Inteligentne systemy napędów pełnią ważną rolę w budowie maszyn, pozwalając na optymalizację ich konfiguracji i osiągów, oraz wspierają adaptację technologii i rozwiązań Przemysłu 4.0.
Wraz z rozwojem Przemysłu 4.0 rośnie presja na producentów maszyn dotycząca szybszego dostarczania zaawansowanych technicznie maszyn, obsługiwanych przez mniejszą liczbę ludzi. Wzrasta też znaczenie pozyskiwania w czasie rzeczywistym danych w celu efektywnego sterowania i podejmowania decyzji. Słowem kluczowym w przypadku Przemysłu 4.0 jest łączność, sprawna transmisja danych i sygnałów między wszystkimi elementami procesu, nawet w fabrykach, w których rewolucja przemysłowa o nazwie Przemysł 4.0 jeszcze się nie rozpoczęła. Ważne jest zatem, aby instalowane systemy i komponenty były co najmniej kompatybilne z wymaganiami Przemysłu 4.0 i miały możliwość łączenia się i wymiany danych w ramach wewnętrznych i zewnętrznych sieci.
O ile jest to stosunkowo łatwe do osiągnięcia w przypadku nowych komponentów, wymiana całego istniejącego sprzętu po to, by sprostać wymaganiu kompatybilności, jest nierealna. Taka sytuacja doprowadziła do powstania bogatej oferty urządzeń, które oferują przynajmniej podstawową możliwość łączności z systemami Przemysłu 4.0, bez wpływu na układy logiczne automatyki.
Zwiększona funkcjonalność jest podstawowym wymaganiem wobec współczesnych napędów. Dlatego też nowoczesne systemy napędów mają rozbudowaną inteligencję, by dokonywać precyzyjnych i złożonych przesunięć pozycji oraz sterować prędkością. Funkcji tych wymaga się od napędów w taki sam sposób, jak dostępu do poczty elektronicznej w telefonie komórkowym. Kolejnym oczekiwaniem wobec Przemysłu 4.0 jest to, by systemy napędów mogły pobierać dane na temat funkcjonowania danej, obsługiwanej maszyny i jej osiągów, a następnie konfigurować i przedstawiać te dane na zewnątrz.
Zaawansowane technologie napędów pozwalają producentom na implementację nowych funkcji w napędach dzięki wbudowanym w nie technologiom, eliminującym potrzebę stosowania zewnętrznych jednostek sterujących PLC. Na przykład najnowsze napędy typu serwo mają programowalny kontroler zgodny z normą IEC 61131-3 z systemem operacyjnym. Pokazuje to, jaka zmiana dokonała się w porównaniu z poprzednią generacją napędów o ograniczonej funkcjonalności.
Zrozumienie wpływu tych unowocześnień na działanie napędów wymaga czasu, ale współczesne napędy są w stanie rozwiązywać problemy ze sterowaniem w czasie rzeczywistym, co stanowi najważniejszą zaletę wdrożenia w nich technologii Przemysłu 4.0. Eliminacja jednostek PLC i przejście funkcji bezpośrednio do napędu wyklucza jakiekolwiek opóźnienie i w ten sposób optymalizowany jest cykl produkcji oraz poprawia się jego stabilność.
Synchronizacja
Jednakże, nawet gdy napęd jest wyposażony w odpowiednią funkcję lub narzędzie służące do rozwiązania określonego problemu, to jednak wciąż sporym wyzwaniem jest synchronizacja poszczególnych ruchów w maszynie. Gdy system komunikacji magistralowej nie jest deterministyczny, rozwiązaniem dla napędów jest komunikacja między sobą, bez potrzeby odnoszenia się do centralnego sterownika. To na potrzeby właśnie takich aplikacji powstają technologie takie jak SERCOS III – jeden z pierwszych deterministycznych systemów magistralowych (bus). Trzeba jednak podkreślić, że system deterministyczny nie jest bezwzględnie wymagany do celów adaptacji koncepcji i rozwiązań technologicznych Przemysłu 4.0. Napęd może gromadzić dane czasu rzeczywistego i wysyłać je w postaci niedeterministycznej do systemów sterujących.
Biorąc pod uwagę tak bogaty wybór narzędzi i funkcji dostępnych w napędzie, ważne jest, aby wybrać odpowiednie z nich. Celem jest, aby osoba programująca maszynę, nawet bez wcześniejszego doświadczenia z konkretnym typem problemu, mogła mieć dostęp do tych funkcji i potrafiła ich używać.
