Nová koncepce automatizace a technika pohonů

Na veletrhu Hannover Messe v roce 2004 představila firma Lenze novou koncepci automatizační techniky a pohonů – L-force. Tento článek objasní, proč lze tuto koncepci označit za generační přelom v automatizaci strojní výroby a co od ní mohou uživatelé očekávat.

1. Jak se setkaly pohony a automatizační technika?

Firmu Lenze lze bezesporu pokládat za průkopníka propojování oblastí automatizace a techniky pohonů. Již její koncepce inteligentních pohonů, uvedená v roce 1996 pod heslem drive meets automation, byla v tomto procesu významným mezníkem. Měniče frekvence určené pro servopohony (zkráceně servoměniče) typové řady 9300 jsou schopny plnit i řídicí funkce dříve vlastní jen programovatelným automatům (PLC) [1]. Servoměniče navržené podle této koncepce se ukázaly být ideálním řešení pro takové úlohy, jako je např. řízení dávkovacích čerpadel v chemické výrobě nebo řízení letmé pily (viz [2]). Pro zařízení, u nichž je třeba současně řídit až osm pohybových os, jsou tyto měniče cenově výhodným řešením. Ostatně, měniče 9300 od firmy Lenze nezůstaly na trhu dlouho bez konkurence – s obdobným řešením přišly zhruba ve stejné době nebo jen o něco později i další významné firmy v oboru automatizační techniky.

Jenže pro složité úlohy, které se v moderní strojní výrobě vyskytují stále častěji, toto řešení nestačí. Není dostatečně flexibilní, nemá postačující možnosti rozšíření, jeho aplikace a provoz v těchto podmínkách nejsou dostatečně efektivní. To byl hlavní důvod, proč firma Lenze přišla s koncepcí L-force.

Klíčovým pojmem při vývoji L-force byla využitelnost (usability) zařízení. Podívejme se, jak tento pojem vysvětluje Frank Lorch, vedoucí specialista na koncept L-force společnosti Lenze AG v Hammelnu [3].

2. Využitelnost zařízení

Termín využitelnost – usability – znají především návrháři programových prostředků. Ti jsou zvyklí na testy, které využitelnost jejich produktů objektivně stanovují. Co znamená využitelnost v automatizační technice? Pod tímto pojmem se obecně rozumí:

• možnost se zařízením efektivně pracovat a snadno je obsluhovat,
• omezení potřeby školení a servisu na nezbytnou mez,
• otevřenost pozdějším změnám a modernizaci,
• možnost použít zařízení v různých aplikacích z hlediska oboru i geografické oblasti.

V článku [3] autor uvádí, jaké skupiny uživatelů byly při návrhu L-force brány v úvahu: vedoucí projektů, specialisté na programování, specialisté na komunikaci i technici, kteří mají na starosti instalaci zařízení, jejich konfigurování a provoz. Především v menších firmách jsou typickou kategorií „univerzální inženýři„, kteří musejí zastat téměř vše, co bylo vyjmenováno v předchozí větě – i na ně byl brán při návrhu L-force ohled. Z hlediska znalostí a zkušeností si vývojáři firmy Lenze uživatele rozdělili na začátečníky, příležitostné uživatele a experty. L-force je koncepce navržena tak, aby vyhovovala všem těmto skupinám.

3. Co zahrnuje L-force

L-force je koncepce. Není to tedy jen nový výrobek nebo typová řada výrobků – kromě technických prostředků zahrnuje i software a doplňující služby.

