Inteligentne układy elektroniczne napędów – działające podobnie do systemu nerwowego człowieka – wspomagają systemy nadzorowania ruchu mechanizmów dodatkową funkcją konserwacji predykcyjnej.
Nowoczesne maszyny – podobnie jak samonaprawialne roboty występujące w filmach fantastyczno-naukowych – stają się coraz bardziej inteligentne i w pewnym sensie bardziej ludzkie. Zawierają więcej zdecentralizowanej inteligencji, która w działaniu przypomina autonomiczny układ nerwowy człowieka. Pozwala to na przykład maszynie pakującej zabezpieczać się przed kosztownymi awariami ze względu na szybkie reagowanie poprzez szybką diagnostykę błędów oraz działań podejmowanych przez napęd. Bez potrzeby wysyłania informacji do „mózgu” lub systemu sterowania, inteligentne napędy prądu zmiennego są w stanie samodzielnie zdiagnozować problemy występujące w maszynie i dokonać naprawy prewencyjnej, zanim nastąpi awaria lub spadnie jakość produkowanych wyrobów. Taki rodzaj inteligencji podwyższa poziom niezawodności maszyny, jej gotowość do działania, wydajność i precyzję.
– Stałym celem automatyzacji jest podnoszenie wydajności i obniżenie kosztów utrzymania – mówi Ralph Maguire, główny inżynier w firmie Bosch Rexroth. – Jeśli moment obrotowy łańcucha napędowego jest monitorowany, to na przykład układ mechaniczny może zostać sprawdzony pod względem nadmiernego tarcia lub potencjalnego zablokowania. Jeśli położenie jest monitorowane na śrubie z nakrętką kulową, gdy zmienia się kierunek obrotów lub momentu obrotowego, w podobnym przypadku, jak podczas wystąpienia luzów, wówczas można to zdiagnozować. Wykrycie tych zmian – zanim mechanizm ulegnie awarii i spowoduje przerwę w pracy – może skłonić do zaplanowanej naprawy.
Dan Throne, dyrektor sprzedaży i marketingu w firmie Bosch Rexroth, dodaje: – Na podstawie nastaw inteligencja napędu na bieżąco informuje o stanie każdej osi, przewiduje pogarszanie się tego stanu i pozwala na zastosowanie właściwego „lekarstwa”, zanim uszkodzenie stanie się poważne. Jeśli uszkodzenie rozwija się wewnątrz maszyny, podobnie jak choroba lub rana u człowieka, to inteligentne funkcje napędu wykrywają problem wcześniej i stosują odpowiednie środki zapobiegawcze, zanim dojdzie do poważnego uszkodzenia. Często odbywa się to automatycznie lub na zasadzie autoleczenia.
Konserwacja proaktywna oparta na napędach jest w stanie monitorować charakterystyki mechaniczne, takie jak: luzy, sztywność pasa, naprężenie, zmiany obciążenia i inne warunki, które są kluczowe dla pracy maszyny. – Jeśli którakolwiek z charakterystyk wychodzi poza granice tolerancji danej osi, wówczas napęd rozpoznaje, że coś się dzieje i podejmuje odpowiednie działanie – w ten sam sposób nasze odruchy automatyzują naszą odpowiedź, jeśli uderzymy się w kolano lub dotkniemy gorącej kuchenki – mówi Throne.
Taki rodzaj sterowania w układzie zamkniętym może wystąpić na poziomie sterownika, lecz odpowiedź mogłaby być wtedy wolniejsza. Jeśli ludzki mózg byłby odpowiedzialny za prawidłową reakcję na dotknięcie na przykład gorącej kuchenki, to takie opóźnienie nie byłoby wystarczające, aby uniknąć oparzenia. Dlatego ludzie mają odruchy bezwarunkowe.
– Wykrycie błędu krytycznego w napędzie musi prowadzić do odpowiedniej reakcji na napędzie. Tak wygląda obecny stan zaawansowania techniki w przypadku napędów elektrycznych – mówi Throne. – Przy wsparciu utrzymania predykcyjnego opartego na napędach, ochrona ta rozszerza się dalej na mechanizmy wieloosiowe, gdzie zostały zaimplementowane dodatkowe reakcje, w celu ochrony układu mechanicznego lub całego układu osi.
Konserwacja predykcyjna oparta na napędach elektrycznych pracuje najlepiej poprzez przyspieszenie wymiany informacji pomiędzy sterownikiem maszyny a modułami wykonawczymi napędu i czujnikami. Dlatego też optymalizacja wymiany danych pomiędzy napędem i sterownikiem ma nadany wysoki priorytet podczas rozwoju systemu utrzymania predykcyjnego.
