttöomaisuuden käyttöaikaan tai tuottavuuteen. Tässä lähestymistavassa hyödynnetään ennakoivan huollon palveluja, jotka perustuvat kunkin yksittäisen koneen reaaliaikaiseen valvontaan tuottavuuden tehostamiseksi ja suunnittelemattomien seisokkien minimoimiseksi.

Älykkään liikeohjauksen komponenttivaatimukset

Suunnittelijoiden täytyy olla tietoisia siitä, että älykkäät liikesovellukset vaativat järjestelmätason ratkaisuja useille suunnittelualueille tyypillisessä moottorikäytön signaaliketjussa (kuva 2).

Kuva 2: Kuvassa on komponenttiratkaisuja, jotka mahdollistavat paremman suorituskyvyn kuudella keskeisellä osa-alueella älykkäässä liikesovelluksessa. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Suunnittelijoiden täytyy priorisoida seuraavia keskeisiä osa-alueita: tehoelektroniikka, liikeohjaus, virtamittaus, paikannus, verkkoliitännät ja koneen kunnonvalvonta. Analog Devices tarjoaa kullekin osa-alueelle monia komponentteja, joita suunnittelijat voivat harkita päivittäessään vanhoja ratkaisuja tai aloittaessaan työn alusta.

Tehoelektroniikka

Tehoelektroniikka mahdollistaa tehomuunnoksen tasavirrasta pulssileveysmoduloiduiksi (PWM) syöttötehoksi moottorikäyttöjärjestelmässä.

Moottorikäyttöjärjestelmän tehomuunnos alkaa korkeajännitteisestä DC-virtalähteestä, joka saadaan tyypillisesti AC-virtaverkosta. Kuten kuvassa 2 on esitetty, tehoelektroniikkaosio konfiguroidaan käyttämällä kolmivaiheista puolisiltatopologiaa ja MOSFET-tehotransistoreita. Ylempien MOSFET-transistorien hilat kelluvat suhteessa maatasoon ja vaativat erotetun ohjaimen. Sopiva vaihtoehto on Analog Devices ADUM4122CRIZ. Se on erotettu hilaohjain, joka tarjoaa jopa 5 kilovoltin (kV) rms (root mean square) -erotuksen. Korkea erotustaso saavutetaan yhdistämällä huippunopea komplementaarinen metallioksidipuolijohde (CMOS) ja monoliittinen muuntajatekniikka. Tähän hilaohjaimeen kuuluu säädettävä muuttumisnopeuden ohjaus, joka minimoi kytkentätehohäviöt ja sähkömagneettiset häiriöt (EMI). Tämä on erityisen tärkeää, jos käytetään galliumnitridi- (GaN) tai piikarbidikomponentteja (SiC), koska niiden kytkentänopeudet ovat korkeampia.

Alempien MOSFET-transistorien lähde-elementit on referensoitu maatasoon, ja niissä voidaan käyttää Analog Devices -yrityksen 100 voltin puolisiltaohjainta LTC7060IMSE#WTRPBF kelluvalla maadoituksella.

Sekä ala- että yläpuolen ohjainten lähtöasteet kelluvat eikä niitä ole kytketty maahan. Tämä ainutlaatuinen kaksoiskelluva arkkitehtuuri tekee hilaohjaimen lähdöistä robusteja ja vähemmän herkkiä maadoitushäiriöille. Lisäksi laitteet käyttävät adaptiivista läpilyöntisuojausta säädettävällä viivästysajalla, joka estää molempia puolisiltakytkentälaitteita kytkeytymästä päälle samanaikaisesti.

Liikeohjain

Liikeohjain on liikeohjausjärjestelmän aivot. Se toimii keskusprosessorina ja generoi PWM-signaalit, jotka ohjaavat tehoelektroniikkaa. Nämä signaalit perustuvat keskusohjauskeskukselta saataviin komentoihin ja moottorilta saatavaan palautteeseen, kuten virta, asento ja lämpötila. Ohjain määrää moottorin nopeuden, suunnan ja vääntömomentin näiden tietojen perusteella. Ohjain on usein sijoitettu etäälle ja toteutettu ohjelmoitavan porttimatriisin (FPGA) tai dedikoidun prosessorin kautta. Ohjain vaatii erotettuja tietoliikennelinkkejä.

Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää sarjadatalinkkiä, kuten Analog Devices ADM3067ETRZ-EP. Tämä on sähköstaattisilta purkauksilta (ESD) suojattu kaksisuuntainen RS485-lähetin-vastaanotin, jonka nopeus on 50 megabittiä sekunnissa (Mbit/s). Se on konfiguroitu mahdollistamaan korkean kaistanleveyden sarjaliikenne asennon takaisinkytkentäantureilta takaisin liikeohjaimeen. Tämä sarjalinja on suojattu sähköstaattisilta purkauksilta ±12 kV:n jännitteeseen asti, ja sitä voidaan käyttää lämpötila-alueella −55 ... +125 °C.

