集成化為運動(dòng)控制提供新選擇

2004年4月B

　　今天，由消費需求驅動(dòng)的市場(chǎng)逼迫制造商在工藝方面要滿(mǎn)足一系列要求，這些要求囊括了制造工藝的方方面面，這就使得他們對機器的柔性和性能提出越來(lái)越高的要求。對設計工程師而言，這大概意味著(zhù)要設計出一臺能獨立對多種材料進(jìn)行各式加工的機器，而且這種機器還要能完成全方位的調整——這些要在極短的時(shí)間內一氣完成。

　　設備的設計必須要有足夠的靈活性，以便能跟上不斷變化的需求，同時(shí)要有足夠的精度，以滿(mǎn)足精密材料及加工工藝的要求。同時(shí)，現在的制造者還要求其機械有更高的速度和可靠性。而這類(lèi)挑戰的核心，就在于對運動(dòng)的控制。

　　過(guò)去，在設計機器時(shí)，設計工程師慣于選用復雜的專(zhuān)用邏輯和I/O控制器，而通過(guò)另一個(gè)控制器來(lái)實(shí)現運動(dòng)控制，很少考慮這些控制器適應復雜制造過(guò)程的能力。例如，包裝和整飾機械需要用到許多復雜的機構，這些機構必須受到嚴密的控制，而硬連線(xiàn)式的連接和串行接口使得通信速度快不起來(lái)，而且系統的同步和過(guò)程編程極為復雜、耗時(shí)甚長(cháng)。此外，分離運動(dòng)、順序和機械控制使得工藝的改進(jìn)無(wú)論在理解還是實(shí)施上都更加困難重重。

　　如今，設計工程師可以巧妙利用近來(lái)在運動(dòng)控制方面出現的新進(jìn)展，把運動(dòng)和順序控制功能集成為一體化、多任務(wù)的控制平臺，從而實(shí)現更高的系統性能、更快的應用開(kāi)發(fā)，保證維護更加簡(jiǎn)便，并降低成本。這種方法讓設計工程師和最終用戶(hù)能按照需要靈活的進(jìn)行擴展，它也可以成功的應用于多重控制領(lǐng)域，消除多重編程和冗余的必要，在更大程度上實(shí)現成本的節約。

集成化的新進(jìn)展

　　一些控制運動(dòng)元件制造商，包括Rockwell Automation公司，正在進(jìn)一步推動(dòng)集成運動(dòng)控制概念的發(fā)展，它們把順序控制和運動(dòng)控制器、SERCOS Interface、伺服驅動(dòng)與電機、以及執行器無(wú)縫地集成在一起，使得集成運動(dòng)——從控制器到執行器——成為運動(dòng)控制新標準。

　　與傳統的雙控制器系統相比，集成控制系統的購買(mǎi)與使用成本更低，而且安裝、編程和維護更加方便。比如說(shuō)，用戶(hù)不用購買(mǎi)多個(gè)控制器和軟件程序，而只需購買(mǎi)一臺集成化的順序和運動(dòng)控制器和一套軟件包即可。

　　部件更少，則意味著(zhù)面板機箱更小，在控制機柜成本和占地面積上都大為節省。此外，集成化的運動(dòng)系統是可擴展的，具備了極大的靈活性。例如，模塊化的存儲器、網(wǎng)絡(luò )和多處理器體系架構使用戶(hù)能根據不斷變化的應用要求來(lái)調整控制器的規格。

　　集成化的運動(dòng)控制也可以減少安裝時(shí)間。與模擬的終端模塊不同，集成化的運動(dòng)系統，如Rockwell Automation的Kinetix， 可以在驅動(dòng)和控制器之間使用光纖式SERCOS接口連接。這樣就減少了軸模塊卡的數量而且不需安裝外接線(xiàn)卡。對每個(gè)驅動(dòng)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)光纖連接器可以取代18路分立的連線(xiàn)，消除了每個(gè)軸向上的36個(gè)外接端。相應的，系統的成本更低，連線(xiàn)更為方便。通過(guò)運用一定的SERCOS接口運動(dòng)控制模塊，用戶(hù)能以與雙軸運動(dòng)控制相同的成本控制8個(gè)軸向，這樣在未付出更多成本的情況下獲得了另外6個(gè)軸向的控制能力。

　　集成化系統的故障檢查也更為方便，這是因為其診斷能力得到了改善。例如，可以提供詳細的驅動(dòng)和電機狀況報告，而且圖形化的趨勢分析也使得用戶(hù)能搜集并洞察到重要的運動(dòng)參數。具有遠程診斷功能后，驅動(dòng)可以將詳細的驅動(dòng)狀態(tài)送出，發(fā)給控制器，并實(shí)現反向傳送，這樣用戶(hù)就可以從一個(gè)中心位置遠程管理各應用。

