Ethernet Powerlink na vytlačovacím stroji Eaglematic

Ethernet Powerlink na vytlačovacím stroji Eaglematic

Automobilový průmysl ve Spojených státech je v současné době postaven před problém rostoucích cen surovin a zvyšujících se nákladů na práci. To, spolu s celkovým útlumem výdajů za automobily v Americe, s sebou nese požadavky na efektivní využití strojních zařízení, které by dodavatelům umožnilo vyrábět kvalitní díly a současně snížilo celkové výrobní náklady. Jeden z předních subdodavatelů v této oblasti se proto rozhodl zakoupit novou speciální vytlačovací linku, která by zaručila vyšší výrobní kapacitu a zároveň snížila množství odpadového materiálu. Společnost Eagle Manufacturing Corporation pro něj tedy vyvinula zde popisované zařízení.

Obr. 1. Vytlačovací lis na výrobu profilových těsnění pro automobilový průmysl

Společnost Eagle Manufacturing Corporation (dále EMC), mající své sídlo v Shellby Townshipu (USA), je známa v oblasti návrhu a výroby vytlačovacích linek (vytlačovacích lisů – extrudérů a návazných zařízení: vytahovacích strojů, stříhacích a nastřihovacích lisů, děrovaček, pil atd.) na hliníkové, pryžové a plastové profily nejen pro automobilový, ale i stavební, lékařský, letecký nebo spotřební průmysl.

Dřívější řešení obdobných komplexních problémů většinou spočívalo v kombinaci zařízení od několika různých výrobců. Nicméně nastala doba, aby EMC začala hledat novou architekturu řízení, která by byla schopna nabídnout vyhovující řešení pro novou linku s 22 pohonnými jednotkami. Vzhledem ke skutečnosti, že takový počet pohonů dosud nebyl u podobných zařízení použit, jde ze strany Eagle Manufacturing Corporation o značně novátorský postup.

Jak již bylo zmíněno, byl nově vyvinutý stroj Eaglematic^TM (obr. 1) navržen a postaven pro významného zákazníka, který je výrobcem speciálních kompozitních těsnicích lišt pro automobilová okna. Stroj má čtyři výrobní stanice, které mohou být nezávisle na sobě přemístěny bez omezení práce výrobní linky (do pěti sekund) tak, aby vyhovovaly požadavkům na právě vyráběný díl. Okamžitá změna výroby nevyžaduje odstavení linky, a dokonce ani vynucenou prodlevu částí linky předcházejících zařízení Eaglematic. Celé zařízení je v současnosti největším strojem využívajícím komunikaci pomocí protokolu Ethernet Powerlink na americkém trhu.

Obr. 2. Architektura řízení pohybu; a) centralizovaná, b) decentralizovaná

Vlastník společnosti Eagle Manufacturing Corporation a konstruktér strojů Eaglematic Brent Short o tomto zařízení řekl: „Tento jediný stroj umožňuje kombinovat šest různých nástrojů do jediné sestavy. Na žádost řídicího systému je zvolený nástroj automaticky přesunut na požadované místo. Nástroje jsou přesouvány za použití kombinace 22 různých servomechanismů za běhu systému bez jakéhokoliv přerušení přísunu materiálu na výrobní lince.„

Vliv architektury řízení na výkon, cenu a dobu vývoje

Společnost Eagle Manufacturing Corporation byla postavena před výzvu realizovat zařízení s 22 pohonnými jednotkami a výrobní kapacitou 15,24 m přesného profilového výlisku za minutu. Bylo nutné dosáhnout doby trvání komunikačního cyklu do 400 µs. Proto bylo zapotřebí zajistit rychlou a deterministickou páteřní komunikaci a zvolit takovou architekturu, která je schopna zaručit vysoce přesné řízení pohybu. Některé možné způsoby řízení pohybu a možnosti jejich použití na zařízení s 22 osami jsou ohodnoceny v následujících odstavcích.

Architektura řízení pohybu

Centralizované řízení pohybu
Problém koordinovat 22 pohonných jednotek je u centralizovaného řízení pohybu řešen regulátorem pohybu, integrovaným do hlavního řídicího systému (obr. 2a). Údaj o aktuální poloze motoru se přenáší z pohonu do regulátoru, kde je na jeho základě vypočtena nová žádaná pozice pohonu. Existují dva typy centralizovaných regulátorů pohybu:

• Regulátory pohybu s rychlostní vazbou mezi regulátorem a pohonem. Pro zjištění aktuální rychlosti motoru je nutné v regulátoru diferencovat příchozí signál o poloze motoru. Smyčka regulující polohu je uzavřena uvnitř regulátoru. Na pohon zbývá pouze řízení proudu a rychlosti motoru. Regulátor pohybu sděluje žádanou rychlost každému z pohonů a přijímá od nich zpětnovazební signál o poloze.

