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PLCopen运动控制标准——机器设计新理念:从机械转向机电一体化

来源:控制工程网2022.05.07阅读 1690


图片来源:PLCopen

  标准化的运动控制功能块与PLCopen 的状态图相结合,有助于将机械设计转变为机电一体化设计,从而帮助机械制造商和最终用户提升机器效率。
  由于用户需求的变化,需要新的机器设计理念:机械部件正被机电系统所取代。为了简化机械制造商和系统集成商对机电系统的应用,并让用户更好地理解这些系统,PLCopen 及其成员开发了一套结合状态图的标准化运动控制功能块。
  PLCopen运动控制规范指定了一个独立的功能块库。这提供了一个标准的命令集,同时向用户隐藏了底层架构和复杂性(被称为抽象)。这种结构可以在许多平台和体系架构上使用。应用程序的开发可以独立于控制体系架构或品牌,开发人员可以在开发周期的最后阶段决定使用哪种体系结构。对机器制造商带来的好处是,支持不同平台的成本较低,并且可以自由地以独立方式开发应用软件,而不会破坏生产力。此外,系统维护更容易,教育周期也更短。
  从机械设计转向机电一体化设计 
  一个重要的用户群体是机械制造商,其中包装行业最为活跃。该行业通常需要提供替代包装技术,以对消费者行为的变化做出快速响应。这必须由生产线中更灵活的机器来完成。为了提供这种灵活性,我们必须放弃机械解决方案,转向机电替代方案。当然,这包括起关键作用的适应性软件。
  运动控制功能块规范的接受程度很高,尤其是受到欧洲包装行业供应商的青睐。他们的包装机械出口到世界各地,这意味着不同地区会使用到不同品牌的控制器。即使这些控制器用在同一台机器上并提供相同的功能,但为了全球出口,需要实施几个不同品牌的控制器。

图1:使用控制体系结构从机械设计转向机电一体化设计,可以提高机器性能并降低机器的复杂性。

  从传统的机器设计转向机电一体化的设计,会减少部件数量,更易于清洁。机电操作系统也更简单、透明、快速和便宜。这也是最终用户想要的。
  在机电一体化解决方案中,控制系统及其软件起着至关重要的作用。这和控制系统软件相关,而不是机械的质量。这通常会导致一些传统的机械制造商内部出现不同的问题(例如有着几十年甚至上百年历史的,具有机械设计背景的家族企业)。从一个具有传统机械思维的组织,转变为一个专注于软件和控制的组织要面临很多困难。
  在PLCopen 运动控制中,人们认识到这一点,并实现了逻辑和运动任务之间的紧密结合。在包装机械的成功应用中,控制软件扮演着越来越重要的角色。30年前,机器设计几乎没有软件。现在软件约占生产线总成本的50%。
  增加了对灵活设计的需求 
  不断变化的消费者需求,转化为对更灵活的制造和包装的需求。咖啡产品就是一个简单的例子。我们都熟悉真空密封的包装,它们已经在商店的货架上出售很久了。超市货架上的种类繁多,有着不同的口味,使用不同的包装技术。咖啡本身并没有改变,工艺端已经定型,无法提供更高的效率。这意味着应将注意力放在市场展示以及消费者身上。
  另一个例子是当下流行的小包装食品,在一个大包装内包含多个较小的包装,以保证产品新鲜度。要实现这一变化,必须改变生产环境中的基础设施:添加包装功能。同样的生产线需要执行这些以及其它临时变更,以满足更多样化的需求。

图2:向最终用户隐藏软件架构的复杂性,被称为抽象。机器制造商正在使用抽象来改进机电一体化机器的设计。

  新一代包装机必须满足用户的两个要求:免维护机器(至少是低维护量和可预测的维护)和易于清洁以最大程度地保持卫生。如果你将这两个目标用于新包装机的开发,结果会是什么?
  他们会要求机器制造商必须移除所有可能产生灰尘或需要润滑油的机械部件:如滑轮、皮带、齿轮箱和机械凸轮。实际上,这意味着从传统机器的118 个功能单元,减少到23 个,减少幅度达81%。

