התנעת תכנים של בקרת תנועה חכמה עבור ייצור חכם

המעבר לייצור חכם ממנף טכנולוגיות מתקדמות לשיפור התפוקה, הפרודוקטיביות, הגמישות, היעילות והבטיחות, ובו-זמנית הפחתת העלויות. בקרת תנועה חכמה היא מרכזית בטרנספורמציה זו. לעתים קרובות היא מחייבת שדרוג של מפעלים ישנים יותר על ידי החלפת מנועים ופקדים בעלי מהירות קבועה בהתקני בקרת תנועה טובים יותר. התקנים אלו מסתמכים על חישה מתקדמת עבור בקרת תנועה והספק מדויקים. כדי להשיג תהליכי עבודה וגמישות ייצור אופטימליים, על המתכננים ליישם גם חיבוריות בזמן-אמת בין מכונות הייצור לבין מערכות ביצוע הייצור.

ישנן טכנולוגיות מתקדמות ופתרונות ברמת-מערכת רבים המאפשרים את המעבר לבקרת תנועה חכמה, אך לעתים קרובות המתכננים נותרים לבדם כדי להרכיב יחד את חלקי המערכת. מצב זה משתנה כעת, עם ערכות של פתרונות מקיפים הזמינות כיום כדי לסייע בהתנעת תכנון בקרת התנועה. ערכות אלה כוללות רכיבים עבור חישת זרם מבודדת ומשוב מיקום לבקרה מרובת-צירים של מהירות ומומנט המנוע, כמו גם חיישנים לניטור תקינות המכונה כדי להפחית זמני השבתה לא מתוכננים. ממשקי רשת מהירים כלולים גם הם, ומקלים על שיתוף הנתונים בין מכונות ורשתות בקרה וניהול ברמה גבוהה יותר.

מאמר זה דן בקצרה בחשיבות בקרת מנועים משופרת. לאחר מכן הוא מציג פתרונות של Analog Devices עבור בקרת תנועה חכמה, כולל רכיבי הספק, חישה ורשתות, ודן כיצד הם מיושמים.

מדוע יש צורך בבקרת מנועים חכמה יותר

מנועים חשמליים הם הבסיס לבקרת תנועה תעשייתית, ואחראים לעד 70% מההספק המשמש בתעשייה. אחוז זה של הספק תעשייתי מייצג כ-50% מצריכת החשמל העולמית. זו הסיבה לכך שהושקע כל כך הרבה מאמץ בשיפור יעילות בקרת התנועה, כאשר בקרת מנועים חכמה מביאה עמה יתרונות רבים.

בקרת התנועה המוקדמת הסתמכה על מנועים בסיסיים המחוברים לרשת החשמל, והיא התפתחה עד למפעילים (Actuators) רובוטיים בעלי מנועי סרוו מרובי-צירים מתוחכמים כיום. פיתוח אבולוציוני זה עקב אחר המורכבות ההולכת וגוברת הדרושה כדי לספק את הרמות הגבוהות יותר של יעילות, ביצועים, אמינות ועצמאות הנדרשות בייצור חכם (איור 1).

איור 1: בקרת תנועה התפתחה ממנועים בעלי מהירות קבועה המחוברים לרשת החשמל למערכות בקרת תנועה חכמות עם מפעילים רובוטיים בעלי מנועי סרוו מרובי-צירים. (מקור התמונה: Analog Devices, Inc.‎)

סוגי בקרת המנועים השונים כוללים:

• מהירות קבועה: בקרות התנועה הוותיקות והבסיסיות ביותר מבוססות על מנועי AC תלת-פאזיים המחוברים לרשת החשמל ופועלים במהירות קבועה. ציוד מיתוג מספק מעגל בקרת הפעלה/כיבוי והגנה. כל הפחתה נדרשת ביציאה מושגת באופן מכני.
• מנוע מונע-מהפך: הוספת מיישר, אפיק DC ודרגת מהפך תלת-פאזי יוצרת מקור תדר משתנה ומתח משתנה המיושם על המנוע כדי לאפשר בקרת מהירות משתנה. מנוע מונע-מהפך זה מאפשר הפחתה משמעותית בצריכת האנרגיה על ידי הפעלת המנוע במהירות האופטימלית עבור העומס והיישום.
• דחיפה במהירות משתנה (VSD‏): משמש עבור יישומים הזקוקים לדיוק נוסף עבור בקרת המהירות, המיקום והמומנט של המנוע, VSD‏ משיג בקרה זו על ידי הוספת חיישני מדידת זרם ומיקום לדוחף המהפך מייצב-המתח הבסיסי.
• מערכת נדחפת-סרוו: ניתן לסנכרן מספר דוחפי VSD למערכות נדחפות-סרוו מרובות-צירים כדי להשיג תנועה מורכבת אף יותר עבור יישומים כגון מכונות עיבוד בקרה נומרית ממוחשבת (CNC) שבהם יש צורך במשוב מיקום מדויק במיוחד. עיבוד CNC מתאם לרוב בין חמישה צירים ועשוי להשתמש בעד 12 צירים של תנועה מתואמת.

