Các hệ thống công nghiệp hiện đại như robot và hệ thống băng tải tự động dựa vào dữ liệu đồng bộ, tốc độ cao để tối ưu hóa hiệu suất, nâng cao hiệu quả và đạt được khả năng bảo trì dự đoán. Tuy nhiên, việc nắm bắt và điều phối dữ liệu vị trí và chuyển động với độ chính xác ở mức mili giây là một thách thức lớn. Các hệ thống thu thập dữ liệu tiêu chuẩn (DAQ) thường thiếu chức năng chuyên dụng cần thiết để kết nối thời gian thực với bộ mã hóa và bộ hẹn giờ, điều này có thể dẫn đến giảm độ tin cậy của hệ thống và tắc nghẽn hiệu suất.
Bài viết này lần đầu tiên giới thiệu ngắn gọn các yêu cầu khác nhau cần thiết để đo vị trí và thời gian tốc độ cao trong các ứng dụng công nghiệp khắc nghiệt. Sau đó, mô-đun bộ đếm/bộ đếm thời gian mã hóa của Advantech được giới thiệu, đồng thời các chế độ mã hóa khác nhau và bốn kênh tốc độ cao của mô-đun này được giải thích cách chúng có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề đồng bộ hóa phức tạp trong các ứng dụng điều khiển chuyển động và robot. Cấu hình hệ thống điển hình và các công cụ phần mềm tương thích cung cấp lộ trình triển khai rõ ràng cho việc tích hợp hệ thống.
Tầm quan trọng của việc kiểm soát chính xác chuyển động và thời gian trong các quy trình công nghiệp
Các hệ thống công nghiệp hiện đại dựa trên các chuyển động phức tạp và có trật tự, trong đó khả năng phối hợp là rất quan trọng. Hãy xem xét một cánh tay robot lấy các bộ phận từ băng chuyền đang chuyển động. Để hệ thống hoạt động bình thường, chuyển động của cánh tay robot phải đồng bộ với tốc độ và vị trí của băng tải. Để đạt được điều này, cần phải nắm bắt thông tin từ nhiều nguồn dữ liệu với độ chính xác ở mức mili giây và điều phối nó, đây là một yêu cầu kỹ thuật mang tính thách thức cao.
Hệ thống DAQ đóng vai trò trung tâm trong việc giải quyết vấn đề này. Hệ thống thu thập dữ liệu mã hóa từ động cơ truyền động của băng tải và các khớp nối của cánh tay robot, đồng thời đồng bộ hóa các phép đo này trên nhiều kênh để tính toán chính xác thời điểm chặn các vật phẩm trên băng tải.
Khi tăng tốc độ băng chuyền để nâng cao hiệu quả sản xuất, hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ) phải nhanh chóng lấy mẫu dữ liệu vị trí, thời gian để tránh sai sót. Việc đọc cảm biến bị chậm hoặc thiếu có thể dẫn đến thời gian vận hành bộ phận cơ khí không chính xác và thậm chí gây ra xung đột giữa các bộ phận cơ khí, dẫn đến tắt máy đột ngột và giảm năng suất.
Hệ thống DAQ có độ chính xác cao cũng hỗ trợ bảo trì dự đoán. Ví dụ, tốc độ bất thường hoặc lỗi vị trí có thể cho thấy có vấn đề, chẳng hạn như vòng bi bị mòn hoặc dây đai bị trượt. Bằng cách phân tích các tín hiệu này, các nhà thiết kế có thể xác định trước các lỗi tiềm ẩn và tránh bị gián đoạn hoạt động.
Yêu cầu đối với DAQ tốc độ cao
Để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng này, hệ thống DAQ phải có các đặc tính hiệu suất chính sau:
Lấy mẫu tốc độ cao và độ phân giải cao: Việc ghi lại các chuyển động tinh tế, chẳng hạn như thay đổi vị trí ở mức dưới milimet, yêu cầu cả tốc độ lấy mẫu cao và độ phân giải có độ chính xác cao. Việc lấy mẫu trong phạm vi megahertz (MHz) đảm bảo rằng không có sự kiện quan trọng nào bị bỏ sót ngay cả trong môi trường tốc độ cao.
