שימוש ב-DAQs‏ כדי להשיג דיוק במהירות גבוהה בבקרת תנועה תעשייתית

מערכות תעשייתיות מודרניות, כגון רובוטיקה ומסועים אוטומטיים, מסתמכות על נתונים מסונכרנים במהירות גבוהה כדי לייעל את הביצועים, לשפר את הנצילות ולהקל על תחזוקה חזויה. עם זאת, איסוף וקואורדינציה של נתוני מיקום ותנועה עם דיוק של מילי-שנייה מציבים אתגר משמעותי. מערכות איסוף נתונים סטנדרטיות (DAQ) חסרות לעיתים קרובות את הפונקציות הייעודיות הנדרשות לממשק מדויק עם אנקודרים וטיימרים בזמן-אמת, דבר העלול לפגוע באמינות המערכת ולהוביל לצווארי בקבוק בביצועים.

מאמר זה מתאר את הדרישות עבור מימוש מדידות מיקום ותזמון במהירות גבוהה ביישומים תעשייתיים תובעניים. לאחר מכן המאמר מציג מודול מונה/טיימר של אנקודר של Advantech‏ ומראה כיצד ניתן להשתמש באופני המקודד הרבים ובארבעת הערוצים המהירים שלו כדי להתמודד עם אתגרי סינכרון מורכבים ביישומי רובוטיקה ובקרת תנועה. מערכת טיפוסית, יחד עם כלי תוכנה תואמים, מספקת נתיב ברור עבור האינטגרציה.

חשיבות התנועה והתזמון המדויקים בתהליכים תעשייתיים

מערכות תעשייתיות מודרניות מסתמכות על תנועות מורכבות וסדורות שבהן הקואורדינציה היא חיונית. נבחן זרוע רובוטית שתפקידה לאסוף רכיבים ממסוע נע. כדי שהמערכת תפעל, תנועת הרובוט חייבת להיות מסונכרנת עם מהירות ומיקום המסוע. זה דורש איסוף וקואורדינציה של נתונים ממספר מקורות עם דיוק של מילי-שנייה, דרישה טכנית מאתגרת.

למערכת DAQ יש תפקיד מרכזי בפתרון בעיה זו. המערכת אוספת נתוני אנקודר מדוחף המנוע של המסוע ומפרקי הזרוע הרובוטית, ומסנכרנת את המדידות הללו על פני מספר ערוצים כך שניתן לחשב את זמן היירוט המדויק.

ככל שמהירות המסוע עולה כדי להגביר את התפוקה, מערכת DAQ חייבת לדגום נתוני מיקום ותזמון במהירות כדי למנוע שגיאות. קריאת חיישן שהושהתה או הוחמצה עלולה להוביל לפעולות שגויות או אפילו להתנגשויות בין רכיבים מכניים, וכתוצאה מכך להשבתה לא-מתוכננת ולהפסדי פרודוקטיביות.

מערכות DAQ מדויקות תומכות גם בתחזוקה חזויה. לדוגמה, אנומליות מהירות או שגיאות מיקום עשויות להצביע על בעיות כגון מיסבים שחוקים או רצועה מחליקה. על ידי ניתוח אותות אלה, המתכננים יכולים לזהות כשלים פוטנציאליים לפני שהם משבשים את הפעילות.

דרישות DAQ במהירות-גבוהה

כדי לשרת יישום מסוג זה, מערכת DAQ חייבת לעמוד במספר מאפייני ביצועים תובעניים:

• דגימה במהירות גבוהה וברזולוציה גבוהה: איסוף פרטי תנועה עדינים, כגון שינויים במיקום של תת-מילימטר, דורש גם קצב דגימה גבוה וגם רזולוציה מדויקת. דגימה בתחום של מגה-הרץ (MHz) מבטיחה שלא יוחמצו אירועים קריטיים, אפילו בסביבות במהירות גבוהה.
• דגימה סימולטנית, רב-ערוצית: כדי לתאם בין זרוע רובוטית לבין המסוע, יש לאסוף את נתוני המיקום והתזמון שלהם בו-זמנית, ולא אחד אחרי השני. ניסיון לבצע קורלציה בין זרמי נתונים הנאספים אחד אחרי השני עלול להוביל לשגיאות, כאשר הפריט הלא-נכון מלוקט או שהפריט אינו מלוקט.
• תמיכה גמישה באנקודרים: מערכות תעשייתיות משתמשות לעתים ברכיבים מספקים שונים, וכתוצאה מכך נוצר תמהיל של סוגי אותות שונים. מערכת DAQ צריכה לתמוך במגוון רחב של אופני אנקודרים כדי לבטל את הצורך בלוגיקת ממשק נוספת.
• חוסן עבור עמידות: סביבות תעשייתיות חושפות את האלקטרוניקה להפרעות אלקטרומגנטיות, רעידות וחום. יש להגדיר את חומרת DAQ לפעולה אמינה בתנאים אלה כדי למנוע כשלים במערכת.
• מידרגיות: מערכת DAQ צריכה להיות מודולרית כך שתאפשר למתכננים להרחיבה בקלות על ידי הוספת ערוצים נוספים או סוגי כניסה שונים. היא תומכת בשילוב של רובוטים, חיישנים וקווי ייצור חדשים ככל שהמפעל האוטומטי גדל.