• Regulátory pohybu s polohovou vazbou mezi regulátorem a pohonem. Polohová a rychlostní řídicí smyčka jsou obě uzavřeny uvnitř pohonu. Regulátor pohybu koordinuje všechny pohonné jednotky a vysílá k nim signály o žádané poloze.

Decentralizované řízení pohybu
V rámci systému decentralizovaného řízení pohybu není použit žádný centralizovaný prvek řídící pohyb. Úloha centralizovaného regulátoru je rozdělena a přenechána jednotlivým pohonným jednotkám. Žádané pozice tak nejsou pro každou jednotku počítány centralizovanou CPU, ale zvláštním regulátorem uvnitř každé pohonné jednotky, který výslednou žádanou polohu určí interně na základě žádané polohy hlavní osy, kterou získá po síti (obr. 2b).

Vyhodnocení

Dopad na dobu komunikačního cyklu
Délky cyklů se u proudové, rychlostní a polohové regulační smyčky takřka vždy liší. Typická délka cyklu se u proudové smyčky pohybuje mezi 50 až 100 µs, u rychlostní smyčky mezi 150 až 200 µs a u polohové smyčky mezi 300 až 500 µs. U systémů, kde jsou regulační smyčky uzavřeny uvnitř centralizovaného řídicího prvku, je nutné zajistit natolik rychlou komunikaci, aby pokryla dostatečnou šířku pásma pro přenos informace oběma směry. Proto musí centralizovaný řídicí systém disponovat až čtyřikrát rychlejším přenosem informace než výkonnostně srovnatelné celkově decentralizované řídicí systémy. Tato skutečnost má za následek i stále rostoucí nároky na digitální komunikační systémy, jakými jsou např. Sercos, Profibus a Devicenet. Ty sice v současnosti poskytují stále spolehlivější a úspornější rozhraní, nicméně délky komunikačních cyklů se u nich pohybují v oblasti několika milisekund. Stroj Eaglematic vyžaduje synchronizované aktualizace polohy nejdéle každých 400 µs, což je doba více než desetinásobně kratší, než je délka cyklu zmíněných sběrnic. Vzhledem k množství pohonných jednotek připojených k řídicímu prvku se k tomuto problému zároveň přidává zvýšený provoz na síti, neboť každá jednotka zasílá regulátoru stejné množství údajů a obratem by měla získat žádanou polohu.

Dopady na výkonnost CPU
Vyšší požadavky na šíři komunikačního pásma centralizovaných systémů logicky mají dopad na požadovanou výkonnost CPU regulátoru polohy. S nárůstem počtu pohonných jednotek v zařízení a množství uzavřených smyček je tak nutné zvyšovat i výkonnost CPU regulátoru.

Omezení centralizovaných regulátorů polohy
Zvýšené požadavky na výpočetní výkon a šíři komunikačního pásma jsou omezující podmínkou dosavadních centralizovaných regulátorů polohy dostupných na trhu. U většiny je počet pohonných jednotek, které lze ovládat jedním řídicím prvkem, omezen na osm nebo šestnáct. Čím více se počet ovládaných pohonů blíží tomuto omezení, tím delší je doba cyklu řídicích smyček; to vede ke skutečnosti, že výkonnost řízení silně závisí na počtu ovládaných jednotek. V prostředí, ve kterém jsou mechanické hřídele stále častěji nahrazovány elektronickými vačkami a rostoucí počet servomotorů přidává zařízením stále nové funkce, není již tato závislost přijatelná.

Výhody decentralizovaného řízení pohybu
Rozdělením a přesunutím úlohy koordinace z úrovně centrálního řídicího prvku do menších a rychlejších decentralizovaných úloh na úroveň jednotlivých pohonů lze dosáhnout zvýšení výkonnosti řídicího systému v důsledku snížení zatížení sítě i CPU. U zařízení Eaglematic, které tento koncept využívá, tak již není nutné každých 100 µs sdělit každému z pohonů nové žádané hodnoty rychlosti a zjistit od nich ve zpětné vazbě aktuální polohu. Po síti je každých 400 µs přenášena pouze žádaná poloha hlavních os. Tento přenos může být přijat souběžně každým uzlem sítě, a celkový ovladatelný počet pohonných jednotek proto nezávisí na výkonnosti CPU a šířce komunikačního pásma centrálního řídicího prvku. V dnešní době jsou již k dispozici rychlé a cenově dostupné procesory pro pohonné jednotky, které poskytují postačující výpočetní výkon k realizaci všech regulačních smyček a dalších funkcí decentralizovaného řízení polohy uvnitř pohonné jednotky. Jedinými omezeními jsou proto v tomto případě šířka přenosového pásma sítě a maximální počet uzlů, které lze k síti připojit.

