Integrált, csúcsminőségű méréstechnikai megoldások

A gépgyártók folyamatosan törekszenek berendezéseik optimalizálására, a gépek rendelkezésre állásának javítására, és a termelésingadozások minimálisra csökkentésére. A kifinomult mérési képességek szabályozórendszerekbe történő integrálásával olyan új fejlesztési irányokat találhatunk, amelyek mentén a korábban leküzdhetetlennek tartott korlátokon felülemelkedhetünk. Az új, ELM314x Economy sorozatú EtherCAT mérőmodulokkal a gépek minden korábbinál szélesebb palettáján átívelő lehetőség nyílik az újításokra.

A gépek továbbfejlesztésével foglalkozó programozók és mérnökök gyakran ütköznek olyan technológiai akadályokba, amelyek gátolják a működési jellemzők további tökéletesítését. A probléma oka számos és sokféle – akár fizikai, akár elektromos is – lehet, és ezek általában egy adott gépfajtán belül, a gyártótól függetlenül mindenféle berendezést érintenek. A kérdés az, hogyan sikerül a géptervezőknek megbirkózniuk az előttük álló kihívásokkal. Egy zárt hurok berendezéseinek vezérléséhez vagy egy gép folyamatainak mélyebb áttekintéséhez kiváló hátteret nyújtanak a Beckhoff EtherCAT mérőmoduljai, mert ezek révén kifinomult méréstechnikai megoldások építhetők be közvetlenül a szabályozórendszerekbe.
Az integrált méréstechnika mind a gépgyártók, mind a felhasználók számára számos előnyt nyújt egy tesztelő- vagy termelőgép teljes életciklusa alatt. Néhány példát említve:

• az első üzembe helyezés, telepítés során végzett hibaelhárítás és a folyamat finomhangolása esetén;

• üzem közben: a működési szekvenciák és a termelési minőség felügyelete, a rezgésmérés, a teljesítményviszonyok felügyelete, az eredmények ellenőrzése és a karbantartás szükségességének előrejelzése esetén;

• karbantartás során annak ellenőrzésekor, hogy az elvégzett munkával sikerült-e elérni a kitűzött célt.

A felsorolt esetekben a méréstechnikai megoldások hozzáadott értéket képviselnek, mert a körültekintően megtervezett mérések bepillantást engednek a gépek belső működésébe. Ahhoz, hogy ez sikeres legyen, már a gépkoncepció tervezési folyamatának első pillanatától kezdve számításba kell venni a megfelelő mérési alkalmazásokat mert, ha nem építettek be érzékelőket, amelyekkel egy adott paraméter akár közvetlenül, akár közvetve megfigyelhető, akkor nem is lehet méréseket végezni. Csak az adott folyamatot behatóan ismerő felhasználók hozhatnak megalapozott döntéseket arról, hogy egy adott cél elérése érdekében van-e értelme egy gépen belül méréseket végezni. Mindezek tükrében, újszerű méréstípusok beiktatásával meglepő, új felfedezéseket is tehetünk, amelyek révén a folyamatokat tovább optimalizálhatjuk.

1. ábra  A kiváló ár-érték arányú, akár 1 kHz-es mintavételi sebességű, Economy sorozatú EtherCAT mérőmoduloknak köszönhetően tovább bővül a Beckhoff csúcsminőségű méréstechnikai megoldásaival támogatott alkalmazások köre

Az Economy sorozatú modulok számos alkalmazás előtt nyitnak utat

Az 1 kHz mintavételi sebességű Economy sorozatú EtherCAT ELM méréstechnikai modulok a Beckhoff által bevezetett integrált méréstechnikai megoldások második kategóriáját jelentik. Az előzőleg forgalomba hozott, alapképességű ELM3x0x sorozat mintavételi sebessége 10 és 50 kHz közötti lehetett csatornánként, pontossága pedig 100 ppm volt; ezt a sorozatot kifejezetten dinamikus mérések – gyors mozgássorozatok, terhelésváltások vagy próbapadokon és vizsgálóberendezéseken gyakran alkalmazott változtatások – támogatására tervezték. Ugyanezen terminálokkal remek betekintést kaphatunk a nagy sebességű termelőgépek folyamataiba is.
Számos gyártási műveletnél azonban nincs szükség ilyen gyors mintavételi sebességekre, ezért fejlesztették ki a csatornánként 1 kHz mintavételi sebességű, új ELM314x Economy sorozatot. Tökéletesen illeszkedik a mechanikus gépek mozgássorozataihoz, ugyanakkor pontosan azokkal a képességekkel bír, és pontosan ugyanúgy működik együtt a TwinCAT szoftverrel, mint az előző sorozat. Ráadásul kompatibilitási probléma sem merül fel. Ezért, ha például egy gép lényegesen gyorsabbá válna a későbbiekben, az EtherCAT mérőmodulok minimális energiabefektetéssel, egyszerűen kicserélhetők gyorsabbakra, és ugyanúgy folytatódhat a mérés.
Az új ELM314x Economy sorozatú egységek jelenleg 2, 4, 6 és 8 csatornás változatban érhetők el. A modulokkal precíz, akár 100 ppm pontosságú mérések is végezhetők széles hőmérséklet-tartományban, alacsony csatornánkénti költség mellett. A terminálok alkalmasak analóg jelek feldolgozására is ±1,25 és ±10 V közötti, 0 V és 10 V közötti, valamint ±20 mA-es, illetve 0/4 és 20 mA közötti tartományban.

