ระบบอุตสาหกรรมสมัยใหม่ เช่น หุ่นยนต์และระบบสายพานลำเลียงอัตโนมัติอาศัยข้อมูลที่ซิงโครไนซ์ความเร็วสูงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ปรับปรุงประสิทธิภาพ และบรรลุการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ อย่างไรก็ตาม การจับและประสานข้อมูลตำแหน่งและการเคลื่อนไหวด้วยความแม่นยำระดับมิลลิวินาทีถือเป็นความท้าทายที่สำคัญ ระบบการรับข้อมูลมาตรฐาน (DAQ) มักจะขาดฟังก์ชันพิเศษที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อแบบเรียลไทม์กับตัวเข้ารหัสและตัวจับเวลา ซึ่งอาจส่งผลให้ความน่าเชื่อถือของระบบลดลงและปัญหาคอขวดของประสิทธิภาพ
บทความนี้จะแนะนำข้อกำหนดต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับการวัดตำแหน่งและเวลาด้วยความเร็วสูงในการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่สมบุกสมบันเป็นครั้งแรก ต่อมา ได้มีการเปิดตัวโมดูลตัวนับ/ตัวจับเวลาตัวเข้ารหัสของ Advantech และโหมดตัวเข้ารหัสต่างๆ และช่องสัญญาณความเร็วสูงสี่ช่องของโมดูลนี้ ได้รับการอธิบายวิธีที่สามารถใช้เพื่อแก้ปัญหาการซิงโครไนซ์ที่ซับซ้อนในหุ่นยนต์และแอปพลิเคชันควบคุมการเคลื่อนไหว การกำหนดค่าระบบโดยทั่วไปและเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่เข้ากันได้ทำให้เกิดเส้นทางการใช้งานที่ชัดเจนสำหรับการรวมระบบ
ความสำคัญของการควบคุมการเคลื่อนไหวและเวลาที่แม่นยำในกระบวนการทางอุตสาหกรรม
ระบบอุตสาหกรรมสมัยใหม่อาศัยการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนและเป็นระเบียบ ซึ่งความสามารถในการประสานงานเป็นสิ่งสำคัญ ลองพิจารณาแขนหุ่นยนต์ที่หยิบส่วนประกอบจากสายพานลำเลียงที่กำลังเคลื่อนที่ เพื่อให้ระบบทำงานได้ตามปกติ การเคลื่อนไหวของแขนหุ่นยนต์จะต้องซิงโครไนซ์กับความเร็วและตำแหน่งของสายพานลำเลียง เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ จำเป็นต้องรวบรวมข้อมูลจากแหล่งข้อมูลหลายแหล่งด้วยความแม่นยำระดับมิลลิวินาทีและประสานงาน ซึ่งเป็นข้อกำหนดทางเทคนิคที่ท้าทายอย่างมาก
ระบบ DAQ มีบทบาทสำคัญในการแก้ปัญหานี้ ระบบจะรวบรวมข้อมูลตัวเข้ารหัสจากมอเตอร์ขับเคลื่อนของสายพานลำเลียงและข้อต่อของแขนหุ่นยนต์ และซิงโครไนซ์การวัดเหล่านี้ในหลายช่องทางเพื่อคำนวณเวลาของการสกัดกั้นสิ่งของบนสายพานลำเลียงอย่างแม่นยำ
เมื่อเพิ่มความเร็วของสายพานลำเลียงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต ระบบเก็บข้อมูล (DAQ) จะต้องสุ่มตัวอย่างข้อมูลตำแหน่งและเวลาอย่างรวดเร็วเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาด การอ่านค่าเซ็นเซอร์ล่าช้าหรือขาดหายไปอาจทำให้จังหวะการทำงานของส่วนประกอบทางกลไม่ถูกต้อง และอาจทำให้เกิดการชนกันระหว่างส่วนประกอบทางกล ส่งผลให้เกิดการปิดเครื่องโดยไม่คาดคิดและสูญเสียประสิทธิภาพการทำงาน
