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PLCopen運動控制標準——機器設計新理念:從機械轉向機電一體化

轉載來源:控制工程網


圖片來源:PLCopen

  標準化的運動控制功能塊與PLCopen 的狀態圖相結合,有助于將機械設計轉變為機電一體化設計,從而幫助機械制造商和最終用戶提升機器效率。
  由于用戶需求的變化,需要新的機器設計理念:機械部件正被機電系統所取代。為了簡化機械制造商和系統集成商對機電系統的應用,并讓用戶更好地理解這些系統,PLCopen 及其成員開發了一套結合狀態圖的標準化運動控制功能塊。
  PLCopen運動控制規范指定了一個獨立的功能塊庫。這提供了一個標準的命令集,同時向用戶隱藏了底層架構和復雜性(被稱為抽象)。這種結構可以在許多平臺和體系架構上使用。應用程序的開發可以獨立于控制體系架構或品牌,開發人員可以在開發周期的最后階段決定使用哪種體系結構。對機器制造商帶來的好處是,支持不同平臺的成本較低,并且可以自由地以獨立方式開發應用軟件,而不會破壞生產力。此外,系統維護更容易,教育周期也更短。
  從機械設計轉向機電一體化設計 
  一個重要的用戶群體是機械制造商,其中包裝行業最為活躍。該行業通常需要提供替代包裝技術,以對消費者行為的變化做出快速響應。這必須由生產線中更靈活的機器來完成。為了提供這種靈活性,我們必須放棄機械解決方案,轉向機電替代方案。當然,這包括起關鍵作用的適應性軟件。
  運動控制功能塊規范的接受程度很高,尤其是受到歐洲包裝行業供應商的青睞。他們的包裝機械出口到世界各地,這意味著不同地區會使用到不同品牌的控制器。即使這些控制器用在同一臺機器上并提供相同的功能,但為了全球出口,需要實施幾個不同品牌的控制器。

圖1:使用控制體系結構從機械設計轉向機電一體化設計,可以提高機器性能并降低機器的復雜性。

  從傳統的機器設計轉向機電一體化的設計,會減少部件數量,更易于清潔。機電操作系統也更簡單、透明、快速和便宜。這也是最終用戶想要的。
  在機電一體化解決方案中,控制系統及其軟件起著至關重要的作用。這和控制系統軟件相關,而不是機械的質量。這通常會導致一些傳統的機械制造商內部出現不同的問題(例如有著幾十年甚至上百年歷史的,具有機械設計背景的家族企業)。從一個具有傳統機械思維的組織,轉變為一個專注于軟件和控制的組織要面臨很多困難。
  在PLCopen 運動控制中,人們認識到這一點,并實現了邏輯和運動任務之間的緊密結合。在包裝機械的成功應用中,控制軟件扮演著越來越重要的角色。30年前,機器設計幾乎沒有軟件,F在軟件約占生產線總成本的50%。
  增加了對靈活設計的需求 
  不斷變化的消費者需求,轉化為對更靈活的制造和包裝的需求?Х犬a品就是一個簡單的例子。我們都熟悉真空密封的包裝,它們已經在商店的貨架上出售很久了。超市貨架上的種類繁多,有著不同的口味,使用不同的包裝技術?Х缺旧聿]有改變,工藝端已經定型,無法提供更高的效率。這意味著應將注意力放在市場展示以及消費者身上。
  另一個例子是當下流行的小包裝食品,在一個大包裝內包含多個較小的包裝,以保證產品新鮮度。要實現這一變化,必須改變生產環境中的基礎設施:添加包裝功能。同樣的生產線需要執行這些以及其它臨時變更,以滿足更多樣化的需求。

圖2:向最終用戶隱藏軟件架構的復雜性,被稱為抽象。機器制造商正在使用抽象來改進機電一體化機器的設計。

  新一代包裝機必須滿足用戶的兩個要求:免維護機器(至少是低維護量和可預測的維護)和易于清潔以最大程度地保持衛生。如果你將這兩個目標用于新包裝機的開發,結果會是什么?
  他們會要求機器制造商必須移除所有可能產生灰塵或需要潤滑油的機械部件:如滑輪、皮帶、齒輪箱和機械凸輪。實際上,這意味著從傳統機器的118 個功能單元,減少到23 個,減少幅度達81%。

