Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

ACOPOS – snadné řešení složitých aplikací

Automa 9/2000

Ing. Martin Koželka,
B&R automatizace spol. s r. o.

ACOPOS – snadné řešení složitých aplikací

ACOPOS (z řeckého termínu acopos – snadný) jsou digitální servozesilovače firmy Bernecker & Rainer, nabízející zcela v duchu celé rodiny produktů B&R vynikající užitné vlastnosti ve spojení se špičkovou technickou koncepcí. Protože byly vyvinuty poměrně nedávno, jsou schopny nabídnout řešení na bázi nejmodernějších vývojových trendů, ovšem doplněných, jak je u produktů této firmy již tradicí, o zcela nové prvky, jež určují budoucí směr vývoje celého oboru.

Obr. 1.

Součástí mnoha automatizačních úloh nejen z oblasti aplikací CNC je řízení jedné či více os. V reálném světě je tato problematika často úzce provázána s celkovým řízením strojů či technologií a vzniká zde prostor pro tvorbu aplikací nebo produktů integrujících obě oblasti. Požadavky na takovéto řízení jsou naprosto zřejmé – na jedné straně je to komfortní práce se zařízením typu PLC se všemi jeho výhodami (téměř libovolné řídicí algoritmy, rozsáhlá paměť, široké komunikační a vizualizační možnosti), naproti tomu precizní (nejlépe digitální) servopohon, vnášející do celého řešení vysokou dynamiku a přesnost. Toto řešení s sebou bohužel obvykle nese jednu komplikaci – a sice nutnost vyřešit kromě vlastních úloh (tzn. řídicí a polohové) také otázku přenosu informací a povelů z jedné části do druhé – komunikaci mezi PLC a servozesilovačem. Jestliže je integrace obou světů řešena v rámci aplikace, je téměř vždy zapotřebí zvolit kompromis – jsou--li pro přenos využity standardní analogové a binární signály, bude cenou za rychlé a jednoduché řešení pouze omezené využití možností pohonu, neboť je třeba spokojit se se signály, které jsou vyvedeny na svorky zařízení. O stupeň příznivější je řešení využívající komunikační možnosti servozesilovače – za předpokladu, že k dispozici je PLC umožňující tuto komunikaci provozovat. Stačí již jen dostatečně výkonný programátor a obvykle získáme relativně komfortní a komplexní přístup k možnostem servozesilovače, omezený pouze ochotou investovat do vývoje softwaru a také možnostmi daného protokolu a PLC. Stále zde ovšem zůstává problém dvou oddělených světů: dvoje prostředky (programy) pro uvádění do provozu, ladění a diagnostiku – a v praxi bohužel často i dvou dodavatelských firem.

Řešení těchto problémů se nabízí: sloučit tyto dva světy do jednoho. Otevřenou zůstává otázka, který by měl získat prioritu – zda vložit funkce PLC do servozesilovače, nebo vytvořit v rámci PLC servozesilovač.

Praxe ukazuje, že obě tyto cesty vedou k výrazným omezením. PLC v servozesilovači nemůže poskytnout dostatečný prostor pro komplexní aplikace a servozesilovač jako součást PLC s sebou nese omezení daná světem PLC. Ve výsledku by tato řešení opět vedla ke kompromisu. Jako nejvhodnější se tedy ukazuje zachovat standardní prvky – jak PLC, tak servozesilovače – se všemi jejich klady a vybudovat nad nimi dostatečně otevřený systém, který dokáže jejich vlastnosti dokonale využít bez nutnosti kompromisů. Toto je také cesta, kterou se ubírá firma Bernecker & Rainer se svými produkty – servozesilovači ACOPOS a softwarovým nástrojem B&R Automation Studio, resp. jeho součástí Motion Components. Co se pod těmito pojmy skrývá?

ACOPOS – Advanced Coordinated Optimized POSitioning
Digitální servozesilovače ACOPOS jsou určeny k řízení synchronních i asynchronních motorů s napájecím napětím 3 × 400 V v proudové, rychlostní i polohové smyčce. Jejich integrovanou součástí jsou brzdné rezistory i odrušovací filtr (EMC), samozřejmostí je možnost propojení stejnosměrných částí více servopohonů pomocí sběrnice DCbus, která umožňuje maximálně efektivní využití dodávané energie.

Výborné řídicí vlastnosti jsou zajištěny především použitím signálového procesoru (DSP) s rychlostí 128 Mflops, který poskytuje dostatečný výkon pro výpočet veškerých parametrů pohybu a v neposlední řadě také neustále sleduje zatížení výkonových částí servopohonu a podle něj řídí jeho funkci. Konkrétně to znamená, že na základě údajů z čidel teploty, umístěných na pěti různých místech (deska plošných spojů, kondenzátory, brzdný rezistor, IGBT a motor), je v reálném čase pořizován matematický teplotní model, na jehož základě je následně určeno skutečné výkonové zatížení jednotlivých částí. Proto je servozesilovač schopen ve špičkách dodávat relativně vysoké proudy (a tedy i výkony) bez nebezpečí vlastního poškození a bez omezení nějakou teoretickou maximální hodnotou, které by ve svém důsledku znamenalo omezení dynamiky celého pohybu.

Hlavním určením DSP je ovšem řízení připojeného motoru – v servozesilovači je realizována jak proudová (50 µs), tak i rychlostní (200 µs) a polohová (400 µs) smyčka.

Vlastní pohyb je řízen pomocí pulsně šířkové modulace napájecího napětí motorů se základní frekvencí 20 kHz, která zajišťuje přesnou realizaci vypočtených akčních zásahů.