רובוטים: תעשייתיים, שיתופיים וניידים

רובוטים תעשייתיים משלבים בקרת תנועה מרובת-צירים עם אינטגרציה מכנית ותוכנת בקרה מתקדמת כדי לאפשר מיקום תלת-ממדי, בדרך כלל לאורך שישה צירים.

רובוטים שיתופיים, או קובוטים, נועדו לפעול בבטחה לצד בני אדם. הם בנויים על פלטפורמות רובוטיות תעשייתיות על ידי הוספת חישת בטיחות, כמו גם יכולות הגבלת הספק וכוח כדי לספק עמית-לעבודה רובוטי שהוא בטוח מבחינה פונקציונלית.

כמו כן, רובוטים ניידים משתמשים בבקרת מכונה בטוחה מבחינה פונקציונלית, אך הם מוסיפים ליכולות הרובוטיות שלהם חישת מיקום, בקרת מסלול והימנעות מהתנגשות.

בכל שלב בפיתוח מערכות בקרת תנועה המורכבות גדלה, לרוב באופן משמעותי. ישנם ארבעה גורמים עיקריים המניעים מערכות תנועה חכמות:

• צריכת אנרגיה מופחתת
• ייצור גמיש
• טרנספורמציה דיגיטלית
• זמן השבתה מופחת כדי להבטיח ניצול נכסים מקסימלי

האימוץ של מנועים בעלי נצילות גבוהה ודוחפי VSD בעלי הפסדים נמוכים יותר, כמו גם הוספת בינה ליישומי בקרת תנועה, הם הגורמי העיקריים בהשגת יעילות אנרגטית משמעותית באמצעות ייצור חכם.

ייצור גמיש תלוי בקווי ייצור הניתנים להגדרת-תצורה במהירות. גמישות זו נחוצה כדי להגיב לדרישות המשתנות של הצרכנים עבור מגוון רחב של מוצרים בכמויות קטנות יחסית, הדורשות מערך ייצור סתגלני יותר. רובוטים תעשייתיים ממלאים תפקיד מרכזי בביצוע פעולות מורכבות וחוזרות על עצמן, ובכך מגדילים את התפוקה והפרודוקטיביות.

טרנספורמציה דיגיטלית כוללת את היכולת לרשת בקרת תנועה ונתוני חיישנים נרחבים ממתקן הייצור כולו ולשתף נתונים אלה בזמן אמת. חיבוריות כזו מאפשרת למחשוב מבוסס ענן ולאלגוריתמים של בינה מלאכותית (AI) למטב את תהליכי העבודה של הייצור ולשפר את ניצול הנכסים.

ניצול הנכסים משמש כבסיס למודלים עסקיים חדשים שונים ומתמקד בפרודוקטיביות של נכסי המפעל, ולא רק בעלויות ההתקנה הראשוניות. ספקי מערכות מתעניינים יותר ויותר בחיוב עבור שירותים על סמך זמן הפעילות או הפרודוקטיביות של נכסים אלה. גישה זו ממנפת שירותי תחזוקה מנבאת המסתמכים על ניטור בזמן אמת של כל נכס מכונה כדי להגביר את הפרודוקטיביות ולמזער זמני השבתה לא מתוכננים.

דרישות רכיבים לבקרת תנועה חכמה

על המתכננים להיות מודעים לכך שיישומי תנועה חכמה דורשים פתרונות ברמת המערכת למספר אזורי תכנון בשרשרת אותות טיפוסית המופעלת על ידי מנוע (איור 2).