Lấy mẫu đồng thời đa kênh: Để phối hợp hoạt động của cánh tay robot và băng tải, cần phải thu thập dữ liệu vị trí và thời gian tương ứng của chúng một cách đồng thời, thay vì thu thập chúng một cách tuần tự. Việc cố gắng tương quan các luồng dữ liệu được thu thập tuần tự có thể dẫn đến lỗi, chẳng hạn như chọn sai mục trên băng chuyền hoặc thiếu hoàn toàn mục đó.
Hỗ trợ bộ mã hóa linh hoạt: Các hệ thống công nghiệp thường sử dụng linh kiện từ các nhà cung cấp khác nhau, dẫn đến các loại tín hiệu bộ mã hóa hỗn hợp. Hệ thống DAQ phải hỗ trợ nhiều chế độ bộ mã hóa để tránh thêm logic giao diện.
Kiểu dáng công nghiệp: Môi trường công nghiệp có thể khiến các thiết bị điện tử tiếp xúc với các điều kiện khắc nghiệt như nhiễu điện từ, rung và nhiệt độ cao. Do đó, để đảm bảo hệ thống vận hành đáng tin cậy và ngăn ngừa lỗi hệ thống, phải sử dụng phần cứng DAQ thích hợp.
Khả năng mở rộng: Hệ thống DAQ nên áp dụng thiết kế mô-đun, cho phép các nhà thiết kế dễ dàng mở rộng hệ thống bằng cách thêm nhiều kênh hoặc các loại đầu vào khác nhau. Điều này có nghĩa là ngay cả khi các cơ sở tự động hóa tiếp tục mở rộng, việc tích hợp robot, cảm biến và dây chuyền sản xuất mới vẫn có thể được đảm bảo.
Để đáp ứng nhiều nhu cầu đa dạng này, cần phải đối mặt với những thách thức thiết kế đáng kể đi kèm với nó. Mặc dù nhiều DAQ rất phù hợp cho việc thu thập dữ liệu nói chung, nhưng tiêu chí ứng dụng liên quan đến chuyển động đồng bộ, tốc độ cao đòi hỏi phần cứng chuyên dụng.
Công nghệ đo vị trí và thời gian tiên tiến cho hệ thống điều khiển chuyển động
Mô-đun bộ đếm/bộ đếm thời gian có độ chính xác cao iDAQ-784 (Hình 1) do Advantech ra mắt được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các yêu cầu này. Mô-đun này cung cấp bốn kênh mã hóa 32-bit phổ quát, có thể hỗ trợ đo đồng bộ vị trí và thời gian trong các hệ thống công nghiệp. Mô-đun này hỗ trợ tần số đầu vào lên tới 10 MHz để đạt được thời gian chính xác của tín hiệu bộ mã hóa.
Mô-đun bộ đếm/bộ đếm thời gian mã hóa iDAQ-784 của Advantech
Hình 1: Mô-đun bộ đếm/bộ định thời mã hóa iDAQ-784 hỗ trợ thu thập dữ liệu đồng thời trên bốn kênh 32 bit, khiến nó phù hợp với các ứng dụng điều khiển chuyển động công nghiệp phức tạp. (Nguồn hình ảnh: Advantech)
Chức năng lọc tín hiệu số tích hợp có thể giúp iDAQ-784 đạt được khả năng truyền tín hiệu rõ ràng hơn và độ chính xác đo cao hơn. Điều này cung cấp khả năng mô tả đặc tính cấp độ hệ thống có độ chính xác cao cho các ứng dụng tự động hóa tiên tiến, chẳng hạn như robot công nghiệp, hệ thống điều khiển chuyển động và hệ thống băng tải tốc độ cao.
Chế độ đầu vào, đo lường và đầu ra của bộ mã hóa
IDAQ-784 hỗ trợ nhiều loại tín hiệu đầu vào và chế độ đo để đáp ứng nhu cầu điều khiển chuyển động đa dạng trong công nghiệp. Mỗi kênh bộ đếm hỗ trợ đầu vào vi sai và đầu vào đơn, với dải điện áp chế độ chung là ± 15 VDC. Mô-đun này hỗ trợ ba bộ mã hóa tiêu chuẩn công nghiệp để đo vị trí:
Trực giao (pha A/B): Bằng cách sử dụng hai kênh tín hiệu (pha A và pha B) có độ lệch pha 90 °, vị trí và hướng được xác định đồng bộ. Phương pháp mã hóa cụ thể (X1, X2 hoặc X4) xác định độ phân giải bằng cách đếm số cạnh tăng và/hoặc giảm, trong đó X4 có độ phân giải gấp bốn lần X1.