Standardně jsou servozesilovače ACOPOS dodávány se synchronními bezkartáčovými motory osvědčené konstrukce, které mohou být v různém mechanickém provedení podle speciálních požadavků zákazníka. Obecně ovšem platí, že svými vlastnostmi plně vyhovují charakteristice výrobků B&R – tedy výborná kvalita a špičkové technické parametry, které vyniknou zvláště v aplikacích s velkými dynamickými nároky.

Zpětná vazba je obvykle uskutečněna pomocí snímačů polohy EnDat. Použití těchto snímačů, kombinujících principy absolutních a inkrementálních snímačů, zajišťuje při rozlišení přes 500 000 inkrementů na otáčku naprosto rovnoměrné a přesné řízení veškerých pohybů. Součástí těchto snímačů je i tzv. elektronický typový štítek, na kterém jsou zaznamenána data o použitém motoru, která umí servozesilovač ACOPOS využít. Odpadá tedy nutnost „seznámit“ servozesilovač s parametry připojeného motoru. Kromě snímače EnDat je možné využít resolver i běžný inkrementální nebo absolutní snímač polohy (tyto jsou určeny i pro snímání cizí, neřízené osy).

Obr. 1.

Motion Components
Ze softwarového hlediska jsou servozesilovače ACOPOS zcela integrovány do světa řídicích systémů B&R. Pro nastavování, ladění, diagnostiku i tvorbu složitějších polohových aplikací slouží jednotné prostředí B&R Automation Studio. Motion Components je softwarový balík, jehož zásluhou se servozesilovače ACOPOS stávají nedílnou součástí celé řídicí aplikace. Komunikace mezi řídicím systémem a servopohonem je zajišťována operačním systémem a vlastní řízená osa vystupuje v aplikaci jako datová struktura, jejíž jednotlivé položky přesně popisují vlastnosti osy – od vstupních a výstupních signálů, přes nastavení vnitřních regulátorů až po okamžité hodnoty veškerých známých veličin (požadované i skutečné okamžité proudy, rychlosti, zrychlení, polohy, odchylky, teploty atd.), včetně možnosti využít vzdálený servopohon pro lokální jednoduché logické řízení s vlastními technologickými vstupy a výstupy. Samozřejmostí je i přístup do tzv. logbooku, ve kterém jsou zaznamenávány veškeré významné události, nebo možnost přímého výpisu jednotlivých komunikačních telegramů. Za běžných okolností ovšem projektant či programátor vůbec netuší, co se na komunikační lince děje, protože jediné, co musí korektně obsloužit, je nastavení identifikátoru pohonů a řídicího systému v rámci sítě B&R Automation Net. Vše ostatní už řeší operační systém sám. Tvorba aplikace kombinující PLC se servopohony potom není žádným problémem – polohová aplikace se stává pouze variantou aplikace řídicí, kdy jsou nad datovými strukturami konkrétní osy (či v případě víceosého řízení v systému os) vykonávány potřebné funkce, přičemž s veškerými parametry a výsledky jednotlivých akcí se pracuje jako s kterýmikoliv jinými proměnnými.

Zcela samostatnou kategorií je víceosé řízení. Zde nabízí B&R Automation Studio komfort grafických editorů pro definice závislostí trajektorií os typu master-slave včetně integrovaných technologických funkcí typu elektronické převodovky, letmé pily, spínací vačky (indexového řízení), polohové vačky, spřažení os do systému CNC nebo využití kompenzační převodovky pro přechod mezi jednotlivými částmi definované trajektorie. Jde-li o aplikaci, kdy není možné předem definovat závislosti mezi jednotlivými osami, stále zůstává možnost pracovat s celým víceosým systémem, kde osy tvoří objekty programu, a definovat závislosti os za běhu aplikace. Tak je možné vytvořit řešení i velmi komplikovaných záležitostí bez omezení daných běžnými systémy CNC, ovšem při zachování přesných polohovacích algoritmů.

Prostředí B&R Automation Studia zároveň nabízí možnost sledovat on-line práci pohonů pomocí elektronického osciloskopu (Data Tracer), jenž pracuje s daty vzorkovanými přímo servozesilovačem ACOPOS. Je to výkonný nástroj pro nastavování a diagnostiku pohonů. Na základě takto získaných průběhů je naladění patřičných pohybových parametrů dosti jednoduchou záležitostí, přičemž pro práci v tomto testovacím módu není třeba napsat jediný řádek programového kódu a pouze na základě vlastností produktů B&R (PLC, pohonů ACOPOS, sítě Automation Net a prostředí Automation Studia) je možné získat potřebné údaje, které se automaticky využijí v dané aplikaci. Odpadá tedy nutnost učit se obsluhovat nové programové prostředí – programátor využívající B&R Automation Studio při tvorbě aplikací PLC je schopen s minimální přípravou využít vlastnosti Motion Component a začít tvořit polohové aplikace, stejně jako vytvářet vizualizace nebo např. rozsáhlé sběry dat – zcela v duchu ústředního hesla B&R Automation Studia „One tool – many targets“.

Naproti tomu je třeba připomenout, že zkušený programátor nepochybně využije možnost programovat ve vyšších programovacích jazycích (ANSI C, B&R Automation Basic), dále víceúlohový operační systém řídicích systémů B&R 2000 a celkovou integraci všech produktů B&R do transparentního celku. Výsledkem může být posunutí možností řídicích aplikací opět o stupínek výše – a také postupné smazávání hranice mezi světem PLC a polohových aplikací.

B&R automatizace spol. s r. o.
Kalvodova 23
602 00 Brno
tel.: 05/43 23 60 46
fax: 05/43 23 60 47
e-mail: office@br-automation.cz
http://www.br-automation.com