Print

Snižování úrovně elektromagnetického šumu

-- 11.03.2019

Integrace motorů s podporou Ethernetu nabízí řešení pro automatizaci. 

Velké množství aplikací pro automatizaci v podnicích závisí na polohovacích systémech pro přesné ovládání pohybu. Mnoho polohovacích systémů obsahuje integrovaný krokový ovládač (krokový motor, pohon a přepínač v jednom balení), který je ovládán analogovými signály. Přestože jsou analogové řídicí polohovací systémy velmi populární díky své jednoduchosti a flexibilnímu provozu, nejsou vždy přesné kvůli elektromagnetické interferenci,  což je často označováno jako elektromagnetický šum.

V některých podnicích může být zohledněna variace polohy na základě provedení provozních úprav. Avšak výrobci vyžadující přesnější polohování motoru potřebují robustnější řešení. Průmyslový Ethernet je považován za upgrade ve srovnání se staršími diagramy řízení, konkrétně se jedná o nahrazení analogových signálů za účelem lepšího ovládání pozice integrovaných kroků.

Integrované motory s podporou Ethernetu překonávají omezení analogových řídicích signálů tím, že poskytují účinnější a výkonnější řešení odolné proti chybám s mnohem rychlejší návratností investic.

Přesto ne každá automatizovaná operace v podniku vyžaduje přechod na průmyslový Ethernet. Před přechodem na nový systém řízení je důležité porozumět technologii, výhodám a kompromisům mezi analogovým a digitálním řízením polohy. 

Pochopte správně technologii

Analogové polohovací systémy řídí polohu integrovaného hřídele motoru pomocí analogového signálu, často v rozsahu 0–5, 0–10 nebo ±10 voltů. Integrovaný motor přemění analogový signál na cílovou polohu prostřednictvím svého palubního ovládače (obr. 1). Výsledná poloha výstupního hřídele integrovaného motoru lineárně koreluje s analogovým signálem.

Programy řízení analogového polohování nepotřebují žádnou speciální konfiguraci a mohou využívat základní analogový výstup, který se nachází na libovolném programovatelném logickém automatu (PLC). Rozsáhle podporované analogové výstupy jsou k dispozici na většině PLC, a to buď na hlavním procesoru, nebo přidáním výstupní karty. K implementaci řízení polohy není vyžadován vyhrazený regulátor pohybu. Kromě toho jsou analogové polohovací programy snadno programovatelné. Vzorový kód dodaný výrobcem integrovaného motoru převede analogový signál na cílové místo, jež je doplněno o parametry pro změnu velikosti a přesazení analogového signálu.

Další výhodou analogového ovládání je, že programy pro určování polohy obvykle reagují velmi rychle. Protože PLC upřednostňují vstupní/výstupní úlohy, změny v analogovém výstupu jsou obvykle zpracovávány v každém cyklu programu. Navíc většina integrovaných motorů pracuje s rychlými mikroprocesory, takže palubní kód, který přeměňuje analogový signál na cílovou polohu, může aktualizovat polohu motoru každou 1 ms. Tyto atributy zajišťují, že program analogového řízení reaguje rychle. 

Hlavním problémem je vznikající elektromagnetický šum

V některých situacích převažují provozní nevýhody nad výhodami používání analogového polohovacího systému. Analogové signály jsou totiž velmi citlivé na šum, zvláště u dlouhého, nestíněného nebo i stíněného kabelového vedení, které však není řádně uzemněno. Dokonce i v případech řádně uzemněných, vysoce kvalitních stíněných kabelů je kvůli zdrojům elektromagnetického rušení v podnikových prostředích analogová komunikace obtížná a nespolehlivá.

V ideálním světě by jedna analogová hodnota napětí v PLC měla odpovídat přesně jedné poloze motoru a zůstávat přesnou a opakovatelnou v průběhu času. V praxi se však analogové hodnoty nastavené programovatelným automatem během přenosu mění, a to z důvodu elektromagnetického rušení. Výsledkem je, že hodnota signálu zaslaná PLC není tatáž, jaká byla přijata integrovaným motorem, což způsobuje rozdíl v požadovaných a skutečných polohách hřídelů.

Jelikož rozsah požadovaných poloh motoru je větší, zatímco rozsah hodnot analogových signálů z PLC zůstává nezměněn, velikost rozdílu požadované a skutečné polohy hřídele se zvětšuje. Tento rozdíl je částečně způsoben omezeným rozlišením analogového vstupu integrovaného motoru. Se zvyšujícím se rozsahem pohybu integrovaného motoru se celková přesnost a doba odezvy analogového polohovacího systému zhoršuje (obr. 2).