2. ábra  Jelenleg négy ELM314x sorozatú méréstechnikai modul kapható – 2, 4, 6 vagy 8 csatornás változatban, amelyek feszültség- vagy áramerősség-mérésre állíthatók be

Diagnosztikai funkciókkal felvértezett méréstechnikai modulok

Minden felhasználó számára kulcsfontosságú, hogy a mérési jellemzők felügyelhetők és diagnosztikai szempontból elemezhetők legyenek. Ez nemcsak a folyamatos üzemű gépekre érvényes, hanem a hétvégén működő próbapadokra és a rövid idejű tesztelési feladatokra is. A kábeltörés, a rövidzárlat, a túlmelegedés vagy a tápellátás megszakadása csak néhány példa azokra a problémákra, amelyek a legjobb esetben csak megakasztják a mérési folyamatot, a legrosszabb esetben pedig téves eredményekhez vezetnek anélkül, hogy azt a felhasználó észrevenné. Ezért a felhasználói felügyelet nélkül, mélyen a termelőgépben végzett mérések esetén az első pillanattól kezdve tudni kell előre jelezni az ilyen hibákat, és megbízhatóan jelenteni kell azokat még abban az esetben is, ha hibátlan mérési eredmények már nem is nyerhetők ki a berendezésből.
A Beckhoff EtherCAT mérőmoduljait éppen erre tervezték: a terminálok firmware-ének és hardvereinek jelentős részét az önellenőrző képesség teszi ki. A felhasználók mindezek következtében nyugodtan feltételezhetik, hogy a modulok érzékelik és jelentik a gyakran előforduló hibákat, és mindig kizárólag megbízható mérési eredményeket továbbítanak a szabályozórendszer felé.

Az EtherCAT lehetőségeinek teljes kiaknázása

A gyors, nagy pontosságú méréstechnikai modulokkal is kihasználhatók az EtherCAT rendszer terepi körülmények között is bevált képességei, amelyek kiválóan illeszkednek az ipari mérőrendszerekhez:

• a 100 Mbit/s-os átviteli sebesség több száz, egyenként 10 kHz-es mintavételi sebességű analóg csatorna kiszolgálásához elegendő;

• az elosztott órajeles rendszer számos csatorna és terminál adatainak egyidejű, szinkronizált begyűjtését teszi lehetővé, nagy távolságokon, akár ±100 ns pontossággal;

• az EtherCAT slave modulok CoE interfészen keresztül történő, jól bevált, egységes paraméterezése, valamint az adatok PDO struktúrával való átvitele nem újdonság a felhasználók előtt.

3. ábra  Az EtherCAT mérőmodulok – így többek között az új ELM314x Economy sorozat – segítségével fennakadásmentesen integrálhatók csúcsminőségű méréstechnikai megoldások a vezérlőrendszerekbe

Mivel még nagy méretű üzemek esetében is mindig PC-alapú vezérléstechnikát használtak az EtherCAT-rendszer kiépítéséhez, a Beckhoff kínálatában nemcsak mérőterminálok és a TwinCAT funkciók megvalósításához szükséges eszközök találhatók, hanem számos, a teljes mérési láncra kiterjedő EtherCAT infrastrukturális elem is. Ez utóbbiba a következők tartoznak: nagy elektromágneses terhelésnek kitett környezetbe szánt optikai átviteli berendezések, például csatolók és száloptikai média-konverterek; a CU2508 sorozatú portsok-szorozók, EtherCAT adatfolyamok 100 Mbit/s-nál nagyobb átviteli sebességet igénylő, párhuzamos továbbításához; továbbá rugalmas topológiákat és általában a hibatűrő, tartalékolt EtherCAT-kábelezést támogató, azonosító kapcsolókkal rendelkező csatolók.