Tab. 1. Srovnání architektur řízení pohybu

Deterministická komunikace v reálném čase

Ethernet při řízení pohybu
Ethernet je, se svými možnostmi síťové komunikace mezi rovnocennými zařízeními z pohledu sítě a šířkou přenosového pásma 100 Mb/s, ideálním médiem pro přenos větších informačních toků v krátkých časových úsecích. Zároveň jsou na trhu za přijatelnou cenu dostupné prostředky se standardním rozhraním pro komunikaci běžného hardwaru pomocí Ethernetu. Je zde však jedno omezení, které doposud činilo Ethernet v jeho standardní podobě nevhodným pro uvažované využití v oblasti řízení pohybu. Je jím zpoždění způsobené kolizemi: při detekci kolize na sběrnici totiž každý vysílající pošle svou zprávu znovu až po náhodně zvolené době. Vývoj v několika posledních letech umožnil implementovat vysoký stupeň determinismu (rozptyl časování sítě – jitter – kratší než 1µs) uplatněním mechanismů časového dělení v rámci ethernetového protokolu. To učinilo Ethernet použitelným pro komunikaci v reálném čase a vhodným i pro aplikace řízení pohybu. Ideálním řešením pro řízení 22 pohonných jednotek u stroje Eaglematic se ukázal být otevřený standard Ethernet Powerlink, vyvinutý společností B&R a nyní distribuovaný skupinou Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG), která je vedena Curyšskou univerzitou ve Winterthuru (ZHW).

Komunikační koncept Ethernet Powerlink
Ethernet Powerlink podporuje přenos dat oběma základními způsoby – asynchronně i synchronně. Asynchronním kanálem jsou přenášeny informace, které nejsou kritické z hlediska komunikace v reálném čase, jakými mohou být třeba data na bázi protokolu IP (např. videozáznam). Asynchronní přenos může být použit i pro nahrávání a stahování údajů z jednotlivých pohonných jednotek (např. nahrávání firmwaru do jednotky, popř. stažení záznamů o činnosti). Synchronní kanál se skládá z časových úseků, které mohou být přiděleny jednotlivým uzlům sítě. U vytlačovacího lisu popisovaného v tomto článku bylo pomocí protokolu Ethernet Powerlink spojeno 22 uzlů (jeden uzel pro každou pohonnou jednotku). To by mělo vést k délce cyklu celé sítě 800 µs. Každá pohonná jednotka má k dispozici v rámci cyklu jeden časový úsek. V něm vyšle informaci směrem ke všem dalším jednotkám, které všechny naslouchají. Správce komunikace sítě, reprezentovaný v aplikaci průmyslovým počítačem Power Panel, řídí provoz na síti a přiděluje každé jednotce vysílací čas. Pro další zkrácení cyklu sítě bylo k jednomu časovému úseku přiděleno několik jednotek, které nevysílají z hlediska doby cyklu kritické informace o celkové žádané poloze. Jednotky, které se dělí o jeden časový úsek, se tak ve vysílaní postupně střídají, přičemž v rámci jednoho úseku přiděleného správcem komunikace vysílá vždy jen jedna jednotka (obr. 3). Tento způsob komunikace spolu s konceptem decentralizovaného řízení polohy umožňuje vyslat údaje o žádaných polohách až k 240 pohonným jednotkám během jediného cyklu sběrnice Ethernet Powerlink trvajícího 400 µs.

Obr. 3. Cyklus sběrnice Ethernet Powerlink na stroji Eaglematic

Integrovaná hardwarová architektura
Zařízení Eaglematic představuje unikátní a cenově výhodnou realizaci automatizační hardwarové architektury. Běžně dostupná automatizační řešení obvykle mají oddělené jednotky: ovládací panel jako rozhraní mezi uživatelem a zařízením (HMI), PLC, regulátory pohybu, komunikační médium. Každá část systému je ve vlastním krytu, má vlastní procesor, vlastní komunikační porty a vlastní programovací software. Pro toto zařízení bylo zvoleno jiné řešení: HMI, PLC a řízení komunikace jsou umístěny do jediného krytu operátorského panelu s jedním procesorem a jedním programovacím softwarem. Veškeré výpočetně náročné úlohy řízení pohybu, které dříve byly řešeny v centrálním řídicím systému, jsou nyní přesunuty do pohonných jednotek, a proto lze uskutečnit hardwarové řešení využívající jediný centrální procesor. Logické řízení a úkoly spojené s uživatelským rozhraním mohou být vykonávány při značně delších cyklech (např. úlohy logického řízení mohou využívat cyklus délky 4 ms a uživatelské rozhraní může být obslouženo během prostojů). Integrovaná hardwarová struktura tohoto operátorského panelu zároveň umožňuje ušetřit místo a čas tím, že nevyžaduje použití šesti komunikačních portů pro přenos signálu mezi HMI, PLC a regulátorem pohybu.