Uživatelé mohou modifikovat kód v integrovaném motoru, aby tak vytvořili hysterezi, jež stabilizuje polohu motoru a snižuje chvění v poloze, která je důsledkem malých změn analogového signálu. Programování však často produkuje jen omezené výsledky. Ve většině situací není programování schopno zmírnit negativní účinky elektromagnetického šumu na analogový signál. Nedostatečná přesnost způsobená účinky šumu může v některých aplikacích napáchat škodu. Následující příklad ilustruje negativní účinky u aplikací využívajících dopravníkové pásy. 

Když analog nefunguje

Výrobce inteligentních dopravníkových pásů zaznamenal potíže s přesností polohy integrovaných motorů a pohonů při třídění menších balíků do více drah. Centrální řídicí jednotka PLC řídila pohyb všech os na dopravnících zasíláním analogových signálů do integrovaného motoru a lineárního pohonu.

Vzhledem k jedinečné povaze těchto inteligentních dopravníkových pásů, které se pohybovaly v šířce od 12 do 8 stop, vedla nepřesnost analogového řídicího schématu k odchylkám pozic až o dva palce (cca 5 cm). U mnoha dopravníkových aplikací nepředstavuje chyba dvou palců problém, protože pomocí různých mechanických systémů, např. mantinelů, jsou větší balíky postupně srovnávány na pásu. Nicméně u dopravníků, které seskupují menší balíčky, dvoupalcový rozptyl způsobuje, že balení v některých případech částečně vstupují do sousedních drah (obr. 3).

Za daného scénáře se korekce polohy na této lince ukázala jako neproveditelná. Bylo jasné, že bez složitých mechanických úprav pro patřičné srovnání menších balíků je analogový polohovací systém pro tuto aplikaci nepoužitelný.

Digitální výstupní systém nabízí robustnější řešení při odstraňování nepřesností analogového řízení. S ovládači Rockwell, které jsou již zabudovány v systému, zasílá digitální systém řízení polohy příkazy prostřednictvím stávající sítě EtherNet/IP. (Poznámka: Použití diskrétních digitálních výstupů z PLC bylo dalším možným řešením, ale ukázalo se, že náklady by byly příliš vysoké vzhledem k počtu diskrétních výstupů potřebných pro nahrazení funkčnosti analogového signálu.)

Přizpůsobit se vysokorychlostním funkcím analogového řídicího programu, který aktualizoval polohu každé 2 ms, se zpočátku ukázalo jako náročný úkol, neboť výchozí rychlost aktualizace pro síť EtherNet/IP činila 10 ms. Vzhledem k tomu, že produktivita linky závisí na rychlé manipulaci s produktem, byla rychlost velmi důležitým faktorem. Optimalizací kódu v integrovaném krokovacím motoru se rychlost aktualizace sítě EtherNet/IP snížila na 4 ms. Přestože nebylo dosaženo původního času aktualizace analogového systému v délce trvání 2 ms, zlepšení v přesnosti polohování odůvodnilo kompromis výkonu.

Z důvodu udržení nízkých nákladů začlenil digitální systém řízení polohy integrované krokové mechanismy s vestavěnou ethernetovou komunikací. Zatímco řada samostatných (neintegrovaných) řešení motorů a pohonů může splňovat požadavky na přesnost a rychlost v téže síti EtherNet/IP, integrované řešení motorů nabízelo nejlepší využití pro prostor a kabeláž. U některých dopravníkových systémů, jež dosahují délky 200 stop a vyžadují až 100 motorů, se v rámci projektování řídicího systému kladl velký důraz na úsporu nákladů a místa. Neintegrované servosystémy byly ve srovnání s integrovanými motory příliš objemné a vyžadovaly instalaci nákladné kabeláže mezi pohony a motory. Integrované řešení motorů se ukázalo jako nejlepší volba z hlediska nákladů, výkonu a úspor prostoru.

Schéma řízení s podporou sítě Ethernet

Výměna kabelu analogového signálu za ethernetový kabel minimálně změnila architekturu systému. V nové konfiguraci se PLC připojí k jednotlivým integrovaným motorům pomocí jednotlivého ethernetového kabelu (obr. 4). Kabelová trasa Ethernetu vede z PLC přes ethernetový přepínač k integrovanému motoru.