עמידה במגוון דרישות זה מציבה אתגר תכנוני משמעותי. בעוד שמערכות DAQ רבות מתאימות היטב עבור איסוף נתונים למטרות כלליות, יישומים הכוללים תנועה מסונכרנת במהירות גבוהה דורשים חומרה מיוחדת.

מדידת מיקום ותזמון מתקדמת עבור מערכות בקרת תנועה

מודול המונה/טיימר אנקודר iDAQ-784‏ עם דיוק גבוה (איור 1) של Advantech תוכנן במיוחד כדי לעמוד בדרישות אלו. מודול זה כולל ארבעה ערוצי אנקודרים Bit‏-32‏ למטרות-כלליות התומכים במדידות מיקום ותזמון סינכרוניות במערכת תעשייתית. הוא תומך בתדר כניסה מקסימלי של MHz‏ 10‏ עבור תזמון מדויק של אותות אנקודר.

איור 1: מודול מונה/טיימר אנקודר iDAQ-784 מאפשר איסוף נתונים בו-זמני על פני ארבעה ערוצי Bit‏-32‏ עבור יישומי תנועה תעשייתיים מורכבים. (מקור התמונה: Advantech)

סינון אותות דיגיטלי מובנה מסייע ל-iDAQ-784 לספק בהירות אות משופרת ודיוק מדידה. זה מאפשר אפיון מערכות בדיוק גבוה עבור יישומי אוטומציה מתקדמים כגון רובוטיקה תעשייתית, בקרת תנועה ומערכות מסועים במהירות גבוהה.

אופני כניסה, מדידה ויציאה של אנקודרים

ה-iDAQ-784 תומך במגוון של סוגי אותות כניסה ואופני מדידה, ומתאים לדרישות בקרת תנועה תעשייתיות מגוונות. כל אחד מארבעת ערוצי המונה מקבל כניסות קצה-יחיד (Single-Ended‏) ודיפרנציאליות, עם תחום אופן-משותף של 15‏± וולט DC‏ (VDC‏). המודול תומך בשלושה סוגי אנקודרים סטנדרטיים-בתעשייה עבור מדידת מיקום:

• קוואדראטורי (פאזות A/B): שני ערוצים שלא-בפאזה (A ו-B) משמשים עבור קביעת מיקום וכיוון. הקידוד הספציפי (X2, X1 או X4) קובע את הרזולוציה על ידי ספירת הקצוות העולים ו/או היורדים, כאשר X4 מעניק רזולוציה של פי ארבעה מזו של X1.
• שני פולסים (CW/CCW): קווי כניסה נפרדים משמשים עבור פולסים עם-כיוון-השעון (CW) ונגד-כיוון-השעון (CCW). המונה מעלה את מספר פולסי CW ומוריד את מספר פולסי CCW.
• כיוון הפולס (פולס מסומן): אות אחד משמש עבור הפולסים, והאות השני מציין את הכיוון. המונה מעלה או מוריד בהתאם למצב אות הכיוון.

כל כניסת אנקודר יכולה להיות מחווטת כקצה-יחיד (Single-Ended‏) או דיפרנציאלית, וכניסת אות Z היא עבור איפוס מיקום. כל ערוץ מונה תומך גם במספר אופנים פונקציונליים עבור תזמון ויצירת פולסים:

• ספירת אירועים: סופרת קצוות עולים או יורדים של אות הכניסה, אופציונלית מגודרת (Gated‏)
• מדידת תדר: מודדת את תדר האות באמצעות שיטות היפוך מחזורי או ספירת פולסים
• מדידת רוחב פולס: מודדת את משך המצבים גבוה ונמוך של אות דיגיטלי
• מדידת מיקום: עוקבת אחר מיקום האנקודר באמצעות אופני הכניסה הנתמכים לעיל
• המשך השוואה (השוואת מיקום): מפעילה פולס יציאה או פסק (Interrupt‏) כאשר מגיעים לסף המיקום
• חד פעמי (יצירת פולס מושהה): מוציאה פולס בודד לאחר טריגר שער ושיהוי מוגדר
• יצירת טיימר/פולס: מוציאה רכבת פולסים רציפה עם תמיכה בפסקים (Interrupt‏)
• אפנון רוחב פולס (PWM): מפיקה צורת-גל עם משכי זמן של מצבי גבוה ונמוך ניתנים-לתכנות; תומכת ביצירה סופית או רציפה

מגוון רחב זה של אופנים מבטיח תאימות עם ההתקנים השונים הנמצאים בדרך כלל במערכת תעשייתית.