Méréstechnika és szimuláció

Számos területen számítógépes szimuláció segítségével sok ötletet előre kipróbálnak, mert így később lerövidíthető a tesztelési idő és mérsékelhető az erőráfordítás, illetve a költségek. Noha ez a módszer mindig hasznos, kifejezetten azon összetett rendszerek esetében célravezető, amelyeket nem lehet előre mélyrehatóan tesztelni. Az utóbbiak vonatkozásában előfordulhat, hogy kizárólag a szimuláció segítségével lehet rálelni a megfelelő megoldásra. A szimuláció segítségével beazonosíthatók az érzékelők elhelyezésére leginkább megfelelő pontok egy gépen belül, vagy éppen kimutatható, hogy bizonyos érzékelőkre nincs is szükség, ha az általuk kinyert információkat más – esetleg közvetett – eszközök is biztosítani tudják.
Ez úgy hangozhat, mintha a méréstechnika hosszú távon feleslegessé válhatna. Kétségtelen, hogy a szimulációk számos, többször módosított kezdeti feltétel mellett lefuttathatók, amivel sok idő megspórolható. Az azonban nem változik, hogy minden alkalmazást időről időre valós körülmények között is tesztelni kell.
A szimulációs modelleket újra és újra össze kell hasonlítani a szimulált gép tényleges viselkedésével. Magából a gépből kinyert, a tényleges időzítésekre és mennyiségekre vonatkozó, pontos mérési adatok nélkülözhetetlenek. Ha nem lenne ez a visszacsatolás, a modell fejlesztése elszigetelten történne, és minden lefuttatott szimuláció valószerűtlen eredményeket hozna. A kiváló minőségű, beépített mérési technológiának köszönhetően folyamatosan áramlik az információ a gépektől, a különböző mérési csatornák pedig – helyes beállítás esetén – pontosan azokat a szabályozási adatokat biztosítják, amelyekre a szimulációs modell finomításához szükség van.
A kiváló minőségű mérési adatok egy másik, teljesen különböző alkalmazási területen is kritikusak, ahol egy virtuális és a való világ adatai összekapcsolódnak: ez a környezetszimulációs („hardware-in-the-loop” – HIL) tesztelés. Itt a tesztek és a mérések egyazon eszközön futnak, az összegyűjtött adatokat pedig valós időben visszacsatolják egy tesztmodellbe. Nem megfelelő eredmények, dinamikus pontatlanságok vagy eltérések esetén a tesztelés nem futtatható. Számos termelőgépen futtatnak ilyen típusú HIL teszteket, ami megköveteli, hogy a méréseket valós termelési körülmények között, rövid ciklusidőkkel végezzék. Ezek klasszikus, nagy sebességű mérési feladatok, amelyek esetében a pontosság rendkívül fontos, és a Beckhoff egyre gyakrabban szereli fel a tesztelőkörnyezeteket – kifejezetten ezzel a céllal – EtherCAT mérőmodulokkal.

4. ábra  Martin Podrouschek – terepibusz-rendszerekért felelős termékmenedzser, Beckhoff Automation

Következtetés

Jelenleg nagy hangsúlyt fektetünk arra, hogy a különböző típusú gépeket méréstechnikai megoldásokkal szereljük fel.
A jövőben ez a hangsúly eltolódhat, mert a gépi képalkotó rendszerek és az érzékelőtechnika fejlődése alkalmat teremt arra, hogy új megoldásokkal reagáljunk az új követelményekre. A folyamatos mérés bizonyos formában azonban mindig része marad a folyamatnak. A Beckhoff EtherCAT mérőmoduljai általában véve is, de az új ELM314x Economy sorozat különösképpen olyan értékes egységcsoportot képvisel az elektromos méréstechnika területén, ami kiválóan szolgálja az említett célokat. A TwinCAT szoftver gépi képalkotó technológiával való bővítése következtében az optikai mérés jelentősége is egyre nő, a Beckhoff pedig továbbra is a fejlett és kifinomult gépekhez szükséges egységek fontos beszállítója marad, hozzájárulva mind a gyártógépek, mind a végfelhasználók folyamatai időtállóságának biztosításához.

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 9940
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.beckhoff.hu

Még több Beckhoff