图3:在此案例中,转向机电一体化机器设计,可将机器零件减少 81%,从而通过降低复杂性和减少维护来加强机器设计。

  统一了不同的机器结构 
  运动控制市场有各种各样的运动系统。它们都有不同的技术、语言、总线、开发环境和其他差异等。尽管需要标准化,但却无法实现。
  机器制造商希望通过可复用的应用程序,服务于更广阔的市场。通常,机器制造商提供多个层级的产品:高端机器、中端机器和低端机器。机器制造商不想参与三种类型的应用程序的开发。对一个轴的移动,明明一个描述就可以,为什么还需要10 个?为什么我们必须知道在应用阶段使用了哪些电机、控制器或编码器?
  在不同层面上响应用户,其中所有系统特性都在运动控制功能中实现,而且独立于硬件。PLCopen 运动控制标准可以做到这一点。
  PLCopen 运动控制规范的第一部分,包括单轴和多轴运动功能、若干管理任务和状态图。后者用于控制和安全方面:并非所有命令都可以随时向机器发出,命令必须经历一定的例行程序才能发出。
  在测试新连接的轴时,解决方案的独立性得以展示。无论使用哪种系统,用户只需几个步骤就可以使轴旋转:打开电源,启动主程序,最后给轴一个移动命令。通过三个简单的步骤,轴就可以移动。
  人们并不想知道接口后面是什么网络。这是供应商应该做的事情。该标准提供了一个可在小程序中调用的程序块。编译代码,下载并运行。如果轴不转动,则问题出在供应商,而不是用户。
  PLCopen 定义了一套运动控制规范。第1 部分– 基础,包括初始版本中在第2 部分定义的扩展。第3 部分-用户指南,第4 部分- 协调运动和第5 部分引导程序。第3 部分- 用户指南说明了用户如何根据IEC 标准和PLCopen 运动控制功能块,创建一组构建块。这些块可以跨项目和平台复用。
  例如,在第2 部分中,定义了一个注册函数,而不提供所使用的输入。传感器输入可能来自未知位置(直接或网络),和/ 或传感器需要补偿。此功能由标准块组成,其中注册功能与其它用户自定义的块一起使用,并且可以添加到公司自己的库中。这个注册功能可以在公司范围内使用,并且源代码可以在不同的平台上使用。这样在生产下一台机器时可以节省时间和金钱。
  对供应链市场的影响 
  PLCopen 运动控制规范为供应链所面临的挑战提供了解决方案。供应链通常由独立软件供应商、控制硬件供应商、机器制造商及其最终用户客户组成。软件供应商满足于使用运动控制标准,这使软件供应商更容易与其潜在用户(控制供应商)交流。他们只需要实施一次运动控制规范,对底层架构做一些小的更改。
  拥有新系统的硬件供应商,也将此视为向前迈出的重要一步:他们不再需要开发自己的规范。由于担心其差异化的可能性会受到限制,因此具有较长历史的运动控制供应商,对接受运动控制规范可能有点犹豫。这种担心是没有必要的。通过提供的构建块、工具软件套件、伺服范围、编码器、调谐和其它设计元素,可以实现多样化。运动供应商愿意将其现有平台集成到一个环境中,同时合并其不同运动控制组的专有技术,以增强协同效应。运动控制标准提供了一种潜在的方法,来避免各种不同实现方式所造成的混乱。
  供应链的下一个环节是机器制造商。对于一些制造商来说,技术与过去有了明显的突破。他们正在与开发机电一体化解决方案的知识中心合作。这种趋势导致了兼并和收购,创造了更大的业务,需要通过提供新一代的机器来扩大和拓宽市场。
  在供应链的末端是购买和使用机器的最终用户。他们需要高的灵活性、更少的停机时间和更低的成本,而这也是PLCopen 运动控制规范所支持的。(作者:Eelco van der Wal, PLCopen)
  关键概念: 
  ■ PLCopen 运动控制标准为机器设计提供高功能性、抽象性。
  ■ 为了更好地为客户服务,机器设计师正在从机械设计转向机电一体化机器设计。
  ■ PLCopen 运动控制规范可以统一各种机器架构。
  思考一下: 
  您的机器设计是否包括运动控制标准,以降低机器的复杂性和维护工作?