מתוכנן עבור סביבות תעשייתיות

ה-iDAQ-784 והאקוסיסטם שמסביבו מתוכננים להעניק ביצועים אמינים בסביבות תעשייתיות תובעניות. המודול מדורג עבור תחום טמפרטורות פעולה רחב של 40°F- עד 158°F ולחות יחסית של עד 90% (ללא-קונדנסציה).

המודול מתוכנן גם להילחם ברעש האלקטרומגנטי הנמצא בדרך כלל בסביבות מפעלים; הוא כולל סינון אותות דיגיטלי מובנה לשיפור בהירות האות, וכל ערוץ תומך בכניסות אותות דיפרנציאליות עבור דחיית רעשי אופן-משותף (CM) מעולה.

פילוסופיית תכנון זו מתפרשת על התקני האקוסיסטם, הכוללים תכנים עמידים שנבנו לפי תקני מסילת DIN עבור התקנה מאובטחת בתוך ארונות תעשייתיים. שילוב זה של עמידות סביבתית, חסינות לרעש ואינטגרציה פיזית חסונה מאפשר אפיון מערכת בדיוק גבוה עבור יישומי אוטומציה מתקדמים.

בניית מערכת DAQ במהירות גבוהה ובדיוק גבוה

הצעד הראשון בבניית מערכת DAQ הוא חיבור פיזי של החיישנים. תהליך זה מתחיל על ידי חיבור מוליכי החיישן לבלוק הדקים. מודול הממשק ADAM-3937-BE‏ (איור 2) של Advantech‏ הוא פתרון מוכן עבור מטרה זו. בלוק זה בעל 37 מיקומים מיועד להרכבה על מסילת DIN ומידותיו 87.2 מ"מ × 112.5 מ"מ × 51 מ"מ לתמיכה באינטגרציה קלה עם תשתית תעשייתית סטנדרטית תואמת-DB37‏.

איור 2: לוח החיווט ADAM-3937-BE למסילת DIN מציג פתרון ממשק אוניברסלי עבור חומרה תואמת-DB37. (מקור התמונה: Advantech)

מבלוק הדקים זה ניתן לנתב אותות אל ה-iDAQ-784 באמצעות מכלל כבלים כגון ה-PCL-10137-1E‏ (איור 3). כבל D-sub זה, באורך 3.28 רגל ועם 37 פינים, כולל מהדקי בורג ראש מחורץ עבור חיבור חסון. המבנה בעל הסיכוך הכפול של רדיד אלומיניום/מיילר ונחושת קלועים תומך בתקינות האותות בסביבות רועשות אלקטרומגנטית, האופייניות ליישומי תנועה תעשייתיים. קיימות גם גרסות ארוכות יותר.

איור 3: מכלל הכבלים PCL-10137-1E כולל מחברי D-sub זכר בעלי 37 פינים עבור הממשק עם ה-iDAQ-784. (מקור התמונה: Advantech)

האקוסיסטם המודולרי של iDAQ‏ כולל מגוון רחב של מודולי I/O‏ ובלוקי הדקים ייעודיים, המאפשרים למתכננים לבנות מערכת DAQ עמידה ומידרגית המותאמת לדרישות הספציפיות שלהם.

כלי התוכנה של iDAQ

לאחר הרכבת החומרה, מערכת iDAQ מתוכנתת באמצעות ערכת פיתוח התוכנה DAQNavi‏ (איור 4), סביבת פיתוח חינמית. DAQNavi כוללת כלי עזר בשם Advantech Navigator, המאפשר למתכננים להגדיר ולבדוק את התפקוד של התקני iDAQ ללא כל תכנות. ניתן להשתמש בו גם עבור סימולציה של התקנים המאפשרת למתכננים לתכנת ולהפעיל יישומים ללא התקן DAQ פיזי עבור פיתוח מערכת גמיש.

איור 4: סביבת התוכנה החינמית DAQNavi משמשת עם מערכת iDAQ. (מקור התמונה: Advantech)

DAQNavi תומכת במערכות מארח המריצות מערכות הפעלה Windows‏ bit‏-32‏ ו-bit‏-64‏, כמו גם במספר גרסות Linux‏ פופולריות. מכיוון שפונקציות ה-API נשארות זהות בשתי הפלטפורמות, המעבר אינו דורש שינוי בתוכנית, תוך תמיכה באינטגרציה מובטחת-עתיד. DAQNavi תואם לשפות תכנות נפוצות רבות, כולל C#, C++, Visual Basic, Java, MATLAB ו-LabVIEW, כדי להקל על האימוץ על-ידי המשתמשים.

סיכום

תזמון וסינכרון מדויקים הם קריטיים עבור פעולות רובוטיות ותעשייתיות מתקדמות, ומאפשרים אופטימיזציה של תהליכים תוך מקסום זמינות הציוד ויעילות הייצור. מודול iDAQ-784 של Advantech, ביחד עם האקוסיסטם השלם של iDAQ, מציע פתרון עמיד ומידרגי כדי לעמוד בדרישות ביצועים עיליים אלו.