圖3:在此案例中,轉向機電一體化機器設計,可將機器零件減少 81%,從而通過降低復雜性和減少維護來加強機器設計。

  統一了不同的機器結構 
  運動控制市場有各種各樣的運動系統。它們都有不同的技術、語言、總線、開發環境和其他差異等。盡管需要標準化,但卻無法實現。
  機器制造商希望通過可復用的應用程序,服務于更廣闊的市場。通常,機器制造商提供多個層級的產品:高端機器、中端機器和低端機器。機器制造商不想參與三種類型的應用程序的開發。對一個軸的移動,明明一個描述就可以,為什么還需要10 個?為什么我們必須知道在應用階段使用了哪些電機、控制器或編碼器?
  在不同層面上響應用戶,其中所有系統特性都在運動控制功能中實現,而且獨立于硬件。PLCopen 運動控制標準可以做到這一點。
  PLCopen 運動控制規范的第一部分,包括單軸和多軸運動功能、若干管理任務和狀態圖。后者用于控制和安全方面:并非所有命令都可以隨時向機器發出,命令必須經歷一定的例行程序才能發出。
  在測試新連接的軸時,解決方案的獨立性得以展示。無論使用哪種系統,用戶只需幾個步驟就可以使軸旋轉:打開電源,啟動主程序,最后給軸一個移動命令。通過三個簡單的步驟,軸就可以移動。
  人們并不想知道接口后面是什么網絡。這是供應商應該做的事情。該標準提供了一個可在小程序中調用的程序塊。編譯代碼,下載并運行。如果軸不轉動,則問題出在供應商,而不是用戶。
  PLCopen 定義了一套運動控制規范。第1 部分– 基礎,包括初始版本中在第2 部分定義的擴展。第3 部分-用戶指南,第4 部分- 協調運動和第5 部分引導程序。第3 部分- 用戶指南說明了用戶如何根據IEC 標準和PLCopen 運動控制功能塊,創建一組構建塊。這些塊可以跨項目和平臺復用。
  例如,在第2 部分中,定義了一個注冊函數,而不提供所使用的輸入。傳感器輸入可能來自未知位置(直接或網絡),和/ 或傳感器需要補償。此功能由標準塊組成,其中注冊功能與其它用戶自定義的塊一起使用,并且可以添加到公司自己的庫中。這個注冊功能可以在公司范圍內使用,并且源代碼可以在不同的平臺上使用。這樣在生產下一臺機器時可以節省時間和金錢。
  對供應鏈市場的影響 
  PLCopen 運動控制規范為供應鏈所面臨的挑戰提供了解決方案。供應鏈通常由獨立軟件供應商、控制硬件供應商、機器制造商及其最終用戶客戶組成。軟件供應商滿足于使用運動控制標準,這使軟件供應商更容易與其潛在用戶(控制供應商)交流。他們只需要實施一次運動控制規范,對底層架構做一些小的更改。
  擁有新系統的硬件供應商,也將此視為向前邁出的重要一步:他們不再需要開發自己的規范。由于擔心其差異化的可能性會受到限制,因此具有較長歷史的運動控制供應商,對接受運動控制規范可能有點猶豫。這種擔心是沒有必要的。通過提供的構建塊、工具軟件套件、伺服范圍、編碼器、調諧和其它設計元素,可以實現多樣化。運動供應商愿意將其現有平臺集成到一個環境中,同時合并其不同運動控制組的專有技術,以增強協同效應。運動控制標準提供了一種潛在的方法,來避免各種不同實現方式所造成的混亂。
  供應鏈的下一個環節是機器制造商。對于一些制造商來說,技術與過去有了明顯的突破。他們正在與開發機電一體化解決方案的知識中心合作。這種趨勢導致了兼并和收購,創造了更大的業務,需要通過提供新一代的機器來擴大和拓寬市場。
  在供應鏈的末端是購買和使用機器的最終用戶。他們需要高的靈活性、更少的停機時間和更低的成本,而這也是PLCopen 運動控制規范所支持的。(作者:Eelco van der Wal, PLCopen

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