Operační systém s podporou multitaskingu pracující v reálném čase
Dalším prostředkem, kterým bylo dosaženo úspor v požadovaném výpočetním výkonu, je operační systém s podporou víceúlohového zpracování (multitaskingu), který spouští úlohy v různých předem daných třídách cyklů. Uživatelské rozhraní, popř. další úlohy s nízkou prioritou, běží v pomalejších cyklech, což otevírá prostor pro využití výpočetního výkonu úlohami, které vyžadují co nejkratší dobu cyklu. Tímto způsobem lze realizovat deterministické, vysokorychlostní funkce a ve srovnání s klasickými jednoúlohovými operačními systémy zároveň i šetřit drahý výpočetní výkon CPU.

Synchronizace pohybu, úlohy PLC a komunikace
Využití deterministického operačního systému fungujícího v reálném čase umožňuje synchronizovat pohonné jednotky, komunikaci i vlastní řízení. Toho však lze dosáhnout pouze za podmínky velice přesného určení doby (v řádu mikrosekund), která je zapotřebí k tomu, aby byla informace přenesena po síti ke svému cíli a zde zpracována. Pro úspěšnou synchronizaci je dále nutné, aby byly délky dob různých systémových cyklů převedeny v operačním systému na násobky nejkratšího systémového cyklu. V případě zde uvažovaného zařízení je základním časovým úsekem doba 400 µs, tedy doba trvání polohové regulační smyčky. Jednou z úloh operačního systému je vzájemně synchronizovat různé doby cyklů, přičemž za synchronizační hodinový signál slouží začátek této nejkratší smyčky. Takovéto řešení zaručuje optimální přesnost pohybu, protože veškeré informace jsou sbírány i zpracovávány bez prostojů.

Integrovaná softwarová architektura
Architektura operačního systému, která byla zvolena pro tento projekt, v sobě coby jediném programovacím nástroji zahrnuje vizualizaci, logické řízení, řízení pohybu a komunikaci. V rámci celého systému je použita jediná transparentní databáze proměnných. Tím je programátorovi aplikací umožněno využít při řešení úloh logického řízení veškeré dostupné parametry pohonných jednotek (např. teploty IGBT uvnitř jednotky), a na zařízení proto lze realizovat i některé funkce, které dříve nebyly dostupné. Jako příklad lze uvést automatické řešení konfliktů kompatibility softwaru a s tím související možnost jednoduché a rychlé výměny pohonných jednotek. Firmware pro pohonné jednotky je nyní uložen v centrální paměti operátorského panelu a v případě, že je nutné tuto jednotku vyměnit, je vlastní výměna motoru jediným krokem, který je třeba v provozu učinit. Bez ohledu na typ verze firmwaru, který je instalován v nové jednotce, CPU zkontroluje jeho kompatibilitu a v případě potřeby může do pohonné jednotky nahrát příslušný firmware sám.

Závěr

S využitím výhod decentralizovaného řízení pohybu a komunikačního protokolu Ethernet Powerlink vyrobila firma Eagle Manufacturing zařízení, které je schopno dosahovat vysoké přesnosti, a to i přes velký počet pohonných jednotek, které bylo nutné v rámci tohoto systému řídit. Podstatných úspor bylo dosaženo eliminací počtu potřebných centralizovaných regulátorů pohybu.

Dalšího snížení nákladů bylo docíleno použitím průmyslového počítače B&R Power Panel ve funkci operátorského panelu, který obsáhl nejen vizualizaci a řízení, ale také koordinaci pohybu, logické řízení a řízení komunikace. Tato integrace funkcí do jednoho zařízení měla zásadní vliv na zkrácení doby od začátku programování zařízení do jeho uvedení do provozu o několik týdnů. Použití integrovaného hardwarového, softwarového a komunikačního konceptu B&R umožnilo výrobci stroje snížit předchozí odhadovanou cenu řízení o 30 % oproti konvenčnímu systému tvořenému samostatným panelem uživatelského rozhraní, PLC a regulátorem pohybu. Nově navržené zařízení umožňuje koncovému uživateli z oblasti automobilového průmyslu nejen vyrábět kvalitnější díly, ale zároveň i snížit provozní náklady redukcí množství odpadního materiálu, doby nastavení a prostojů a dosáhnout zvýšení celkové flexibility výrobní linky.

Markus Sandhoefner,
B&R Industrial Automation.
Překlad (pb)

B+R automatizace, spol. s r. o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel.: 541 420 311
fax: 541 420 326
e-mail: office.cz@br-automation.com
http://www.br-automation.com