Virtamittaus

Moottorivirran takaisinkytkentä on tärkein takaisinkytkentäparametri ohjaukselle. Koska virran takaisinkytkentä määrittelee liikeohjausjärjestelmän yleisen ohjauskaistanleveyden ja dynaamisen vasteen, takaisinkytkentämekanismin täytyy olla erittäin tarkka ja kaistanleveydeltään korkea, jotta liikeohjaus olisi tarkkaa.

On olemassa kaksi yleisesti käytettyä virtamittaustekniikkaa:

• Vastuspohjaiset mittaukset edellyttävät arvoltaan alhaisen virtamittausvastuksen (shuntin) kytkemistä sarjaan mitattavan johtimen kanssa. Tämän jälkeen mitataan virtamittausvastuksen ylitse vaikuttava differentiaalinen jännitehäviö, yleensä korkean resoluution analogia-digitaalimuuntimen (ADC) avulla. Virtamittausvastuksen jännite- ja tehohäviöt rajoittavat vastuspohjaisia virtamittauksia, ja niiden käyttö rajoittuukin sovelluksiin, joissa sähkövirta on alhainen tai keskisuuri.
• Magneettisessa virtamittauksessa virta mitataan evaluoimalla magneettikenttä johtimen läheisyydessä. Tähän käytetään kontaktittomia anisotrooppisen magnetoresistanssin (AMR) mittauksia. AMR-laitteen vastus, joka vaihtelee magneettikentän ja siten virran mukaan, mitataan vastussillalla.

Magneettinen virtamittaus eliminoi jännitehäviön ja sitä seuraavan tehohäviön mittausvastuksissa, joten se soveltuu paremmin korkeiden virtojen mittauksiin. Mittaus on myös sähköisesti erotettu mitattavasta johtimesta.

Erotettuihin virtamittauksiin voidaan käyttää tuotetta Analog Devices ADUM7701-8BRIZ-RL. Kyseessä on huipputehokas 16-bittinen toisen asteen sigma-delta-AD-muunnin, joka muuntaa virranmittausjännitehäviöstä mittausvastuksen ylitse saatavan analogisen tulosignaalin huippunopeaksi, yksibittiseksi digitaalisesti erotetuksi datavirraksi.

Vaihtoehtoinen virtamittauslaite on virtamittausvahvistin AD8410AWBRZ korkealla kaistanleveydellä. Tämä on differentiaalivahvistin, jonka vahvistus on 20, kaistanleveys 2,2 megahertsiä (MHz) ja jolla on alhainen offset-ryömintä (noin 1 mikrovolttia celsiusastetta kohti (μV/°C)). Se soveltuu 123 desibelin (dB) yhteismuotoisen hylkäyssuhteen (CMRR) ansiosta kaksisuuntaiseen virtamittaukseen jopa 100 voltin yhteismuotoisilla tuloilla DC-alueella.

Paikannus

Magneettisiin AMR-asentoantureihin perustuva pyörimisasennon mittaus tarjoaa optisia enkoodereita kustannustehokkaamman vaihtoehdon. Näiden antureiden lisäetuna on niiden kestävyys teollisuusympäristöissä, joissa ne altistuvat usein pölylle ja tärinälle. Moottorin akselikulman takaisinkytkentää voidaan käyttää servojärjestelmien suorassa asennonsäädössä tai pyörimisnopeuden määrittämisessä.

Analog Devices ADA4571BRZ-RL on AMR-anturi, joka sisältää signaalinparannus- ja ADC-ohjainpiirit samassa kotelossa (kuva 3).

Kuva 3: Kuvassa on toimilohkokaavio ADA4571BRZ-RL-kulma-anturista, sekä sini- ja kosinilähtöjen kuvaaja kiertokulman funktiona. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

ADA4571BRZ-RL on magnetoresistiivinen kulma-anturi, joka käyttää kahta lämpötilakompensoitua AMR-anturia akselikulman tunnistukseen 180°-alueella (±90°) virhetarkkuudella <0,1°(<0,5° koko käyttöiän aikana /koko lämpötila-alueella). Tämä laite tarjoaa sekä sini- että kosinimuotoisen epäsymmetrisen analogisen lähdön, jotka ilmaisevat ympäröivän magneettikentän kulma-asennon. Laitetta voidaan käyttää magneettisesti vaativissa ympäristöissä, eivätkä suuret ilmavälit aiheuta kulmalukuvirheiden kasvua.