– Jest to szczególnie wartościowe dla zsynchronizowanych wieloosiowych linii – mówi Throne. – Przykładem może być zrobotyzowana aplikacja „pick and place” (podnieś i włóż), taka jak np. umieszczanie igieł na podstawce, gdzie rząd sześciu robotów po każdej stronie pasa transmisyjnego jest przypisany do danej strefy roboczej. Jeśli w jednym z robotów nastąpiłby przeskok przekładni zębatej, to sytuacja niewłaściwego przemieszczenia mogłaby dalej się rozwijać. Dopóki napęd nie zna zakresu tolerancji dla tej osi, to nie może rozpoznać, że przeskok jednej małej przekładni mógłby narazić na niebezpieczeństwo pracę całej linii.
Jednakże, jeśli napęd monitoruje luzy, to „czuje”, kiedy dopasowane ściśle sprzężenie pomiędzy wałem silnika a wałem skrzyni przekładni działa wadliwie. Wówczas reakcja napędu jest zdefiniowana przez użytkownika: generuje informację o błędzie i wysyła do sterownika maszyny lub wykonuje bezpieczne wyłączenie, w celu uniknięcia uszkodzenia produktu lub innych części maszyny.
Innym przykładem tego, co mogą kontrolować czujniki napędu, jest ciepło. Napęd kontrolowałby temperaturę radiatora poprzez zastosowanie termistora w celu zapewnienia odpowiedniego chłodzenia. W przypadku jeśli radiator zatyka się lub wentylator nie pracuje poprawnie, wówczas może zostać wygenerowany sygnał alarmowy. Jeśli stan ten utrzymuje się, a temperatura rośnie, to napęd może spowodować wyłączenie, w celu uniemożliwienia trwałego uszkodzenia.
Czasami reakcja napędu może zostać wywołana przez wiele zdarzeń. W takim przypadku inteligentny napęd może przygotować złożoną informację i przełożyć ją na proste dane dla odczytania przez sterownik. – To zastępuje wysyłanie wszystkich złożonych informacji do sterownika i testuje czasy cyklów, aby PLC mógł postawić diagnozę – mówi Throne. – Jest to bardziej wydajna struktura sterowania, ponieważ wymagana komunikacja pomiędzy sterownikiem i osiami jest automatycznie redukowana.
Maszyny, które poprzez inteligentne napędy dokonują autonaprawy, upodabniają się w coraz większym stopniu do człowieka i otaczającej go rzeczywistości. Te elektroniczne i mechaniczne „odruchy” mogą pomóc systemom automatyki w zabezpieczeniu przed kosztownymi przestojami oraz utrzymywaniu wysokiego poziomu wydajności i precyzji.
W jaki sposób inteligentne napędy wykonują konserwację predykcyjną
Osiągi silnika odnoszą się bezpośrednio do osiągów napędzanego mechanizmu. Oprócz innych rzeczy, inteligentny napęd dokonuje automonitorowania oraz luzów pomiędzy serwomotorem a osią mechanizmu. Napęd sprawdza, w jaki sposób silnik odpowiada na ilość luzów w przekładniach lub na pasie. Jeśli wykracza to poza nastawioną dla tej osi tolerancję, wówczas napęd może wykonać jedno lub więcej działań:
- wygenerować sygnał ostrzegawczy do sterownika lub operatora maszyny,
- zmienić prąd napędu w celu skompensowania zmian w mechanizmie,
- zapoczątkować bezpieczne wyłączenie, zanim sytuacja stanie się krytyczna i uszkodzi się maszynę lub wyrób.
Inteligentne napędy podczas działania wykorzystują standardowe, wbudowane w nie urządzenia pomiarowe służące do regulacji, jak również wykorzystują zalety oprogramowania w celu zwiększenia możliwości diagnostycznych. Dobra wiadomość dla użytkowników inteligentnych napędów jest taka, że zwykle nie ma doliczanych dodatkowych kosztów za ustawienie funkcji utrzymania predykcyjnego. Ostatnia generacja napędów często ma wbudowane funkcje diagnozowania, konfigurację sygnałów alarmowych oraz zautomatyzowanych reakcji za pomocą standardowego oprogramowania.