איור 2: מוצגים פתרונות רכיבים המאפשרים רמות גבוהות יותר של ביצועים בשישה תחומים עיקריים ביישום תנועה חכמה. (מקור התמונה: Analog Devices, Inc.‎)

התחומיים העיקריים שהמתכננים חייבים לתעדף הם אלקטרוניקת הספק, בקרת תנועה, חישת זרם, חישת מיקום, ממשק רשת וניטור תקינות המכונה. חברת Analog Devices מציעה בכל תחום התקנים מרובים שהמתכננים יוכלו לשקול בעת עדכון תכנים ישנים או התחלה חדשה.

אלקטרוניקת הספק

אלקטרוניקת הספק מקלה על המרת הספק מ-DC לכניסות הספק מאופננות רוחב פולס (PWM) במערכת המופעלת על ידי מנועים.

המרת ההספק במערכת המופעלת על ידי מנועים מתחילה במקור DC במתח גבוה, הנגזר בדרך כלל מרשת החשמל במתח AC. כפי שמוצג באיור 2, מקטע אלקטרוניקת ההספק מוגדר באמצעות טופולוגיית חצי גשר תלת-פאזית באמצעות רכיבי MOSFET. השערים של רכיבי ה-MOSFET העליונים צפים ביחס להארקה ודורשים דוחף מבודד. אפשרות מתאימה היא ADUM4122CRIZ של Analog Devices. זהו דוחף שער מבודד המספק בידוד RMS (שורש ממוצע הריבועים) של עד 5 קילו-וולט (kV). רמת הבידוד הגבוהה מושגת על ידי שילוב טכנולוגיות של מוליכים-למחצה תחמוצת-מתכת משלימים (CMOS) במהירות גבוהה ושל שנאים מונוליתיים. דוחף שער זה מצויד בבקרת קצב שינוי מתכווננת, הממזערת הפסדי הספק מיתוג והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). הדבר חשוב במיוחד אם נעשה שימוש בהתקני גליום ניטריד (GaN) או סיליקון קרביד (SiC), בהתחשב במהירויות המיתוג הגבוהה יותר שלהם.

לאלמנטי המקור של רכיבי ה-MOSFET התחתונים יש ייחוס להארקה והם יכולים להשתמש בדוחף LTC7060IMSE#WTRPBF של Analog Devices, דוחף 100 וולט חצי-גשר עם הארקות צפות.

דרגות היציאה של הדוחפים הן בצד הנמוך והן בצד הגבוה צפות ואינן מחוברות להארקה. ארכיטקטורה צפה כפולה ייחודית זו הופכת את יציאות דוחפי השער לחסונות ופחות רגישות לרעשי הארקה. בנוסף, ההתקנים משלבים הגנת Shoot-Through אדפטיבית עם זמן מת ניתן-לתכנות כדי למנוע משני התקני המיתוג חצי-גשר להיות מופעלים בו-זמנית.

בקר תנועה

בקר התנועה משמש כמוח של מערכת בקרת התנועה. הוא משמש כמעבד המרכזי, ומחולל את אותות ה-PWM הדוחפים את אלקטרוניקת ההספק. אותות אלו מבוססים על פקודות ממרכז בקרה מרכזי ועל משוב מהמנוע, כגון זרם, מיקום וטמפרטורה. על סמך נתונים אלה, הבקר מכתיב את המהירות, הכיוון והמומנט של המנוע. הבקר, שנמצא לעתים קרובות במיקום מרוחק וממומש באמצעות FPGA או מעבד ייעודי, דורש חיבורי תקשורת מבודדים.

לשם כך יכול לשמש קישור נתונים טורי כגון ADM3067ETRZ-EP של Analog Devices. זהו מקמ"ש RS485 מוגן פריקה אלקטרוסטטית (ESD), דופלקס-מלא, 50 מגה-ביט לשנייה (Mbps). הוא מוגדר לספק תקשורת טורית ברוחב פס רחב מחיישני משוב המיקום בחזרה לבקר התנועה. קו טורי זה מוגן מפני ESD עד ‎±12 kV ויכול לפעול על פני תחום טמפרטורות של ‎-55°C עד ‎+125°C.

חישת זרם

משוב הזרם מהמנוע הוא פרמטר המשוב העיקרי עבור הבקרה. מכיוון שמשוב הזרם קובע את רוחב פס הבקרה הכולל ואת ההיענות הדינמית של מערכת בקרת התנועה, מנגנון המשוב חייב להיות מדויק ביותר ובעל פס תדרים רחב כדי להבטיח בקרת תנועה מדויקת.