Obr. 1. Struktura koncepce L-force

Struktura koncepce L-force je na obr. 1. V nejnižší úrovni jsou tu technické prostředky pro realizaci pohybových úloh: motory s převodovkami, snímače a jiné provozní přístroje, pohony a řídicí moduly. V druhé úrovni je programové vybavení pro vlastní řízení pohybových úloh (run-time software). Obsahuje soubory nástrojů pro řízení pohybu a pro logické řízení. Nástroje pro řízení pohybu dovolují elektronickou cestou např. synchronizovat osy (bez mechanické hlavní hřídele) nebo vykonávat funkci elektronické vačky. Soubor nástrojů pro logické řízení vykonává funkci programovatelného automatu. L-force přitom umožňuje vystavět celou aplikaci na různých platformách. V obr. 1 jsou explicitně uvedena řízení na platformě řídicího modulu v pohonu a řízení na platformě PC. S technikou od firmy Lenze lze jít i „tradičnější“ cestou a řídit pohyb pomocí klasického PLC. Také v tomto případě může Lenze zákazníkovi dodat vhodné prostředky a poskytnout odpovídající služby.

Třetí úroveň na obr. 1 zahrnuje nástroje pro projektovou činnost (engineering). Tyto nástroje umožňují nakonfigurovat technické prostředky a přizpůsobit software požadavkům aplikace. Veškerá zařízení a softwarové moduly jsou zde uspořádány v přehledné a logické stromové struktuře. Podle zvolené fáze projektu, kterou si uživatel vybere ze seznamu, se zobrazí odpovídající pohled na stromovou strukturu aplikace a zpřístupní potřebné inženýrské nástroje – jiné pro návrh aplikace, jiné pro definování komunikace mezi zařízeními a jiné pro programování a nastavování parametrů.

Zde však L-force nekončí. Čtvrtou úrovní je úroveň řešení, která zahrnuje předem připravené moduly pro často se opakující úlohy řízení pohybu. Tyto moduly obsahují programové prostředky pro celý životní cyklus zařízení. Možnost vytvářet vlastní knihovny těchto modulů pro různé stroje a zařízení představuje výraznou úsporu času potřebného pro vývoj aplikace.

4. První výrobky L-force

4.1 Servoměnič 9400

První výrobky navržené podle koncepce L-force, které byly představeny na Hannover Messe v roce 2004, jsou servoměniče typové řady 9400 (obr. 2).

Obr. 2. Servoměnič 9400

Servoměniče 9400 jsou koncipovány jako jednoosé nebo několikaosé. U jednoosého provedení jsou síťové napájení, meziobvody a vlastní měnič frekvence integrovány v jediném zařízení. Vestavěné odrušovací filtry a brzdný měnič (chopper) umožňují, aby zařízení fungovalo autonomně v decentralizovaném řídicím systému. Několikaosá varianta je optimální pro centralizovanou, kompaktní instalaci řízení několika os se společnými stejnosměrnými obvody.

Dimenzování výkonových částí a inteligentní řízení spínací frekvence zaručují zvládnutí špičkového proudu o velikosti až čtyřnásobku jmenovité hodnoty. K měničům lze připojit všechny běžné snímače polohy.

Nyní se podívejme, jak servoměniče 9400 vyhovují z hlediska využitelnosti (podle [3]):

• integrovaný odrušovací filtr redukuje náklady na montáž,

• díky použití základové desky lze jednotlivé moduly snadno a rychle vyměnit bez přepojování kabelů,

• připojení všech signálů pomocí konektorů umožňuje použít předem připravené kabely osazené konektory,

• hlášení stavu pomocí velkoplošných LED nebo displeje usnadňuje servis,

• do přenosného paměťového modulu je možné uložit předem připravené programy,

• využití elektronického štítku motoru odstraňuje nutnost ručně nastavovat parametry regulátoru pro každý motor.

Jak již bylo řečeno, produkty L-force jsou vhodné pro různé varianty automatizačních řešení. Pro řízení využívající počítačovou techniku byla navržena řada měničů 9400 StateLine. Měnič zde vykonává všechny základní funkce klasického řízení pohybu a zaručuje potřebnou dynamiku a přesnost. Prostřednictvím vhodného rozhraní je připojen k počítači, který vykonává doplňkové funkce řízení pohybu a logického řízení.