Stan Ho, dyrektor ds. napędów niskiego napięcia w firmie Rockwell Automation, mówi: – We wcześniejszych modelach napędów zdolność konserwacji predykcyjnej pochodziła od użytkowników końcowych, którzy monitorowali prąd obciążenia dla danej aplikacji. Jeśli wartość prądu wzrastała ponad normalny poziom w czasie pracy, użytkownicy interpretowali to jako zapowiedź konieczności konserwacji układu mechanicznego. Mogli oni wtedy wygenerować sygnał do służb utrzymania ruchu, w celu zbadania problemu. Jednakże Allen-Bradley PowerFlex 755, najnowszy napęd z Rockwell Automation, ma standardowe cechy, które monitorują i śledzą informacje mające wpływ na wentylatory napędu i wyjścia przekaźnikowe. Dodatkowo użytkownik może zaprogramować napęd w celu kontrolowania czasu pracy łożysk maszyny lub silnika. Funkcjonalność znajduje się w standardowym oprogramowaniu i nie wymaga dodatkowego rozszerzenia.
Craig Nelson, dyrektor produktu w firmie Siemens Energy & Automation Motion Control Business Unit, która zajmuje się produkcją serwo typu Sinamics S i napędów wektorowych, mówi: – Napędy Sinamics S120 mają wbudowaną funkcję logicznego programowania, aby decydować o podejmowanych akcjach. Napęd może zdiagnozować, że czujniki prędkości nie pracują poprawnie i następnie przełączyć się na tryb bez odczytu danych z czujników w celu dalszej pracy i funkcjonować tak do momentu wygenerowania sygnału alarmowego. W ten sposób problem jest odłożony do odpowiedniego momentu naprawy. Inny przykład inteligentnej diagnozy napędu w Sinamics S120 odnosi się do obwodu bezpieczeństwa, gdzie można zaprogramować czas zwłoki wygenerowania sygnału w przypadku, gdy obwód bezpieczeństwa nie wykazał aktywności powyżej zaprogramowanego okresu.
Dodatkową funkcją napędu Sinamics S120 jest wbudowana pamięć buforowa śledzenia. – Pozwala to na zapisywanie standardowych pomiarów, np. w przypadku awarii zasilania. Dane te mogą zostać odczytane za pomocą oprogramowania uruchamiającego, aby zbadać problem lub określić kolejność wystąpienia zdarzeń – mówi Nelson. – Śledzenie danych sygnałów napędu może także zostać wykorzystane do zdiagnozowania problemów z procesem, który napęd kontroluje, włączając regulację naprężenia lub strojenie regulatora.
Rainer Neufeld, dyrektor systemów elektronicznych w firmie SEW Eurodrive, mówi, że ich inteligentne napędy zawierają takie marki, jak: Movi-Drive, MoviPro, MoviFit MoviTrac. – Mają one wszystkie wbudowaną inteligencję znaną jako IPOS, która jest firmowym zintegrowanym oprogramowaniem służącym do ustalania położenia i kontroli sekwencji zdarzeń – wyjaśnia Neufeld. – Opcja konserwacji predykcyjnej nie wymaga dodatkowych kosztów; użytkownik potrzebuje tylko wersji IPOS-OT.
Neufeld mówi, że dane kontroli napędu kontaktują się z resztą maszyny lub linii produkcyjnej poprzez MoviPLC lub inne kontrolery, podobne do tych z Rockwell Automation/Allen-Bradley lub Siemensa.
– Napędy mogą być także używane w połączeniu z MoviPLC firmy SEW Eurodrive, który powoduje, że stają się one inteligentnymi. Jednakże zastosowanie MoviPLC to dodatkowy koszt – mówi Neufeld. Za pomocą IPOS lub MoviPLC oraz modułu diagnostycznego DUO10A możliwe jest monitorowanie napędu i przekładni, monitorowanie wszystkiego, co ma wskaźnik, włączając żywotność oleju, temperaturę oleju, temperaturę radiatora napędu, wykorzystanie napędu, prąd wyjściowy, prędkość oraz wartości progowe prądu.
Ralph Maguire, główny inżynier w firmie Bosch Rexroth, mówi, że ich firmowy napęd IndraDrive ma trzy opcje wspomagające utrzymanie: Productivity Agent, zintegrowany sterownik PLC IEC61131-3 oraz system bezpieczeństwa. IndraDrive sam wykrywa zmiany sztywności, luzy, tarcie i zużycie energii. Funkcje diagnostyczne są wgrywane do napędu przy użyciu standardowego oprogramowania IndraWorks. Podczas produkcji kontroler Productivity Agent na bieżąco monitoruje, czy oś pozostaje w obwiedni określonej przez producenta maszyny. Istnieją także dwa narzędzia do diagnozowania niesprzężone bezpośrednio z napędem, służące do analizy charakterystyki mechanicznej i częstotliwości. – Ponieważ Productivity Agent wykorzystuje czujniki już wbudowane w IndraDrive i silnik, to można także użyć standardowego oprzyrządowania pojedynczego napędu – mówi Maguire.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
Autor: Rick Griffin
