ΤΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΖΑΦΕΙΡΗ*
Η ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας τα τελευταία χρόνια έχει οδηγήσει στην εφαρμογή της σε πλήθος βιομηχανικών συστημάτων όπως μηχανές CNC, ρομπότ και μηχανές παραγωγής. Ένα σύστημα ελέγχου κίνησης διακρίνεται σε ανοιχτού (open loop) ή κλειστού βρόχου (closed loop). Στην πρώτη περίπτωση δεν απαιτείται η μέτρηση του ελεγχόμενου μεγέθους, αντίθετα σε ένα σύστημα κλειστού βρόχου απαιτείται η μέτρηση της πραγματικής τιμής του ελεγχόμενου μεγέθους (ανάδραση) . Ένας μηχανισμός ο οποίος ελέγχεται μέσω του σφάλματος μεταξύ της επιθυμητής τιμής του ελεγχόμενου μεγέθους και της πραγματικής ονομάζεται σερβομηχανισμός.
Κύρια στοιχεία ενός συστήματος motion control είναι τα ακόλουθα
• Ο ελεγκτής (controller) ο οποίος εκτελεί τον βασικό αλγόριθμο ελέγχου και παρέχει την σύνδεση (interface) μεταξύ του συστήματος και του χειριστή αλλά και με το υψηλότερο επίπεδο ελέγχου του εργοστασίου.
• O ενισχυτής (amplifier) ή drive μετατρέπει το σήμα ελέγχου του controller σε κατάλληλη εντολή ισχύος προς τον ενεργοποιητή.
• Ενεργοποιητής (actuator) είναι το μηχάνημα το οποίο μετατρέπει την παρεχόμενη ισχύ σε κινητική. Τέτοια μπορεί να είναι ηλεκτροκινητήρες ή υδραυλικά στοιχεία (έμβολα, αντλίες) κ.α. Στη συνέχεια του άρθρου θα αναφερθούμε σε ηλεκτρικά συστήματα ελέγχου με σερβοκινητήρες που οδηγούνται από σερβοενισχυτές. Το πλήθος των ενεργοποιητών δηλώνουν τον αριθμό των αξόνων ενός συστήματος αυτομάτου ελέγχου από τον οποίο εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό η απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύς του ελεγκτή.
• Τα όργανα μέτρησης. Παρέχουν την ανάδραση του ελεγχόμενου μεγέθους. Τέτοια είναι π.χ. οι μετατροπείς θέσης όπως encoders και resolvers στην περίπτωση κινητήρων ή οι μαγνητοσυστολικoί αισθητήρες θέσης LVDT στην περίπτωση υδραυλικών εμβόλων.
• Το σύστημα μετάδοσης ισχύος, π.χ. μειωτήρας στην έξοδο του κινητήρα και το οδηγούμενο φορτίο – εργαλείο. Τα μηχανολογικά δεδομένα αυτών των στοιχείων (μάζες αδράνειες κλπ) πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό του νόμου ελέγχου γιατί επηρεάζουν την δυναμική απόκριση του συστήματος.
Έλεγχος σερβοκινητήρα
Ο έλεγχος θέσης από τον ελεγκτή, ο έλεγχος ταχύτητας και στη συνέχεια ρεύματος από το drive. Προκειμένου να επιτευχτεί ο έλεγχος ταχύτητας χρησιμοποιείται, ως ανάδραση, ο μετατροπέας θέσης του κινητήρα. Το ίδιο όργανο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τον υπολογισμό της πραγματικής θέσης στον έλεγχο θέσης. Σε πολλές πάντως περιπτώσεις, για μεγαλύτερη ακρίβεια, χρησιμοποιείται όργανο μέτρησης προσαρμοσμένο απευθείας στο ελεγχόμενο φορτίο. Οι νόμοι ελέγχου που υλοποιούνται στους παραπάνω βρόχους είναι αυτοί που καθορίζουν την δυναμική απόκριση του συστήματος και κατά συνέπεια την ποιότητα του τελικού προϊόντος.
Η πιο κλασική περίπτωση νόμου ελέγχου είναι το P-I-D όπου το σήμα ελέγχου είναι συνάρτηση των ακόλουθων όρων 1) ενός όρου ανάλογου του σφάλματος ελέγχου, 2) του όρου που προκύπτει από την ολοκλήρωση του σφάλματος ελέγχου, 3) του όρου που προκύπτει από την διαφόριση του σφάλματος. Κάθε όρος προσδίδει συγκεκριμένη συμπεριφορά στο σύστημα και με βάση το μηχανολογικό σχεδιασμό της μηχανής θα πρέπει να υπολογιστεί ο βέλτιστος συνδυασμός τους.
