Aktuální vydání

celé číslo

08

2018

MSV 2018 v Brně

celé číslo

Přehled trhu: moduly pro řízení polohy a pohybu

Úlohy řízení polohy a pohybu (v anglické terminologii označované jako Motion Control, MC) jsou frekventovanými úlohami v průmyslové praxi. Důvodem je rozvoj oboru mechatroniky. Na tyto úlohy se specializují řídicí systémy typu CNC (Computerized Numerical Control, číslicové řízení s počítačem). Jednodušší úlohy však řeší i programovatelné automaty (PLC), nejčastěji s využitím přídavných modulů. Moduly MC obvykle nabízejí všichni významní výrobci PLC, a to v mnoha provedeních. Existují i moduly MC pro samostatné autonomní řízení. Sortiment modulů MC je rozsáhlý. Cílem přehledu trhu uváděného v tomto čísle časopisu Automa je poskytnout alespoň jejich všeobecný přehled.

 

Řídicí systémy CNC a obráběcí stroje

Řídicí systémy typu CNC jsou prioritně určeny pro komplexní řízení obráběcích strojů. Používají se i k řízení tvářecích a dělicích strojů (např. vysekávacích lisů, pil a nůžek, strojů pro řezání plamenem, plazmovým, laserovým nebo vodním paprskem), robotů a manipulátorů. Kromě samotného řízení polohy, dráhy a rychlosti pohybu řídí i technologické operace na stroji, např. pohyb vřeten (směr, rychlost otáčení a způsob zastavení), rychlost posuvů v osách, typ interpolace, výměnu nástroje a obrobku apod. V systémech CNC lze obvykle rozpoznat geometrický a logický podsystém a mnohdy je v nich přímo zabudován programovatelný automat (podsystém PLC). Program obrábění (program dílce, tzv. partprogram) obsahuje příkazy pro oba typy operací. Lze jej vytvářet, prohlížet a upravovat (editovat) přímo u stroje z obslužného panelu systému CNC. Ten umožňuje obsluhovat systém CNC, ručně řídit stroj a obvykle i vytvořit program při ručním obrobení vzorového dílce. Často má velmi komfortní zobrazení grafiky pohybu při reálném řízení nebo při simulovaném obrábění. Simulací obrábění lze kompletně zkontrolovat program dílce a včas zabránit případným chybám a kolizím pohyblivých částí stroje. Obvyklejší než ruční programování z obslužného panelu je programování CNC z počítače s využitím velmi výkonných programových produktů typu CAD a CAM (Computer Aided Design, počítačem podporovaný návrh, Computer Aided Manufacturing, počítačem podporovaná výroba).
 

Programovatelné automaty a řízení polohy a pohybu

Ve strojírenské výrobě, při řízení strojů a mechatronických výrobků se často vyskytují úlohy řízení polohy a pohybu, pro něž je použití systému CNC zbytečně komplikované a neúnosně drahé. Úlohy geometrického typu bývají jen podmnožinou úloh, které řeší programovatelné automaty – ty již dávno nejsou systémy pro pouhé logické řízení a přívlastek „logický“ zůstává ve zkratce PLC (Programable Logic Controller) jen z tradice (pozn. red.: proto jsou někdy nově označovány jako PAC, Programmable Automation Controller). Obvykle disponují výkonným aparátem pro výpočetní operace, úlohy regulace a MC. Mnohdy jde o jednoduché úlohy měření polohy, natočení nebo čítání otáček. Lze se s nimi setkat při realizaci virtuálních snímačů polohy (tzv. softwarových spínačů). Jako náhrada dosavadních binárních snímačů na stroji (spínačů a snímačů přiblížení) slouží binární hodnoty získané vyhodnocením číselného údaje o poloze v PLC. Lze tak nahradit i vačkové mechanismy nebo řešit nespojité (pravoúhlé) řízení pohybu, např. při řízení výtahů, lanovek, jeřábů, manipulátorů a dalších jednoduchých mechanismů.
 
K měření polohy jsou nejčastěji využívány přírůstkové (inkrementální) snímače polohy v rotačním nebo lineárním provedení s obdélníkovými fázově posunutými výstupy. Mnohdy stačí jednoúčelové řešení, např. děrované kotouče, clonky, ozubené kotouče či hřebínky. Aby bylo možné rozlišit směr pohybu, je třeba ve snímači použít dvojici senzorů vzájemně posunutých o čtvrtinu rozteče. Vzácněji se používají absolutní snímače polohy (např. pro řízení výstředníkových lisů nebo při náhradě vačkových spínačů).
 
Při dostatečně pomalém pohybu nebo při hrubém rozlišení je frekvence pulzů ze snímačů natolik malá, že je lze vyhodnotit běžným uživatelským programem PLC. Pro vyšší frekvence nabízejí někteří výrobci PLC specializovaný firmware pro rozlišení směru pohybu a rychlé čítání pulzů. Často jsou využívány přídavné moduly rychlých čítačů.
 