ישנן שתי טכניקות מדידת זרם נפוצות:

• מדידות מבוססות מצד (Shunt) דורשות הכנסת נגד בעל ערך נמוך או מצד (Shunt) בטור עם המוליך הנמדד. לאחר מכן נמדד מפל המתח הדיפרנציאלי על פני המצד, בדרך כלל בעזרת ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) ברזולוציה גבוהה. מדידות זרם המצד (Shunt) מוגבלות על ידי מפל המתח ופיזור ההספק בנגד המצד והן מוגבלות ליישומי זרם נמוך עד בינוני.
• חישת זרם מגנטי מודדת את הזרם על ידי הערכת השדה המגנטי בקרבת המוליך באמצעות מדידות מגנטו-התנגדותיות אנאיזוטרופיות ללא מגע (AMR). ההתנגדות של התקן AMR, המשתנה בהתאם לשדה המגנטי ומכאן בהתאם לזרם, נמדדת באמצעות גשר התנגדויות.

מדידת זרם מגנטי מבטלת את מפל המתח בנגדי מצד ואת הפסדי ההספק הנובעים ממנו, והופכת אותו למתאים יותר עבור מדידות זרם גבוה. המדידה גם מבודדת חשמלית מהמוליך הנמדד.

עבור מדידות זרם מבודדות, ניתן להשתמש ב-ADUM7701-8BRIZ-RL של Analog Devices. זהו ממיר ADC סיגמא-דלתא מסדר-שני ‎16-bit בעל ביצועים עיליים, הממיר אות כניסה אנלוגי, ממפל המתח של חישת הזרם על פני נגד חישה, לזרם נתונים מבודד דיגיטלית של ביט יחיד במהירות גבוהה.

התקן מדידת זרם חילופין הוא מגבר חישת הזרם ברוחב פס רחב AD8410AWBRZ. זהו מגבר דיפרנציאלי עם הגבר של 20, רוחב פס של 2.2 מגה-הרץ (MHz), וסחיפת מתח היסט נמוכה (כ-1 מיקרו-וולט למעלה צלזיוס (μV/°C)). עם יחס דחיית אות משותף (CMRR‏) DC של 123 דציבלים (dB), הוא יכול להתמודד עם מדידת זרם דו-כיוונית עם כניסות אופן משותף של עד 100 וולט.

חישת מיקום

חישת מיקום סיבובית המבוססת על חיישני מיקום מגנטיים מסוג AMR מציעה חלופה משתלמת יותר למקודדים אופטיים. לחיישנים אלו יתרון נוסף בכך שהם חסונים בסביבות תעשייתיות, בהן הם חשופים לעתים קרובות לאבק ורעידות. המשוב שעל זווית גל המנוע יכול לשמש לבקרת מיקום ישירה במערכות סרוו או לקביעת המהירות הסיבובית.

הרכיב ADA4571BRZ-RL של Analog Devices הוא חיישן AMR עם מעגלי אכשור אותות ודחיפת ממירי ADC המשולבים במארז (איור 3).

איור 3: מוצגת דיאגרמת בלוקים פונקציונלית של החיישן הזוויתי ADA4571BRZ-RL, יחד עם שרטוט יציאות הסינוס והקוסינוס כפונקציה של זווית הסיבוב. (מקור התמונה: Analog Devices)

הרכיב ADA4571BRZ-RL הוא חיישן זוויתי מגנטו-התנגדותי המשתמש בחיישני AMR כפולים עם קיזוז טמפרטורה כדי לגלות את זווית הגל על פני תחום של 180° (±90°) עם דיוק שגיאה של פחות מ-0.1° (פחות מ-0.5° על פני משך החיים/הטמפרטורה). התקן זה מייצר שתי יציאות אנלוגיות, הן סינוסית והן קוסינוסית, בעלות קצה-יחיד (Single-Ended), המצביעות על המיקום הזוויתי של השדה המגנטי סביבו. ההתקן יכול לפעול בתנאי סביבה קשים מבחינה מגנטית ואינו סובל מפגיעה בשגיאת הקריאה הזוויתית במרווחי אוויר רחבים.