ระบบ DAQ ที่มีความแม่นยำสูงยังรองรับการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์อีกด้วย ตัวอย่างเช่น ความเร็วที่ผิดปกติหรือข้อผิดพลาดของตำแหน่งอาจบ่งบอกถึงปัญหา เช่น การสึกหรอของแบริ่งหรือการเลื่อนหลุดของสายพาน ด้วยการวิเคราะห์สัญญาณเหล่านี้ ผู้ออกแบบสามารถระบุข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นได้ล่วงหน้า และหลีกเลี่ยงการหยุดชะงักในการปฏิบัติงาน
ข้อกำหนดสำหรับ DAQ ความเร็วสูง
เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการใช้งานเหล่านี้ ระบบ DAQ จะต้องมีคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพหลักดังต่อไปนี้:
การสุ่มตัวอย่างความเร็วสูงและความละเอียดสูง: การบันทึกการเคลื่อนไหวที่ละเอียดอ่อน เช่น การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งระดับต่ำกว่ามิลลิเมตร ต้องใช้ทั้งอัตราการสุ่มตัวอย่างสูงและความละเอียดที่มีความแม่นยำสูง การสุ่มตัวอย่างในช่วงเมกะเฮิรตซ์ (MHz) ช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะไม่พลาดเหตุการณ์สำคัญแม้ในสภาพแวดล้อมที่มีความเร็วสูง
การสุ่มตัวอย่างพร้อมกันหลายช่องสัญญาณ: ในการประสานการทำงานของแขนหุ่นยนต์และสายพานลำเลียง จำเป็นต้องบันทึกข้อมูลตำแหน่งและเวลาตามลำดับพร้อมกัน แทนที่จะบันทึกตามลำดับ การพยายามเชื่อมโยงกระแสข้อมูลที่บันทึกไว้ตามลำดับอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาด เช่น การเลือกรายการผิดบนสายพานลำเลียง หรือรายการนั้นหายไปโดยสิ้นเชิง
การสนับสนุนตัวเข้ารหัสที่ยืดหยุ่น: ระบบอุตสาหกรรมมักใช้ส่วนประกอบจากซัพพลายเออร์ที่แตกต่างกัน ส่งผลให้มีสัญญาณตัวเข้ารหัสแบบผสม ระบบ DAQ ควรสนับสนุนโหมดตัวเข้ารหัสหลายโหมดเพื่อหลีกเลี่ยงการเพิ่มตรรกะของอินเทอร์เฟซ
การออกแบบทางอุตสาหกรรม: สภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมอาจทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องเผชิญกับสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า การสั่นสะเทือน และอุณหภูมิสูง ดังนั้น เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานของระบบที่เชื่อถือได้และป้องกันความล้มเหลวของระบบ จึงต้องใช้ฮาร์ดแวร์ DAQ ที่เหมาะสม
ความสามารถในการปรับขนาด: ระบบ DAQ ควรใช้การออกแบบโมดูลาร์ ช่วยให้นักออกแบบสามารถขยายระบบได้อย่างง่ายดายโดยการเพิ่มช่องทางหรืออินพุตประเภทต่างๆ ซึ่งหมายความว่าแม้ว่าสิ่งอำนวยความสะดวกด้านระบบอัตโนมัติจะขยายตัวอย่างต่อเนื่อง แต่ก็ยังสามารถรับประกันการบูรณาการหุ่นยนต์ เซ็นเซอร์ และสายการผลิตใหม่ๆ ได้
เพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายนี้ จำเป็นต้องเผชิญกับความท้าทายด้านการออกแบบที่สำคัญที่มาพร้อมกับความต้องการดังกล่าว แม้ว่า DAQ จำนวนมากจะเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการรับข้อมูลทั่วไป แต่เกณฑ์การใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวแบบซิงโครนัสความเร็วสูงจำเป็นต้องใช้ฮาร์ดแวร์พิเศษ
เทคโนโลยีการวัดตำแหน่งและเวลาขั้นสูงสำหรับระบบควบคุมการเคลื่อนไหว
โมดูลตัวนับ/จับเวลาตัวเข้ารหัสความแม่นยำสูง iDAQ-784 (รูปที่ 1) ที่ Advantech เปิดตัว ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อตอบสนองข้อกำหนดเหล่านี้ โมดูลนี้มีช่องตัวเข้ารหัสสากล 32 บิตสี่ช่อง ซึ่งสามารถรองรับการวัดตำแหน่งและเวลาแบบซิงโครนัสในระบบอุตสาหกรรม โมดูลนี้รองรับความถี่อินพุตสูงสุด 10 MHz เพื่อให้ได้รับสัญญาณตัวเข้ารหัสที่แม่นยำ
โมดูลตัวนับ/จับเวลาตัวเข้ารหัส iDAQ-784 ของ Advantech
รูปที่ 1: โมดูลตัวนับ/จับเวลาตัวเข้ารหัส iDAQ-784 รองรับการรับข้อมูลพร้อมกันบนช่องสัญญาณ 32 บิตสี่ช่อง ทำให้เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันควบคุมการเคลื่อนไหวทางอุตสาหกรรมที่ซับซ้อน (แหล่งรูปภาพ: Advantech)
ฟังก์ชันการกรองสัญญาณดิจิทัลในตัวสามารถช่วยให้ iDAQ-784 ส่งสัญญาณได้ชัดเจนยิ่งขึ้นและความแม่นยำในการวัดที่สูงขึ้น ซึ่งให้ความสามารถในการระบุคุณลักษณะระดับระบบที่มีความแม่นยำสูงสำหรับการใช้งานอัตโนมัติขั้นสูง เช่น หุ่นยนต์อุตสาหกรรม ระบบควบคุมการเคลื่อนไหว และระบบสายพานลำเลียงความเร็วสูง
โหมดอินพุต การวัด และเอาต์พุตของเอ็นโค้ดเดอร์
IDAQ-784 รองรับสัญญาณอินพุตหลายประเภทและโหมดการวัด เพื่อตอบสนองความต้องการการควบคุมการเคลื่อนไหวทางอุตสาหกรรมที่หลากหลาย ช่องตัวนับแต่ละช่องรองรับอินพุตปลายเดี่ยวและอินพุตดิฟเฟอเรนเชียล โดยมีช่วงแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปที่ ± 15 VDC โมดูลนี้รองรับตัวเข้ารหัสมาตรฐานอุตสาหกรรมสามตัวสำหรับการวัดตำแหน่ง:
มุมฉาก (เฟส A/B): ด้วยการใช้ช่องสัญญาณสองช่อง (เฟส A และเฟส B) ที่มีเฟสต่างกัน 90 ° ตำแหน่งและทิศทางจะถูกกำหนดพร้อมกัน วิธีการเข้ารหัสเฉพาะ (X1, X2 หรือ X4) กำหนดความละเอียดโดยการนับจำนวนขอบที่เพิ่มขึ้นและ/หรือลดลง โดยที่ X4 มีความละเอียดสี่เท่าของ X1
พัลส์คู่ (CW/CCW): พัลส์ตามเข็มนาฬิกา (CW) และทวนเข็มนาฬิกา (CCW) ใช้บรรทัดอินพุตแยกกัน ตัวนับจะเพิ่มขึ้นภายใต้พัลส์ CW และการลดลงภายใต้พัลส์ CCW
ทิศทางพัลส์ (พัลส์แบบลงนาม): สัญญาณหนึ่งจะใช้ในการสร้างพัลส์ ในขณะที่อีกสัญญาณหนึ่งระบุทิศทาง ตัวนับเพิ่มหรือลดตามสถานะของสัญญาณทิศทาง
อินพุตตัวเข้ารหัสแต่ละตัวสามารถใช้การเดินสายแบบปลายเดี่ยวหรือแบบดิฟเฟอเรนเชียล และให้อินพุตสัญญาณ Z สำหรับการรีเซ็ตตำแหน่ง แต่ละช่องการนับยังรองรับโหมดการทำงานที่หลากหลายสำหรับการจับเวลาและการสร้างพัลส์:
จำนวนเหตุการณ์: นับขอบที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงของสัญญาณอินพุต พร้อมด้วยฟังก์ชัน gating ที่เป็นตัวเลือก
การวัดความถี่: วัดความถี่สัญญาณอย่างแม่นยำโดยใช้วิธีวงจรผกผันหรือวิธีการนับพัลส์
การวัดความกว้างพัลส์: วัดระยะเวลาของสัญญาณดิจิตอลระดับสูงและต่ำ
การวัดตำแหน่ง: ติดตามตำแหน่งตัวเข้ารหัสโดยใช้โหมดอินพุตที่รองรับที่กล่าวถึงข้างต้น
การเปรียบเทียบอย่างต่อเนื่อง (การเปรียบเทียบตำแหน่ง): เมื่อถึงเกณฑ์ตำแหน่ง พัลส์เอาต์พุตหรืออินเทอร์รัปต์จะถูกทริกเกอร์
ทริกเกอร์เดี่ยว (การสร้างพัลส์แบบหน่วงเวลา): หลังจากทริกเกอร์เกตและการหน่วงเวลาที่ระบุ ให้ส่งออกพัลส์เดียว
ตัวจับเวลา/การสร้างพัลส์: เอาท์พุตรถไฟพัลส์ต่อเนื่องพร้อมฟังก์ชันรองรับการขัดจังหวะ
การมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM): เอาท์พุตรูปคลื่นที่มีระยะเวลาระดับสูงและต่ำที่ตั้งโปรแกรมได้ รองรับการสร้างแบบจำกัดหรือต่อเนื่อง
การเลือกโหมดที่ครอบคลุมนี้รับประกันความเข้ากันได้กับอุปกรณ์ทั่วไปต่างๆ ในระบบอุตสาหกรรม
ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม
iDAQ-784 และระบบนิเวศโดยรอบได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ได้รับความน่าเชื่อถือสูงในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง ช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กำหนดของโมดูลนี้คือ -40 ° F ถึง 158 ° F โดยมีความชื้นสัมพัทธ์สูงถึง 90% (ไม่ควบแน่น)
นอกจากนี้ โมดูลนี้ยังได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อต้านทานการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าทั่วไปในสภาพแวดล้อมของโรงงาน ตัวกรองสัญญาณดิจิตอลในตัวสามารถปรับปรุงความชัดเจนของสัญญาณ และแต่ละช่องรองรับอินพุตสัญญาณที่แตกต่างกัน บรรลุประสิทธิภาพการลดเสียงรบกวนในโหมดทั่วไปที่ยอดเยี่ยม
แนวคิดการออกแบบนี้ยังขยายไปถึงอุปกรณ์เสริมของระบบนิเวศ ซึ่งใช้การออกแบบที่แข็งแรงและทนทานซึ่งเป็นไปตามมาตรฐานราง DIN และสามารถติดตั้งได้อย่างน่าเชื่อถือในตู้อุตสาหกรรม ด้วยการผสมผสานที่ทรงพลังระหว่างความทนทานต่อสิ่งแวดล้อม ความต้านทานต่อเสียง และการบูรณาการทางกายภาพที่แข็งแกร่ง การวิเคราะห์คุณลักษณะระดับระบบที่มีความแม่นยำสูงสามารถดำเนินการกับแอปพลิเคชันระบบอัตโนมัติขั้นสูงได้
การสร้างระบบ DAQ ความเร็วสูงและความแม่นยำสูง
ขั้นตอนแรกในการสร้าง DAQ คือการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ ขั้นแรก เชื่อมต่อเซนเซอร์เข้ากับขั้วสายไฟ โมดูลอินเทอร์เฟซ ADAM-3937-BE ของ Advantech (รูปที่ 2) เป็นโซลูชันสำเร็จรูปสำหรับจุดประสงค์นี้ โมดูล 37 พินนี้ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการติดตั้งราง DIN โดยมีขนาด 87.2 มม. x 112.5 มม. x 51 มม. และสามารถรวมเข้ากับโครงสร้างพื้นฐานทางอุตสาหกรรมที่รองรับ DB37 มาตรฐานได้อย่างง่ายดาย