V situacích, kdy nestačí nespojité řízení a kdy jsou k řízení pohybu využívány servopohony, jsou pro funkce MC obvykle používány specializované přídavné moduly. Bývají vybaveny vlastním měřením polohy a regulací pohonu v rychlostní a polohové vazbě s výstupem pro výkonovou část pohonu. Mohou řídit spojitý pohyb v jedné ose, častěji i v několika osách – obvykle nejenom řídí nezávislé pohyby jednotlivých os, ale i je vzájemně koordinují tak, aby se pohyb uskutečňoval po požadované dráze (běžně po úsecích přímek nebo kružnic) požadovanou obvodovou rychlostí. Vzácněji se používají jiné typy interpolace. Často je požadován závislý pohyb, kdy jedna osa je řídicí (master), ostatní jsou závislé (slave) a sledují pohyb řídicí osy – většinou s určitým převodovým poměrem. S takovými úlohami se lze setkat při obrábění závitů, elektronické náhradě převodovky, při řízení pil, letmých nůžek apod.
 

Standardy pro motion control

Při programování úloh řízení polohy a pohybu pro programovatelné automaty se často opakují obdobné sekvence. Aby nebylo nutné je vždy znovu opakovaně programovat, byly zobecněny jako typové úlohy, standardizovány a popsány v mezinárodní normě IEC 61131-3. Uplatnění této normy v praxi se věnuje sdružení PLCopen. Jeho technický výbor TC2 je zaměřen přímo na řízení polohy a pohybu. Pravidelně publikuje certifikované knihovny programových funkčních bloků pro specializované funkce, např. pro řízení pohonů v jednotlivých osách, koordinovaných pohybů ve skupině os atd. Vydává i doporučení pro uživatele a další dokumenty. Knihovny funkčních bloků pro MC jsou výrobci PLC často chápány jako vzor, který však bývá v PLC a vývojových systémech realizován jen z části, protože je podřízen možnostem PLC a použitých modulů MC.
 

Průvodce tabulkami přehledu trhu

Sortiment modulů MC nabízený významnými výrobci na českém trhu je rozsáhlý. Lze v něm rozlišit dva typy určení – přídavné moduly PLC daného typu a moduly pro samostatné použití bez nutnosti spolupráce s PLC. Pro porovnání vlastností a možností modulů byly jejich parametry umístěny do dvou tabulek, odděleně pro oba typy použití. Struktura tabulek a jejich záhlaví se ale liší jen minimálně – odlišuje je jen způsob použití. Z tabulek jsou patrné rozdílné přístupy jednotlivých výrobců PLC a různé koncepce řešení modulů MC. V některých parametrech se moduly výrazně liší, někde jsou obtížně souměřitelné – problémem mohly být i nejednoznačně formulované otázky nebo jejich nepřesné pochopení. Dále jsou proto uvedeny krátké komentáře k některým parametrům:
  • spojení s centrálním modulem PLC: převažuje komunikace prostřednictvím interní (firemní) sběrnice PLC, komunikace prostřednictvím standardní sběrnice je méně častá,
  • počet řízených os: z převahy nevelkých hodnot lze odhadnout, že funkce MC jsou vykonávány převážně uvnitř přídavných modulů, které komplexně řeší všechny obvyklé funkce – z výjimečně se vyskytujících velkých hodnot je možné usuzovat na jinou koncepci řešení funkcí MC (patrně i na nový trend), např. na řešení úloh MC uvnitř centrálního modulu nebo naopak v modulech řízení pohonů,
  • měření polohy (typ enkodéru, tvar pulzů): pojem enkodér nebyl autorem tabulky plně definován, proto byl někdy vnímán obecně jako snímač pohybu, někdy jako přírůstkový snímač (pozn. red.: v původním významu je encoder anglický výraz pro absolutní snímač polohy s binárními výstupy, kde je poloha „zakódována“ např. v Grayově kódu, v praxi se velmi často vyskytuje i spojení incremental encoder pro běžný inkrementální snímač polohy) – v přehledu převažuje použití přírůstkových (inkrementálních) snímačů s obdélníkovými nebo sinusovými výstupy (sinusové výstupy je možné v modulu MC dále interpolovat a zvýšit tak rozlišení snímače), vzácnější je použití absolutního snímače s binárním výstupem nebo rezolverů a selsynů, tj. indukčních snímačů se spojitým výstupem, nebo řízení bez zpětné vazby, obvyklé pro krokové motory,
  • připojení vstupních signálů: otázka byla formulována poměrně „mlhavě“ a takové jsou i odpovědi – převažuje přímé připojení signálů ze snímačů polohy s uvedením parametrů připojení (napěťové úrovně, frekvence), poměrně častá je možnost připojit snímač s použitím sériové sběrnice (obvykle SSI),
  • výstup pro připojení servopohonu: projevuje se zde variabilnost možného řešení výkonových členů pro ovládání servopohonů a jejich připojení – přímé spojení analogovým signálem, prostřednictvím číslicového údaje či sériové sběrnice,
  • výstup pro řízení jiného pohonu: jako alternativní pohon je nejčastěji uváděn krokový motor řízený pulzy,
  • typ interpolace, závislé pohyby: nejčastěji je uváděna lineární a kruhová interpolace a závislé pohyby, jiné typy jen výjimečně.
Zmíněné tabulky přehledu trhu mohou poskytnout jen všeobecný přehled o sortimentu a parametrech modulů MC. Nemohou dát zcela přesné informace – ty lze získat jen studiem dokumentace výrobce nebo konzultací se specialisty výrobce či dodavatele.

Ladislav Šmejkal