Xung kép (CW/CCW): Xung theo chiều kim đồng hồ (CW) và ngược chiều kim đồng hồ (CCW) sử dụng các đường đầu vào riêng biệt. Bộ đếm tăng theo xung CW và giảm theo xung CCW.
Hướng xung (xung có dấu): Một tín hiệu được sử dụng để tạo xung, trong khi tín hiệu còn lại chỉ hướng. Bộ đếm tăng hoặc giảm dựa trên trạng thái của tín hiệu định hướng.
Mỗi đầu vào bộ mã hóa có thể sử dụng dây đơn hoặc dây vi sai và cung cấp đầu vào tín hiệu Z để đặt lại vị trí. Mỗi kênh đếm cũng hỗ trợ nhiều chế độ chức năng để định thời gian và tạo xung:
Đếm sự kiện: Đếm cạnh tăng hoặc giảm của tín hiệu đầu vào, với chức năng chọn lựa tùy chọn.
Đo tần số: Đo chính xác tần số tín hiệu bằng phương pháp chu kỳ nghịch đảo hoặc phương pháp đếm xung.
Đo độ rộng xung: đo khoảng thời gian ở mức cao và thấp của tín hiệu số.
Đo vị trí: Theo dõi vị trí bộ mã hóa bằng các chế độ đầu vào được hỗ trợ nêu trên.
So sánh liên tục (so sánh vị trí): Khi đạt đến ngưỡng vị trí, xung đầu ra hoặc ngắt sẽ được kích hoạt.
Kích hoạt đơn (tạo xung trễ): Sau khi kích hoạt cổng và độ trễ được chỉ định, xuất ra một xung đơn.
Tạo bộ đếm thời gian/Xung: Tạo ra chuỗi xung liên tục có chức năng hỗ trợ ngắt.
Điều chế độ rộng xung (PWM): xuất ra dạng sóng với thời lượng mức cao và mức thấp có thể lập trình; Hỗ trợ thế hệ giới hạn hoặc liên tục.
Lựa chọn chế độ mở rộng này đảm bảo khả năng tương thích với nhiều thiết bị phổ biến khác nhau trong các hệ thống công nghiệp.
Được thiết kế đặc biệt cho môi trường công nghiệp
iDAQ-784 và hệ sinh thái xung quanh nó được thiết kế để đạt được độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Phạm vi nhiệt độ hoạt động định mức của mô-đun này là -40 ° F đến 158 ° F, với độ ẩm tương đối lên tới 90% (không ngưng tụ).
Ngoài ra, mô-đun này được thiết kế đặc biệt để chống nhiễu điện từ thông thường trong môi trường nhà máy; Bộ lọc tín hiệu số tích hợp của nó có thể cải thiện độ rõ của tín hiệu và mỗi kênh hỗ trợ đầu vào tín hiệu vi sai, đạt được hiệu suất khử nhiễu ở chế độ chung tuyệt vời.
Ý tưởng thiết kế này cũng mở rộng sang các phụ kiện trong hệ sinh thái, sử dụng thiết kế chắc chắn và bền bỉ, tuân thủ các tiêu chuẩn đường ray DIN và có thể được lắp đặt một cách đáng tin cậy trong các tủ công nghiệp. Với sự kết hợp mạnh mẽ giữa khả năng chịu đựng môi trường, khả năng chống ồn và khả năng tích hợp vật lý mạnh mẽ, việc phân tích đặc tính cấp độ hệ thống có độ chính xác cao có thể được thực hiện trên các ứng dụng tự động hóa tiên tiến.
Xây dựng hệ thống DAQ tốc độ cao và độ chính xác cao
Bước đầu tiên trong việc xây dựng DAQ là kết nối các cảm biến. Đầu tiên, kết nối dây dẫn cảm biến với các đầu nối dây. Mô-đun giao diện ADAM-3937-BE của Advantech (Hình 2) là một giải pháp được tạo sẵn cho mục đích này. Mô-đun 37 chân này được thiết kế đặc biệt để lắp đặt trên thanh ray DIN, với kích thước 87,2 mm x 112,5 mm x 51 mm và có thể dễ dàng tích hợp với cơ sở hạ tầng công nghiệp tương thích tiêu chuẩn DB37.