Obr. 3. Příklad modulárního řízení pohonů: balicí stroj

Druhá varianta měničů má označení 9400 HighLine. Jde o inteligentní měniče pro decentralizované řízení, které mají většinu řídicích funkcí integrovaných přímo v pohonu.

Nabídku uzavírají měniče typové řady 9400 TopLine. Ty mají dostatečný výpočetní výkon a kapacitu paměti pro to, aby v nich mohlo být integrováno plnohodnotné soft-PLC programovatelné podle IEC 61131-3.

Měniče 9400 mohou komunikovat pomocí protokolu CANopen a sběrnice CAN, dále pomocí sběrnice Ethernet a nově i pomocí průmyslové ethernetové sběrnice Ethernet Powerlink. V servoměničích 9400 jsou integrovány i bezpečnostní funkce potřebné pro aplikace se zvýšenou mírou rizika, a to podle IEC 61508 (funkční bezpečnost) úrovně SIL 3. Zařízení také odpovídá kategorii 3 podle EN 954-1 (bezpečnost strojních zařízení).

4.2 L-force Engineer

L-force Engineer je software podporující celou škálu produktů L-force (současných i budoucích). V L-force Engineer jsou integrovány tyto složky: konfigurátor zařízení, konfigurátor sítě (CANopen, připravuje se Ethernet Powerlink), nástroje pro nastavení parametrů pohonů Lenze, základní programovací nástroje podle IEC 61131-3, grafický a tabulkový editor schématu elektrického zapojení aplikace a diagnostické nástroje (monitorování, osmikanálový osciloskop). Volitelně lze dodat také PLC-Designer, komfortní programovací nástroj pro programování PLC podle IEC 61131-3, CAM-Designer, nástroj pro grafický návrh kinematiky pohybu zařízení, a HMI-Designer pro návrh konfigurace obslužných a zobrazovacích prvků.

5. Směry dalšího rozvoje

Koncepce L-force klade důraz na decentralizaci řízení a využívá součinnost pohonů s řídicími počítači. Tomu odpovídají i podporované sběrnice a protokoly: CANopen a Ethernet Powerlink pro komunikaci v reálném čase a klasický Ethernet směrem k nadřazené úrovni řízení. Tvůrci koncepce předpokládají, že automatizace se bude ubírat právě k decentralizovanému řízení s alokací řídicích funkcí do akčních členů a že význam počítačové techniky v řízení dále poroste.

Samostatnou kapitolou je integrace bezpečnostních funkcí. Již bylo zmíněno, že v servoměničích 9400 jsou bezpečnostní funkce integrovány a vzhledem k významu bezpečnostních funkcí právě u řízení pohybu se počítá s integrováním bezpečnostních funkcí i do dalších prvků L-force. Decentralizace řídicích prvků do pohonů podle L-force umožňuje navrhnout bezpečnostní funkce tak, aby přesně odpovídaly požadavkům aplikace. Integrace bezpečnostních funkcí přímo do řídicích prvků pohonu omezuje potřebu instalovat externí ochranné a bezpečnostní prvky a zkracuje dobu reakce na poruchu nebo nebezpečný stav.

Petr Bartošík

Literatura:
[1] WUNDER, J.: Mezník techniky pohonů. Automa, 2000, roč. 6, č. 9, s. 18–19.
[2] GUDE, U.: Regulátor pohonu plní funkce PLC. Automa, 2000, roč. 6, č. 6, s. 17–19.
[3] LORCH, F. Wider die Komplexität. Computer & Automation, 2004, č. 10, s. 62–65. WEKA Fachtzeitschriften-Verlag GmbH, Poing.
[4] LORCH, F.: Ganzheitliches Antriebs- und Automatisierungssystem. Konstruktion, 2004, č. 6, s. 14–17. Springer VDI Verlag, Düsseldorf.