Η διαδικασία αυτή (fine tuning) είναι πολύ σημαντική και πρέπει να σημειωθεί ότι οι σύγχρονοι ελεγκτές ή drives είτε την υλοποιούν αυτόματα (auto-tuning) είτε δίνουν σημαντικά εργαλεία στο χρήστη για να την εκτελέσει (διαγράμματα FFT, BODE κλπ). Η υλοποίηση της επιθυμητής ακρίβειας στον έλεγχο κίνησης μπορεί να απαιτεί τον σχεδιασμό πολύπλοκων νόμων ελέγχου και αποτελεί εξειδικευμένο πεδίο έρευνας. Σε σύγχρονα συστήματα ελέγχου συνήθης πάντως είναι και η χρήση ελέγχου πρόσω τροφοδότησης (feedforward control) προκειμένου το ελεγχόμενο εργαλείο να ακολουθεί την επιθυμητή τροχιά με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Motion Interpolation
Όταν ένα φορτίο (π.χ. η κεφαλή laser ενός παντογράφου X,Y) πρέπει να ακολουθήσει μία συγκεκριμένη τροχιά από ένα σημείο εκκίνησης σε ένα τελικό σημείο, τότε οι κινήσεις των αξόνων (Χ,Υ) θα πρέπει να συγχρονιστούν κατάλληλα. Η διαδικασία κατά την οποία ο ελεγκτής παρέχει τις κατάλληλες εντολές προς τους άξονες ώστε αυτοί να διαγράψουν μία τροχιά ονομάζεται παρεμβολή (interpolation) και διακρίνεται σε : 1)γραμμική παρεμβολή.
Το φορτίο κινείται στο χώρο από ένα σημείο σε ένα άλλο σε ευθεία γραμμή. Ο ελεγκτής πρέπει να καθορίσει την ταχύτητα σε κάθε άξονα ώστε να επιτυγχάνεται η ευθεία. (Στην πραγματικότητα πρέπει να καθοριστεί και η επιτάχυνση αλλά πολλοί ελεγκτές χρησιμοποιούν προκαθορισμένες από το χρήστη επιταχύνσεις), 2) κυκλική παρεμβολή προκειμένου το φορτίο να εκτελεί κίνηση σε κυκλική τροχιά. Ο ελεγκτής στην περίπτωση αυτή οφείλει να μεταβάλλει την επιτάχυνση του φορτίου ενώ αυτό μετακινείται. 3) παρεμβολή περιγράμματος (path). O ελεγκτής μεταβάλλει συνεχώς την ταχύτητα των αξόνων έτσι ώστε το φορτίο – εργαλείο να διέρχεται από ένα πλήθος προκαθορισμένων σημείων.
Σύστημα αυτοματισμού
Σε κάθε μηχανή ελέγχου κίνησης, εκτός από την τεχνολογία ελέγχου της κίνησης, σημαντικό κεφάλαιο αποτελεί ο αυτοματισμός της διεργασίας με κύρια στοιχεία
• το λογικά προγραμματιζόμενο ελεγκτή (PLC) ο οποίος ελέγχει τον αυτοματισμό της μηχανής, διαχειρίζεται τις μονάδες εισόδου και εξόδου και επικοινωνεί με τις μονάδες χειρισμού (HMI). Στις σύγχρονες μηχανές ελέγχου κίνησης ο ελεγκτής έχει ενσωματωμένο το PLC.
• μονάδες εισόδου-εξόδου (I/O). Διάφορα όργανα και αισθητήρες συνδέονται με το PLC μέσω αυτών. Σε σύγχρονα συστήματα αυτοματισμού οι μονάδες αυτές είναι απομακρυσμένες από τον κεντρικό ελεγκτή-PLC και επικοινωνούν με αυτό μέσω κατάλληλου πρωτόκολλου επικοινωνίας, στην περίπτωση αυτή αναφερόμαστε σε περιφερειακές μονάδες εισόδου εξόδου.
• Δικτύωση. Στις σύγχρονες μηχανές τα σήματα μεταξύ των διαφόρων άνω μονάδων μεταδίδονται ψηφιακά. Μέσω κατάλληλο πρωτόκολλου επικοινωνίας (Profibus, Profinet, Sercos) μεταβιβάζεται η πληροφορία με ταχύτητα και ακρίβεια. Επιπλέων οι τεχνολογίες δικτύωσης δίνουν την δυνατότητα ένταξης της μηχανής στο δίκτυο του εργοστασίου με αποτέλεσμα σημαντικά πλεονεκτήματα απομακρυσμένου χειρισμού και επίβλεψης. Η ανάπτυξη των μεθόδων δικτύωσης και επικοινωνιών έχουν οδηγήσει σε αποκεντρωμένα (decentralized) συστήματα ελέγχου στα οποία ο έλεγχος κάποιων διεργασιών γίνεται τοπικά και όχι από την κεντρική μονάδα ελέγχου.