Rozwiązanie leży w wykorzystaniu wypróbowanego i przetestowanego systemu bloków funkcyjnych PLC, który może być wykorzystywany w sterownikach PLC typu IEC 61131-3, a nawet powiązany z popularnym programowaniem schematów drabinkowych.
Istnieją różne bloki funkcyjne, a ich wybór zależy od indywidualnej aplikacji. Zakres ich możliwości rozpoczyna się od wprowadzania korekt pozycji obiektów na przenośnikach, sterowania nawijarkami, aż po sterowanie ruchem w pętli zwrotnej, a nawet sterowanie złożonym ruchem w przypadku maszyn wykrawających i pakujących.
Tworzenie interfejsu maszyny
Tworzenie interfejsu między człowiekiem a maszyną – kolejny nieodłączny element koncepcji Przemysłu 4.0 – wymagało poprzednio zaangażowania centralnego sterownika PLC wraz z systemem magistralowym, do dostarczenia kluczowych informacji na temat ustawień maszyny i zmiennych danych do napędów. Diagnostyka i status maszyny jest w takiej aplikacji przekierowywany do sterownika PLC, zanim zostanie wyświetlony na interfejsie HMI.
Mimo że nowoczesne systemy magistralowe pozwalają to osiągnąć, może to jednak wymagać sporego wysiłku ze strony programisty, a jednocześnie może okazać się zbędne, gdyż wszystkie wymagane informacje są gromadzone w napędzie. Aby temu zaradzić, wiele współczesnych napędów ma wystarczającą liczbę narzędzi wbudowanych, służących do tworzenia interfejsu HMI. W niektórych przypadkach centralna jednostka PLC może nie być wymagana, ponieważ napęd może posiadać moduł wejść i wyjść, które normalnie podpięte byłyby do jednostki PLC.
Kluczowym czynnikiem, który musi być kontrolowany, jest czas potrzebny na konfigurację i odbiór maszyny. Inteligentne napędy oferują obecnie zestaw narzędzi redukujących znacznie czas niezbędny do pierwszego rozruchu maszyny, poprzez optymalizowanie ruchów i ich synchronizację w procesach.
Owe narzędzia do szybkiego uruchomienia zostały zaprojektowane, by umożliwić napędom prace na wczesnym etapie testowania maszyny, nawet zanim sterowanie maszyny zostanie zainstalowane w systemie. Pozwala to na szybkie i łatwe testowanie układów mechanicznych maszyny z wykorzystaniem jedynie podstawowych narzędzi IT, takich jak telefony komórkowe i tablety, niezbędne do gromadzenia informacji.
Pomoc w procesach utrzymania ruchu
Nowoczesne napędy mogą stać się aktywnymi uczestnikami działań w procedurach utrzymania proaktywnego, ponieważ mogą być wyposażone w szereg programów zdolnych do wykonywania samodiagnostyki i podstawowych czynności utrzymania predykcyjnego, z minimalną ilością dodatkowej pracy programisty. Oprogramowanie to może zostać skonfigurowane do ciągłego monitorowania stanu mechaniki maszyny i stanu procesu w czasie rzeczywistym. Częścią monitorowania jest analiza przebiegu sygnału w poszukiwaniu zmian temperatury, a także detekcja luzów mechanicznych, zwiększonego tarcia i oznak przeciążenia.
Jeżeli nastąpi awaria, generowany jest odpowiedni kod, po czym jest on przekazywany do HMI. Jeżeli zaistnieje krytyczna usterka wymagająca zatrzymania maszyny, owa decyzja może zostać podjęta na poziomie napędu, co minimalizuje straty produkcji i ryzyko uszkodzenia maszyny.
Technologie wpisujące się w koncepcję Przemysłu 4.0 zapewniają zwiększoną moc obliczeniową i funkcjonalność napędów inteligentnych. Stwarza to firmom wiele możliwości w zakresie optymalizacji procedur programowania, produkcji i utrzymania ruchu. Wraz z eliminacją potrzeby posiadania centralnej jednostki PLC lub przy ograniczeniu jej powszechnego wykorzystania, bardziej zaawansowane maszyny mogą być tworzone w znacznie krótszym czasie.
Mike Lomax jest menedżerem ds. elektryfikacji w firmie Bosch Rexroth.
