سیستمهای صنعتی مدرن مانند روباتیک و سیستمهای نوار نقاله خودکار برای بهینهسازی عملکرد، بهبود کارایی و دستیابی به تعمیر و نگهداری پیشبینیشده به دادههای همگام و سرعت بالا متکی هستند. با این حال، گرفتن و هماهنگ کردن داده های موقعیت و حرکت با دقت سطح میلی ثانیه یک چالش بزرگ است. سیستم های استاندارد اکتساب داده (DAQ) اغلب فاقد عملکرد تخصصی مورد نیاز برای اتصال بلادرنگ با رمزگذارها و تایمرها هستند که می تواند منجر به کاهش قابلیت اطمینان سیستم و گلوگاه های عملکرد شود.
این مقاله ابتدا الزامات مختلف مورد نیاز برای اندازه گیری سرعت بالا موقعیت و زمان در کاربردهای صنعتی سخت را به اختصار معرفی می کند. در ادامه، ماژول شمارشگر/تایمر انکودر Advantech معرفی میشود و حالتهای مختلف رمزگذار و چهار کانال پرسرعت این ماژول توضیح داده میشود که چگونه میتوان از آنها برای حل مشکلات همگامسازی پیچیده در برنامههای ربات و کنترل حرکت استفاده کرد. پیکربندیهای معمولی سیستم و ابزارهای نرمافزاری سازگار، مسیر پیادهسازی واضحی را برای یکپارچهسازی سیستم فراهم میکنند.
اهمیت کنترل دقیق حرکت و زمان در فرآیندهای صنعتی
سیستمهای صنعتی مدرن بر حرکات پیچیده و منظمی تکیه دارند که در آن توانایی هماهنگی بسیار مهم است. بیایید بازوی رباتیکی را در نظر بگیریم که اجزای یک تسمه نقاله متحرک را می گیرد. برای اینکه سیستم به طور عادی کار کند، حرکت بازوی رباتیک باید با سرعت و موقعیت نوار نقاله هماهنگ باشد. برای دستیابی به این هدف، لازم است اطلاعات از منابع دادهای متعدد با دقت سطح میلیثانیه گرفته شود و آنها هماهنگ شوند، که یک نیاز فنی بسیار چالش برانگیز است.
سیستم DAQ نقش اصلی را در حل این مشکل ایفا می کند. این سیستم دادههای رمزگذار را از موتور محرک نوار نقاله و مفاصل بازوی رباتیک میگیرد و این اندازهگیریها را در کانالهای متعدد همگامسازی میکند تا بهطور دقیق زمانبندی موارد رهگیری روی تسمه نقاله را محاسبه کند.
هنگام افزایش سرعت تسمه نقاله برای بهبود راندمان تولید، سیستم جمع آوری داده (DAQ) باید به سرعت از داده های موقعیت و زمان نمونه برداری کند تا از خطا جلوگیری کند. خوانش سنسور با تأخیر یا از دست رفتن ممکن است منجر به زمانبندی نادرست عملکرد اجزای مکانیکی شود و حتی باعث برخورد بین اجزای مکانیکی شود که منجر به خاموش شدن غیرمنتظره و کاهش بهرهوری میشود.
سیستم DAQ با دقت بالا از تعمیر و نگهداری پیش بینی نیز پشتیبانی می کند. به عنوان مثال، سرعت غیرعادی یا خطای موقعیت ممکن است نشان دهنده مشکلی باشد، مانند سایش یاتاقان یا لغزش تسمه. با تجزیه و تحلیل این سیگنال ها، طراحان می توانند خطاهای احتمالی را از قبل شناسایی کنند و از وقفه های عملیاتی جلوگیری کنند.
الزامات DAQ با سرعت بالا
برای برآوردن این الزامات کاربردی، سیستم های DAQ باید دارای ویژگی های عملکرد کلیدی زیر باشند:
نمونهبرداری با سرعت بالا و وضوح بالا: گرفتن حرکات ظریف، مانند تغییرات موقعیت سطح زیر میلیمتری، هم به نرخ نمونهبرداری بالا و هم به وضوح با دقت بالا نیاز دارد. نمونه برداری در محدوده مگاهرتز (MHz) تضمین می کند که هیچ رویداد مهمی حتی در محیط های با سرعت بالا از دست نمی رود.
نمونه برداری همزمان چند کاناله: به منظور هماهنگی عملکرد بازوی روباتیک و تسمه نقاله، لازم است که داده های موقعیت و زمان مربوطه آنها به طور همزمان گرفته شود، نه اینکه آنها به صورت متوالی ضبط شوند. تلاش برای مرتبط کردن جریانهای دادهای که بهطور متوالی گرفته میشوند ممکن است منجر به خطاهایی شود، مانند انتخاب مورد اشتباه روی تسمه نقاله یا گم کردن کامل آن مورد.
پشتیبانی از رمزگذار انعطافپذیر: سیستمهای صنعتی اغلب از قطعات تامینکنندههای مختلف استفاده میکنند که در نتیجه انواع سیگنال رمزگذار مختلط ایجاد میشود. برای جلوگیری از افزودن منطق رابط، سیستم DAQ باید از حالتهای رمزگذار متعدد پشتیبانی کند.
طراحی صنعتی: محیطهای صنعتی میتوانند دستگاههای الکترونیکی را در معرض شرایط سختی مانند تداخل الکترومغناطیسی، لرزش و دمای بالا قرار دهند. بنابراین، برای اطمینان از عملکرد سیستم و جلوگیری از خرابی سیستم، باید از سخت افزار DAQ مناسب استفاده شود.
مقیاس پذیری: سیستم های DAQ باید طراحی مدولار را اتخاذ کنند و به طراحان این امکان را می دهد که به راحتی سیستم را با افزودن کانال های بیشتر یا انواع ورودی های مختلف گسترش دهند. این بدان معنی است که حتی با ادامه گسترش امکانات اتوماسیون، ادغام رباتها، حسگرها و خطوط تولید جدید همچنان میتواند تضمین شود.
برای پاسخگویی به این طیف متنوع از نیازها، لازم است با چالش های طراحی قابل توجهی که با آن همراه است روبرو شوید. اگرچه بسیاری از DAQ برای جمعآوری دادههای عمومی بسیار مناسب هستند، معیارهای کاربردی مربوط به حرکت همزمان و سرعت بالا به سختافزار تخصصی نیاز دارند.
فناوری اندازه گیری موقعیت و زمان پیشرفته برای سیستم های کنترل حرکت
ماژول شمارنده/تایمر رمزگذار با دقت بالا iDAQ-784 (شکل 1) که توسط Advantech راه اندازی شده است، به طور خاص برای برآورده کردن این الزامات طراحی شده است. این ماژول چهار کانال رمزگذار 32 بیتی جهانی را ارائه می دهد که می تواند از اندازه گیری همزمان موقعیت و زمان در سیستم های صنعتی پشتیبانی کند. این ماژول از فرکانس های ورودی تا 10 مگاهرتز برای دستیابی به زمان بندی دقیق سیگنال های رمزگذار پشتیبانی می کند.
ماژول شمارنده/تایمر رمزگذار Advantech's iDAQ-784
شکل 1: ماژول شمارنده/تایمر رمزگذار iDAQ-784 از جمع آوری داده ها به طور همزمان در چهار کانال 32 بیتی پشتیبانی می کند و آن را برای برنامه های پیچیده کنترل حرکت صنعتی مناسب می کند. (منبع تصویر: Advantech)
عملکرد فیلتر داخلی سیگنال دیجیتال می تواند به iDAQ-784 کمک کند تا به انتقال سیگنال واضح تر و دقت اندازه گیری بالاتر دست یابد. این قابلیتهای مشخصسازی سطح سیستم با دقت بالا را برای کاربردهای اتوماسیون پیشرفته، مانند روباتهای صنعتی، سیستمهای کنترل حرکت، و سیستمهای نوار نقاله با سرعت بالا فراهم میکند.
حالت های ورودی، اندازه گیری و خروجی رمزگذار
IDAQ-784 از چندین نوع سیگنال ورودی و حالت های اندازه گیری برای برآوردن نیازهای مختلف کنترل حرکت صنعتی پشتیبانی می کند. هر کانال شمارنده از ورودی های تک سر و دیفرانسیل با محدوده ولتاژ حالت مشترک ± 15 VDC پشتیبانی می کند. این ماژول از سه رمزگذار استاندارد صنعتی برای اندازه گیری موقعیت پشتیبانی می کند:
متعامد (فاز A/B): با استفاده از دو کانال سیگنال (فاز A و فاز B) با اختلاف فاز 90 درجه، موقعیت و جهت به طور همزمان تعیین می شود. روش کدگذاری خاص (X1، X2، یا X4) وضوح را با شمارش تعداد لبههای بالارونده و/یا پایینآمده تعیین میکند، جایی که وضوح X4 چهار برابر X1 است.
پالس دوگانه (CW/CCW): پالس های جهت عقربه های ساعت (CW) و خلاف جهت عقربه های ساعت (CCW) از خطوط ورودی جداگانه استفاده می کنند. شمارنده تحت پالس CW افزایش می یابد و تحت پالس CCW کاهش می یابد.
جهت پالس (پالس علامت دار): یک سیگنال برای تولید یک پالس استفاده می شود، در حالی که سیگنال دیگر جهت را نشان می دهد. شمارنده بر اساس وضعیت سیگنال جهت افزایش یا کاهش می یابد.
هر ورودی رمزگذار میتواند از سیمکشی تک سر یا دیفرانسیل استفاده کند و یک ورودی سیگنال Z را برای تنظیم مجدد موقعیت ارائه کند. هر کانال شمارش از حالتهای عملکردی متعدد برای زمانبندی و تولید پالس نیز پشتیبانی میکند:
شمارش رویداد: لبه افزایش یا سقوط سیگنال ورودی را با عملکرد دروازهای اختیاری بشمارید.
اندازه گیری فرکانس: فرکانس سیگنال را با استفاده از روش چرخه معکوس یا روش شمارش پالس به دقت اندازه گیری کنید.
اندازه گیری عرض پالس: مدت زمان سطوح بالا و پایین سیگنال دیجیتال را اندازه گیری می کند.
اندازهگیری موقعیت: موقعیت رمزگذار را با استفاده از حالتهای ورودی پشتیبانیشده ذکر شده در بالا ردیابی کنید.
مقایسه مداوم (مقایسه موقعیت): وقتی به آستانه موقعیت رسید، یک پالس خروجی یا وقفه ایجاد می شود.
تک ماشه (تولید پالس تاخیری): پس از راه اندازی گیت و یک تاخیر مشخص، یک پالس واحد را خروجی دهید.
تایمر/تولید پالس: خروجی یک قطار پالس پیوسته با عملکرد پشتیبانی وقفه.
مدولاسیون عرض پالس (PWM): خروجی شکل موج با مدت زمان های سطح بالا و پایین قابل برنامه ریزی. از تولید محدود یا مداوم پشتیبانی می کند.
این انتخاب حالت گسترده سازگاری با دستگاه های مختلف رایج در سیستم های صنعتی را تضمین می کند.
مخصوص محیط های صنعتی طراحی شده است
iDAQ-784 و اکوسیستم اطراف آن برای دستیابی به قابلیت اطمینان بالا در محیط های صنعتی خشن طراحی شده اند. محدوده دمای عملیاتی این ماژول از -40 درجه فارنهایت تا 158 درجه فارنهایت با رطوبت نسبی تا 90٪ (غیر متراکم) است.
علاوه بر این، این ماژول به طور خاص برای مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی رایج در محیط های کارخانه طراحی شده است. فیلتر سیگنال دیجیتال داخلی آن میتواند وضوح سیگنال را بهبود بخشد و هر کانال از ورودی سیگنال دیفرانسیل پشتیبانی میکند و عملکرد عالی سرکوب نویز حالت مشترک را به دست میآورد.
این مفهوم طراحی به لوازم جانبی اکوسیستم نیز تعمیم مییابد، که طرحهای محکم و بادوام را اتخاذ میکنند که با استانداردهای ریل DIN مطابقت دارد و میتوان آن را به طور قابل اعتماد در کابینتهای صنعتی نصب کرد. با ترکیب قدرتمند تحمل محیطی، مقاومت در برابر نویز، و یکپارچگی فیزیکی قوی، تجزیه و تحلیل مشخصه سطح سیستم با دقت بالا را می توان در برنامه های اتوماسیون پیشرفته انجام داد.
ساخت یک سیستم DAQ با سرعت و دقت بالا
اولین قدم در ساخت DAQ، اتصال سنسورها است. ابتدا سرنخ های سنسور را به پایانه های سیم کشی وصل کنید. ماژول رابط ADAM-3937-BE Advantech (شکل 2) یک راه حل آماده برای این منظور است. این ماژول 37 پین به طور خاص برای نصب ریل DIN با ابعاد 87.2 میلی متر در 112.5 میلی متر در 51 میلی متر طراحی شده است و می تواند به راحتی با زیرساخت های صنعتی سازگار با استاندارد DB37 ادغام شود.