Επικοινωνίες
Οι περισσότερες CNC μηχανές και μηχανές παραγωγής χρησιμοποιούν ψηφιακό δίαυλο επικοινωνίας μεταξύ του ελεγκτή και των διάφορων δομικών στοιχείων της μηχανής. Υπάρχουν δύο τύποι επικοινωνίας σε σχέση με τα δεδομένα που ανταλλάσσονται.
1. Επικοινωνία διεργασίας (process communication). Πρόκειται για δεδομένα ελέγχου, εντολών και πραγματικών τιμών ανάδρασης τα οποία μεταβιβάζονται κυκλικά μεταξύ του ελεγκτή και των ενεργοποιητών. Το πλήθος των δεδομένων αυτών είναι σχετικά χαμηλό. Ο κύκλος λειτουργίας σε αυτή την περίπτωση καθορίζεται από το πλήθος των ενεργοποιητών και μετρητικών συστημάτων σε κάθε σύστημα και είναι σταθερός.
2. Επικοινωνία δεδομένων (data communication). Πρόκειται για ανταλλαγή δεδομένων που δεν είναι απολύτως συνδεδεμένα με την εκτέλεση της κίνησης αλλά σχετίζονται με τον συνολικό αυτοματισμό της μηχανής. Τα δεδομένα αυτά ανταλλάσσονται σποραδικά (μη κυκλικά) μεταξύ των συνδεδεμένων συσκευών και το πλήθος τoυς μπορεί να είναι αρκετά μεγάλο.
Ο κύκλος λειτουργίας του διαύλου επικοινωνίας αποτελείται λοιπόν από τα δύο χρονικά τμήματα των δύο άνω ειδών επικοινωνίας. Συνεπώς, ο συνολικός κύκλος λειτουργίας σε ένα συμβατικό δίαυλο επικοινωνίας δεν είναι σταθερός αλλά μεταβάλλεται σύμφωνα με την μεταβολή του εύρους της επικοινωνίας δεδομένων. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται “αναπνοή” του κύκλου και είναι ακατάλληλη για συστήματα ελέγχου υψηλής ακρίβειας.
Τα περισσότερα συστήματα κίνησης εκτελούν ένα ψηφιακό έλεγχο κλειστού βρόχου. Ένας τέτοιος βρόχος όπως είδαμε και στην περίπτωση του ελέγχου θέσης σε σεβοκινητήρα αποτελείται από ενδιάμεσους βρόχους ελέγχου συνδεδεμένους μεταξύ τους (έλεγχος θέσης, ταχύτητα, ρεύματος). Οι βρόχοι αυτοί πρέπει να συγχρονίζονται. Ο συγχρονισμός είναι απαραίτητος προκειμένου το σύστημα να διατηρείται ευσταθές και οι εντολές να επιτυγχάνονται με ακρίβεια. Στην περίπτωση που όλοι οι βρόχοι δεν εκτελούνται στην ίδια συσκευή, ο δίαυλος επικοινωνίας θα πρέπει να είναι συγχρονισμένος με τον έλεγχο κλειστού βρόχου. Για να εξασφαλιστεί ότι όλες οι συνδεδεμένες συσκευές επικοινωνούν συγχρονισμένα πάνω στον δίαυλο επικοινωνίας, ένα σήμα χρονισμού (clock signal) χρησιμοποιείται προκειμένου να συγχρονίζει τον κύκλο του διαύλου επικοινωνίας. Αυτό είναι γνωστό ως ισόχρονη επικοινωνία.
Στην περίπτωση συστημάτων motion control η ισόχρονη επικοινωνία πρέπει να είναι πολύ γρήγορη, σταθερή και ντετερμινιστική και ο κύκλος λειτουργίας να μεταβάλλεται ελάχιστα < 1μς. Στην περίπτωση συμβατικών συστημάτων ελέγχου κίνησης χρησιμοποιείται επιπρόσθετος δίαυλος επικοινωνίας για την επικοινωνία δεδομένων, που δεν απαιτεί μεγάλη χρονική ακρίβεια (π.χ. industrial ethernet). Σύγχρονα συστήματα motion control χρησιμοποιούν διαύλους επικοινωνίας τύπου Profibus DP και Profinet τα οποία ικανοποιούν τις απαιτήσεις ισόχρονης επικοινωνίας πραγματικού χρόνου. Επίσης το Profinet υποστηρίζει την επικοινωνία μέσω TCP/IP δικτύου. *Ο κ. Ζαφείρης είναι Μηχ/γος Μηχανικός ΕΜΠ, MSc και εργάζεται στις Πωλήσεις και Τεχνική Υποστήριξη του Τμήματος Motion Control της Siemens A.E.