Kulma-anturin lähdöt voidaan yhdistää tuotteeseen Analog Devices AD7380BCPZ-RL7, joka on kaksikanavainen 16-bittinen SAR (Successive Approximation Register) -analogia-digitaalimuunnin. Tämä AD-muunnin ottaa samanaikaisesti näytteitä molemmista differentiaalisista tulokanavista jopa 4 meganäytteen sekuntinopeudella (MSPS). Sisäinen ylinäytteistystoiminto parantaa suorituskykyä. Ylinäytteistys on yleinen tekniikka, jolla parannetaan AD-muunninten tarkkuutta. Tämä toiminto vähentää kohinaa mittaamalla ja keskiarvoistamalla useita analogisen tulon näytteitä. Siinä käytetään joko normaalin keskiarvon tai liukuvan keskiarvon ylinäytteistystilaa. Ylinäytteistys voi myös auttaa saavuttamaan suuremman tarkkuuden hitaammissa käyttöolosuhteissa.

Verkkoliitäntä

Älykäs valmistus perustuu älykkäiden liikesovellusten verkkoon, jotka jakavat dataa tehdasympäristössä olevien koneiden sekä keskusohjaus- ja hallintaverkon välillä. Tämä jakaminen edellyttää robustia verkkoyhteyttä. Suunnittelijat voivat käyttää tähän Analog Devices -yrityksen vähävirtaisia, latenssiltaan alhaisia fyysisiä Ethernet-kerroksia (PHY), kuten Ethernet PHY -lähetin-vastaanotinta ADIN1300CCPZ. ADIN1300CCPZ käyttää 10, 100 tai 1000 megabitin sekuntinopeutta (Mbit/s). Se on suunniteltu toimimaan vaativissa teollisuusympäristöissä, myös ympäristön lämpötilan ollessa jopa 105 °C.

Ethernet-verkkoyhteyksien reitittämiseen käytetään kytkimiä. Analog Devices tarjoaa sulautetun teollisuus-Ethernet Layer 2 -kaksoisporttikytkimen FIDO5200BBCZ. Kytkin täyttää IEEE 802.3 -standardin vaatimukset nopeuksilla 10 ja 100 Mbit/s, ja se tukee sekä vuoro- että kaksisuuntaista tilaa PROFINET-, Ethernet/IP-, EtherCAT-, Modbus TCP- ja Ethernet POWERLINK -teollisuus-Ethernet-protokollia varten.

Koneen kunto

Koneiden kunnonvalvonnassa käytetään antureita fyysisten parametrien, kuten tärinän, iskujen ja lämpötilan mittaukseen. Näin saadaan reaaliaikaista tietoa koneen kunnosta. Kun tätä dataa kerätään tavanomaisten liikeohjaustoimintojen aikana ja sitä analysoidaan ajan mittaan, koneen mekaaninen kunto voidaan arvioida tarkasti. Tämä dataperusteinen lähestymistapa mahdollistaa ennakoivat huoltosuunnitelmat, joilla pidennetään koneen käyttöikää ja vähennetään myös merkittävästi suunnittelemattomia seisokkeja.

Koneen kunnon tarkastaminen edellyttää, että moottoriin asennetaan tärinä- ja iskuanturit. MEMS (MicroElectroMechanical Systems) -kiihtyvyysmittari ADXL1001BCPZ-RL ±100 g on esimerkki alhaisen kohinan anturista, jonka −3 dB:n kaistanleveys on 11 kilohertsiä (kHz). Se on korkean kaistanleveyden ja alhaisen virrankulutuksen vaihtoehto pietsosähköisille antureille. ADXL371 voi olla sopiva valinta sovelluksiin, joissa tarvitaan mittausta kolmella akselilla.

Yhteenveto

Älykäs liikeohjaus on ratkaisevan tärkeää älytehtaiden mahdollistamiseksi. Sen tehokas toteutus vaatii huolellisesti valittuja elektroniikkakomponentteja. Kuten edellä on esitetty, monet näistä komponenteista ovat jo valmiiksi saatavilla suunnittelun nopeaa käynnistämistä varten. Niihin kuuluvat tehoelektroniikka moottorin ohjaukseen, virta- ja asentoanturit tarkkojen takaisinkytkentätietojen tuottamiseksi tarkkaa ja täsmällistä liikeohjausta varten, teollinen verkkoyhteys tarjoamaan järjestelmätason tietoa valmistusprosessien optimointiin sekä tärinä- ja iskuanturit mahdollistamaan koneen kunnonvalvonta suunnittelemattomien seisokkien vähentämiseksi ja käyttöomaisuuden elinkaaren pidentämiseksi.