　　很高的運動(dòng)性能是其本身具有的另一項優(yōu)勢。例如，控制器中的高分辨率反饋選項可以提高定位精度，減少運動(dòng)循環(huán)時(shí)間。絕對反饋選項則消除了耗時(shí)甚多的歸位循環(huán)。數字指令取代了范圍有限的模擬信號，而集成化的控制器設計同時(shí)消除了網(wǎng)絡(luò )延遲和同步化邏輯，大大增強了性能。

運動(dòng)設計的系統化方法

　　集成化運動(dòng)控制方法的實(shí)現，為設計工程師提供了一種可升級的系統，它把問(wèn)題的焦點(diǎn)從單個(gè)機器組件轉化為整個(gè)機器控制的挑戰，其影響范圍從基本的運動(dòng)控制一直到運動(dòng)控制市場(chǎng)最高端部分。這些設計和產(chǎn)品有助于設計工程師滿(mǎn)足以下幾方面需求：速度、成本經(jīng)濟性和靈活性。

　　速度  隨著(zhù)加工機械的設計者尋求提高速度的方法，他們在大多數情況下轉向高性能伺服驅動(dòng)的運動(dòng)控制，將其作為主要技術(shù)手段。

　　成本效率 制造商在提高成品率方面最著(zhù)重的地方常常是機器的效率，也就是說(shuō)，努力采用停機時(shí)間短而出現廢品概率少的機型。這意味著(zhù)從復雜的機械驅動(dòng)的工藝轉向基于電子伺服控制的機器，后者則可以實(shí)現新的、更有效且重復性更好的工藝。它還意味著(zhù)模塊化和可設置程度更高的制造機械，足以滿(mǎn)足各種國內外的標準，而且復制成本并不高。

　　靈活性 精度和產(chǎn)量固然是機器重要的性能參數，但也要注意有時(shí)會(huì )被忽略的一個(gè)參數——靈活性，也就是說(shuō)機器必須保證盡可能大的可調范圍和模塊化，讓用戶(hù)能夠從一項產(chǎn)品的生產(chǎn)快速切換到另一項產(chǎn)品的生產(chǎn)上，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。以一臺整飾機(Converting machine)為例，采用集成化的運動(dòng)控制后，它經(jīng)過(guò)調整就可以完成多種整飾任務(wù)，包括層剝、涂覆及印刷，而且適應的產(chǎn)品范圍很寬，其功能特色也各式各樣，同時(shí)機器還能?chē)栏褡裱に嚵鞒痰囊幎?，切換時(shí)間幾乎為零。這種靈活性的真正價(jià)值在于減少了推向市場(chǎng)所花費的時(shí)間。
　
集成化運動(dòng)控制的應用

　　要實(shí)施集成化的運動(dòng)控制，就需要擺脫那些專(zhuān)用的、黑箱式的控制，而去了解單體化、集成化控制架構的固有價(jià)值。設計者還需要放棄固定化的機械組件，而轉向專(zhuān)門(mén)為電子化運動(dòng)控制而設計的新機制。對這些應用還比較陌生的新手們，即使通過(guò)將這一技術(shù)應用到更低層次的工藝模塊上而不是整臺機器上的做法，也可以從中獲益。通過(guò)對分步工藝的管理，設計者可以提高產(chǎn)品性能和靈活性，同時(shí)開(kāi)發(fā)新方法來(lái)完成老任務(wù)。掌握這些新的、更小的子系統，難度更低，而且將其在車(chē)間里實(shí)施也會(huì )更快。然后用戶(hù)可以確定在這些新的集成化控制概念方面所需要的合理投資水平。

　　最后，設計者還應該考慮到集成化控制在信息搜集和網(wǎng)絡(luò )化方面的優(yōu)勢。隨著(zhù)制造者對其控制系統進(jìn)行新的工程化改造，集成控制已成為數據共享和利用數據來(lái)改善工藝效率的一項工具。過(guò)去，人們的努力都放在了對機器的診斷上，一般都是復雜的專(zhuān)用工具，用于處理機器的可靠性問(wèn)題。如今，這種做法基本被視為一種低效率的方法。機器從本質(zhì)上講應該是簡(jiǎn)單、而且有自診斷功能的。為了實(shí)現工藝的不斷改進(jìn)，應該在軟件上進(jìn)行投資，而且所用工具對集成控制系統來(lái)說(shuō)應該是渾然一體的?？刂葡渲g可以用網(wǎng)絡(luò )連接；然而，信息的獲得應該無(wú)需復雜的網(wǎng)絡(luò )編程。

結語(yǔ)

　　現在，設計者在滿(mǎn)足運動(dòng)控制方面的需求時(shí)可以比以往更為輕松。集成化的運動(dòng)控制正在幫助他們設計出各種靈活而精確、足以跟上市場(chǎng)需求變化的設備?！?BR>