Během provozu je příkaz z PLC stejným příkazem absolutní polohy, který používá integrovaný motor ke generování pohybu. V integrovaném krokovacím motoru neběží žádný kód, aby převedl analogový signál na polohu. Kromě toho komplikované parametry filtrování, škálování a ustáleného pásma zabudované do kódu, které by měly zvládnout šum analogového signálu, jsou již bezpředmětné. Odstraněním kódování představuje integrovaná konfigurace motoru jednoduchý úkol.

Vedle jednodušší komunikace příkazového signálu nevyžaduje integrovaný krokový mechanismus aktivovaný prostřednictvím Ethernetu vyhrazený analogový výstup v PLC, což eliminuje náklady na hardware na straně PLC. Technici už nebudou muset trávit čas řešením problémů se šumem a uzemněním systému, jež souvisí s analogovými vstupy. Díky použití ethernetové kabeláže kategorie 5 nebo vyšší je automaticky dosažena dostatečná odolnost proti rušení.

Mapování příkazové polohy z PLC do polohy použité integrovaným motorem je v podstatě realizováno jedna ku jedné. Zjednodušené mapování programových proměnných usnadňuje provádění aktualizací v terénu a snižuje náklady na údržbu.

Přínosy v oblasti nákladů a výkonu odvozené ze standardního komunikačního protokolu průmyslového Ethernetu jsou významné. Eliminace desítek, ba dokonce stovek analogových výstupů na PLC podstatnou měrou snižuje náklady na hardware a instalaci. Operátoři přestanou trávit drahocenný čas odstraňováním problémů souvisejících s elektromagnetickým rušením, když dojde ke změně prostředí, programů a manipulačních schémat. Snížení času a nákladů na přepracování, instalaci a údržbu systému vedlo k měřitelným finančním ziskům.

Dvouportové motory

Vzhledem k tomu, že stále více integrovaných motorů je navrženo tak, aby podporovaly standardní protokoly průmyslového Ethernetu, nové modely čím dál častěji nabízejí připojení do dvou portů, čímž se snižuje objem hardwaru a síťové kabeláže. Dva porty v každém zařízení podporují zřetězené zapojení (v angl. originále daisy-chain zapojení), což výrazně ovlivňuje míru pořizovacích nákladů u strojů s více osami.

Například šest integrovaných motorů bez duálního portu vyžaduje individuální zapojení do PLC přes ethernetový přepínač. Na motory umístěné ve vzdálenosti 20 až 30 stop může být zapotřebí více než 100 stop kabelu. Se dvěma porty na každém integrovaném motoru (dvouportovém) mohou být motory připojeny spíše prostřednictvím zřetězeného zapojení, než aby byly jednotlivě zapojeny do spínače. Tato konfigurace snižuje velikost ethernetového přepínače a zkracuje celkovou délku ethernetového kabelu. Kratší kabel vedoucí mezi integrovanými motory (obr. 5) šetří čas, peníze a skladové zásoby. Operátoři mohou pro vytvoření zálohy v síti připojit poslední motor v síti k přepínači, pokud by během provozu selhala kabeláž nebo spojení.

Výrobci mohou získat mnoho výhod tím, že převedou starší analogové řídicí systémy na digitální průmyslové řídicí programy s podporou Ethernetu. Díky těmto konverzím bývá dosahováno spolehlivějšího řízení pohybu se zvýšeným výkonem, včetně snížení nákladů a starostí s odstraňováním závad a prováděním nutné údržby. 

Eric Rice je národní marketingový ředitel ve společnosti Applied Motion Products.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

AMPER 2019
2019-03-19 - 2019-03-22
Místo: Výstaviště Brno
HANNOVER MESSE 2019
2019-04-01 - 2019-04-05
Místo: Hannover, Německo
Údržba pro TOP manažery 2019
2019-04-10 - 2019-04-11
Místo: Konferenční centrum Akademie věd ČR – zámek Liblice
Stlačený vzduch
2019-04-16 - 2019-04-16
Místo: Hotel Avanti ****, Brno
Dny teplárenství a energetiky
2019-04-24 - 2019-04-25
Místo: Kongresové, výstavní a společenské centrum ALDIS, Hradec Králové

Katalog

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Štětkova 1638/18
14000 Praha 4
tel. +420739552216

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách/u moře
Na chalupě/chatě v tuzemsku
Co je to dovolená?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI