Модули управления движением

Контроллеры с модулями управления движением используются в роботах, металло- и деревообрабатывающих станках, сборочных линиях, типографских машинах, в оборудовании для обработки пищи, для дозирования и упаковки, для автоматической сварки и лазерной резки, для обработки полупроводниковых пластин и т. п.

В силу специфики задачи контроллеры для управления движением занимают отдельное место на рынке ПЛК, поскольку отличаются как параметрами модулей ввода-вывода, так и специализированным программным обеспечением. Основными отличиями от модулей общего применения являются повышенные требования к быстродействию и особый состав каналов ввода-вывода, оптимизированный для задач управления движением с целью минимизации стоимости.

Типовой системой управления движением является электропривод [Следящие], который является частным случаем системы автоматического регулирования с обратной или прямой связью. В состав электропривода входит электродвигатель, датчики положения исполнительного механизма, контроллер и сервоусилитель.

Рис. 6.39. Структурная схема модуля ввода частотных сигналов NL-2С (подробнее см. pdf 875 кб)

В электроприводах используют асинхронные и синхронные двигатели переменного тока, постоянного тока, шаговые, линейные двигатели, а также гидро- и пневмоцилиндры с насосами.

Электропривод строится обычно с двумя контурами обратной связи. Внутренний контур с сигналом от датчика скорости (тахометра или инкрементного энкодера) используется для управления скоростью двигателя и часто реализуется внутри сервоусилителя. Внешний контур с обратной связью от оси двигателя или от его нагрузки используется для управления позицией исполнительного механизма и вращающим моментом. Обратная связь от нагрузки позволяет повысить точность реализации траектории движения и использовать нежесткие механические связи, однако усложняет настройку замкнутой системы.

Сигнал обратной связи внешнего контура поступает от датчиков положения, в качестве которых используют энкодеры, резольверы, потенциометры, датчики Холла и тахометры. Энкодеры делятся на абсолютные и инкрементные. Инкрементные энкодеры определяют изменение положения механизма, а абсолютные определяют его абсолютное положение. Резольверы выполняют ту же функцию, что и энкодеры, но имеют аналоговый выходной сигнал, поскольку построены на основе вращающегося трансформатора и выдают синусоидальный и косинусоидальный сигналы, которые позволяют вычислить положение вала двигателя. Недостатком резольвера является низкое быстродействие и необходимость использования АЦП.

Сигналы обратной связи поступают в контроллер, который должен иметь модули для ввода сигналов от перечисленных выше датчиков. В контроллер поступают также сигналы от концевых датчиков, установленных в крайних положениях исполнительного механизма. Управляющее воздействие из контроллера поступает на двигатель через сервоусилитель. Усилители имеют мощные выходные каскады с радиаторами, поэтому изготавливаются отдельно от контроллера. На их входы могут поступать аналоговые сигналы ±10 В, цифровые или ШИМ-сигналы. Усилители делятся на усилители скорости, усилители момента, усилители с синусоидальным входным сигналом, усилители с импульсным входом, а также гидравлические. Обычно они имеют встроенную защиту от перенапряжения, низкого напряжения, перегрева, к. з., превышения тока, потери фазы. Выбирая усилитель с нужными характеристиками, можно выполнять управление оборудованием любой мощности, от микрозондов для тестирования полупроводниковых пластин до мощных металлообрабатывающих центров.

ПЛК могут иметь вход для джойстика или кнопок, которые позволяют управлять движением вручную.

Основным параметром модулей ввода-вывода для управления движением является количество одновременно управляемых осей координат. Ось координат в подавляющем большинстве случаев ассоциируется с одним двигателем. Однако несколько двигателей могут работать на общую нагрузку, например, два двигателя могут вращать общий вал с двух его концов или совместно осуществлять плоско-параллельное перемещение одной балки. В этом случае несколько двигателей соответствуют одной оси координат.

В общем случае ось координат определяется как линейная комбинация трех координатных осей, соответствующих трем двигателям, поэтому она не соответствует ни одному конкретному двигателю отдельно.

Поскольку движение в трехмерном пространстве можно разложить на три одномерных, для построения любой траектории достаточно трех координатных осей. Однако в металлообработке часто приходится поворачивать столик с закрепленной деталью или шпиндель с закрепленным инструментом, для описания чего вводятся дополнительные оси координат. Наиболее мощные контроллеры управления движением могут синхронно управлять сотней координатных осей.

Модули ввода-вывода для управления движением оптимизированы для ввода сигналов энкодеров, резольверов, тахометров, потенциометров и концевых выключателей, а также для вывода сигналов управления сервоусилителями. Основные параметры типовых модулей для управления движением приведены ниже.

Модули ввода могут иметь следующие входы:

• дифференциальные или одиночные входы счетчиков разрядностью 16/24/32 бит для сигналов энкодера;
• дискретные входы;
• входы прерываний процессора;
• аналоговые входы для сигналов от резольвера и потенциометра.

Типовые модули вывода могут содержать:

• аналоговые каналы вывода с разрядностью 12, 14 или 16 бит для управления сервоусилителями;
• дискретные выходы (обычно с открытым коллектором);
• цифровые выходы;
• импульсные выходы для шаговых двигателей.

Основными параметрами модулей ввода-вывода являются:

• время обновления данных;
• разрядность и количество АЦП-ЦАП;
• количество дискретных и импульсных входов/выходов;
• емкость памяти в шагах;
• тип и возможности программного обеспечения;
• типы коммуникационных интерфейсов (RS-232/422, RS-485, USB, Ethernet, PCI, VME, ISA и др.).

Сигнал от инкрементного энкодера может поступать в некоторых случаях со скоростью до 20 Мбит/с, что требует быстродействующих счетчиков импульсов. В некоторых модулях используются процессоры цифровой обработки сигналов и специализированные микросхемы (ASIC).

В системах управления движением специализированными являются не только модули, но и программное обеспечение. Приведем примеры некоторых встроенных функций, которые выполняются контроллерами для управления движением:

• плавный пуск;
• перемещение: непрерывное, абсолютное, относительное, синхронное, в контрольную точку (для калибровки и синхронизации);
• синхронизация координат в режиме контрольных точек;
• реализация заданной траектории движения в пространстве;
• интерполяция: линейная, круговая, сплайнами;
• возврат в начальное положение;
• ручной режим управления;
• управление зависимостью скорости от времени: трапецеидальная, S-образная (трапеция с закруглениями вместо углов);
• автонастройка контуров регулирования;
• отладка программы без реального привода;
• подавление резонансных явлений (вибраций);
• автоматическое распознавание двигателя;
• синхронизация работы нескольких приводов (в том числе при работе двигателей на общий вал);
• управление силой или давлением;
• защита (от непреднамеренного запуска, при сбоях в оборудовании, при срабатывании концевых выключателей);
• самодиагностика;
• мониторинг текущего состояния;
• аварийная сигнализация;
• аварийный останов;
• функция таймера.

Системы управления движением воспринимают информацию от программ автоматизированного проектирования (САПР) и чаще используются с компьютерами, чем с ПЛК. Для работы от компьютера под ОС Windows используются буферы FIFO на входе и выходе модуля, чтобы исключить неконтролируемые задержки ОС.