ניתן לחבר את היציאות של החיישן הזוויתי להתקן AD7380BCPZ-RL7 של Analog Devices, ממיר ADC כפול ‎16-bit, בעל רגיסטר קירוב עוקב (SAR). ממיר ADC זה דוגם בו זמנית בשני ערוצי כניסה דיפרנציאליים עד 4 מגה-דגימות לשנייה (MSPS). פונקציית דגימת-יתר פנימית משפרת את הביצועים. דגימת-יתר היא טכניקה נפוצה המופעלת כדי להגדיל את דיוק ממיר ה-ADC. על ידי קליטה ומיצוע של דגימות מרובות של הכניסה האנלוגית, פונקציה זו מפחיתה רעש, תוך שימוש באופני דגימת-יתר של ממוצע רגיל או ממוצע מתגלגל. דגימת-יתר יכולה גם לסייע בהשגת דיוק גבוה יותר בתנאי פעולה איטיים יותר.

ממשק רשת

ייצור חכם מסתמך על רשת של יישומי תנועה חכמים המשתפים נתונים בין המכונות ברצפת המפעל לבין רשת הבקרה והניהול המרכזית. שיתוף זה דורש חיבוריות חסונה. לשם כך, המתכננים יכולים להשתמש ברמות הפיזיות (PHYs) של ה-Ethernet בהספק נמוך ושיהוי Latency)‎) נמוך, כולל מקמ"ש ה-Ethernet PHY‏ ADIN1300CCPZ של Analog Devices‏. ה-ADIN1300CCPZ, שפועל בקצבי נתונים של 10, 100 או 1000 מגה-ביט לשנייה (Mbits/s), מתוכנן לפעול בסביבות תעשייתיות קשות, כולל טמפרטורות סביבה של עד 105°C.

מתגים משמשים לניתוב חיבורי Ethernet. Analog Devices מציעה מתג Ethernet תעשייתי משובץ Layer 2‏ בעל יציאה כפולה, FIDO5200BBCZ. המתג תואם לתקן -IEEE 802.3 במהירויות 10 ו-‎100 Mbits/s, והוא תומך הן באופן חצי דופלקס והן באופן דופלקס מלא לתמיכה בפרוטוקולי Ethernet תעשייתי PROFINET‏, Ethernet/IP‏, EtherCAT‏, Modbus TCP ו-Ethernet POWERLINK.

תקינות המכונות

ניטור תקינות המכונה משתמש בחיישנים למדידת פרמטרים פיזיים כגון רעידות, זעזועים וטמפרטורה, ומספק תובנות בזמן אמת לגבי מצב המכונה. על ידי רישום נתונים אלה במהלך פעולות בקרת התנועה הסטנדרטיות וניתוחם לאורך זמן, ניתן להעריך במדויק את תקינותה המכנית של המכונה. גישה מונעת-נתונים זו מאפשרת חיזוי לוחות זמנים לתחזוקה, אשר לא רק מאריכים את משך חיי הפעולה של המכונה אלא גם מפחיתים באופן משמעותי את זמני ההשבתות הלא-מתוכננות.

יישום תקינות המכונה דורש התקנה של חיישני רעידות וזעזועים במנוע. מד התאוצה של מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) במשקל ±100 גרם ADXL1001BCPZ-RL הוא דוגמה לחיישן בעל רעש נמוך ברוחב פס של ‎-3 dB ב-11 קילו-הרץ (kHz). זוהי חלופה בפס תדרים רחב והספק נמוך יותר לחיישנים פייזואלקטריים. עבור יישומים הדורשים מדידה בשלושה צירים, ה-ADXL371 עשוי להיות הבחירה המתאימה.

סיכום

בקרת תנועה חכמה היא קריטית כדי לאפשר מפעלים חכמים, והיא דורשת יישום אפקטיבי של רכיבים אלקטרוניים שנבחרו בקפידה. כפי שהוצג, רבים מרכיבים אלו כבר זוהו כדי להתניע את התכנון. הם כוללים אלקטרוניקת הספק לדחיפת המנוע, חיישני זרם ומיקום כדי לספק נתוני משוב מדויקים לבקרת תנועה מדויקת ונכונה, חיבוריות רשת תעשייתית כדי לספק תובנות ברמת המערכת למיטוב תהליכי הייצור, וחיישני רעידות וזעזועים כדי לאפשר ניטור של תקינות המכונה לצמצום זמני השבתות לא-מתוכננות והארכת משך חיי הפעולה של הנכסים.