מערכות הנדסיות מבוקרות מחשב

1. מערכות הנדסיותמבוקרות מחשב yarond@bezeqint.net ירון דופלט

2. בקרת תנועה רב-צירית במכונות מודרניות רבות, נדרשת בקרת תנועה משולבת של מספר צירים במקביל, בכדי לבצע תנועה במרחב. דוגמה מצוינת למשל הם מכונות העיבוד השבבי ומכונות החיתוך בלייזר, הדורשות תנועה משולבת בדיוק תת מיקרוני, של שניים או שלשה מימדים. דוגמה אחרת, הם הרובוטים התעשייתיים, המהווים זרוע בעלת 6 דרגות חופש, אותה ניתן להניע ממקום למקום. רובוטים מסוג זה, משמשים בתעשיית הרכב למטרות ריתוך וצביעה. יצרן רכב ממוצע מחזיק למעלה מאלף רובוטים על רצפת הייצור. 2 ירון דופלט

3. תהליך בקרה של מכונות תעשייתיות תהליך בקרת התנועה של מכונות אלו הוא מורכב, מסביר ד"ר אילן כהן מיסד ומנכ"ל חברת קולמורגן-סרווטרוניקס. מכונות אלו הן מכונות מתוכנתות, במובן המאפשר למשתמש לכתוב להן תוכנית פעולה בהתאם לחלק אותו צריך לייצר, או סוג הרכב שצריך לרתך או לצבוע. את התוכנית יש לתרגם לפקודות תנועה, לכל אחד מצירי התנועה השונים, ולדאוג שהמנוע שמזיז את הציר יבצע את המוטל עליו. קולמורגן- סרווטרוניקס, הינה זרוע הפיתוח של חברת קולמורגן האמריקאית, הפעילה בתחום בקרת התנועה מזה 80 שנה, ומייצרת מוצרי בקרה ומנועים המיועדים למכונות. בין מוצרי קולמורגן ניתן למצוא עשרות סוגי מנועים כגון: מנועים לינאריים, מנועים שטוחים ומנועים מיוחדים בשוק ה- CNC . 3 ירון דופלט

4. שרשרת בקרה טיפוסית מוסיף צילקר אייל סמנכ"ל לפיתוח בחברת קולמורגן-סרווטרוניקס: "בשרשרת הבקרה הטיפוסית, ניתן למצוא 4 רכיבים מרכזיים בסדר היררכי: • ממשק משתמש, • בקר רב צירי, • בקר מנוע • המנוע עצמו בחברת סרווטרוניקס, מתמקדים בפיתוח וייצור שני הרכיבים המרכזיים בשרשרת, בקר המנוע ובקר התנועה הרב צירי. את ממשק המשתמש והמנועים מייצרים בחברה האם". 4 ירון דופלט

5. תהליכים רב-ציריים בבקרת המכונה משולבים תהליכים רב ציריים, כגון: פיתוח מסלולי תנועה במרחב, מסלולי עקיבה, מנגנוני חירום שונים וטיפול בחווים לוגיים. בהמשך, ישנם גם תהליכי בקרה חד ציריים המוודאים שכל ציר וציר אכן מבצע את המוטל עליו בכל רגע. חיישני מיקום וזרם, הנמצאים במנוע, מספקים מידע בזמן אמת בקצב של אלפי פעמים בשניה. אלו הם תהליכי בקרה בחוג סגור. 5 ירון דופלט

6. ארכיטקטורת מערכת פתוחה או - תכנון מערכות גמישות יצרני המכונות בעולם, בונים כיום מכונות אשר: • עובדות מהר יותר • נותנות תפוקה רבה יותר • הן זולות יותר וקלות יותר ולפיכך אתגריות יותר לבקרה. היצרנים דורשים מוצרים בעלי קישוריות סטנדרטית למערכות מחשב אחרות. במקרים רבים, נדרשת ארכיטקטורת מערכת פתוחה, המאפשרת הוספת פונקציות תוכנה וחומרה ע"י הלקוח. 6 ירון דופלט

7. אסטרטגיה מערכתית לביצוע משימות בקרה כדי לענות על דרישות אלו, בחרו בסרווטרוניקס באסטרטגיה מערכתית, הבנויה על בקר מכונה רב צירי, מבוסס פלטפורמתPC תעשייתית וסטנדרטית, בשילוב עם בקרי מנוע חזקים מבוססיDSP. כוח החישוב של מעבדי האות החדשים, מאפשר למגבר (בקר המנוע או ה-DRIVE) לבצע את כל משימות הבקרה החד ציריות, ובכללן כל משימות הבקרה בחוג סגור. 7 ירון דופלט

8. מאפייני הגמישות בקר המכונה, עסוק רק במשימות המשלבות מידע ממספר צירים בו זמנית, כגון: פיתוח מסלול תנועה במרחב תלת ממדי וסנכרון בין צירים. ארכיטקטורה זו, מאפשרת לנו גמישות מקסימלית ותמיכה במספר צירים רב ביותר (עד 16), כנדרש ממכונות מודרניות. השימוש בפלטפורמתPC סטנדרטית, מאפשר גמישות ביחס שבין עלות\ביצועים. 8 ירון דופלט

9. מידע על מיקום - תקשורת מהירה מכיוון שהמגבר מבצע את כל משימות הבקרה בחוג סגור - כולל בקרת מיקום, הוא בעצם עוקב אחרי פקודות מיקום, המיוצרות בבקר הרב צירי, כל שתי אלפיות שניה. הדרך היחידה להעביר אינפורמציית מיקום בקצב זה, היא באמצעות תקשורת נתונים מהירה וסינכרונית. אנו בחרנו להשתמש בתקשורת מסוגSERCOS שפותחה במיוחד ליישומי בקרת תנועה. 9 ירון דופלט

10. תקשורת אופטית - חיסכון וגמישות בעזרת תקשורת כדוגמתSERCOS, ניתן לא רק לשפר את ביצועי המערכת וקלות השימוש בה, אלא גם לחסוך בעלויות ע"י צמצום משמעותי במספר החוטים והחיבורים. זוג סיבים אופטיים, מחליף מספר רב של חוטים (כ- 10 לציר), הנדרשים בארכיטקטורות מסורתיות הכוללות מעבר אינפורמציה אנלוגית. במערכות מרובות צירים, החיסכון הוא משמעותי ביותר ומגיע למאות דולרים למערכת. מיעוט החיבורים והסיבים האופטיים, מאפשר למקם את המגברים רחוק מן הבקר הרב צירי, ובמקום כל שהוא במכונה. כך מתאפשרת גם גמישות בתכנון המכני. 10 ירון דופלט

11. גמישות - התאמה אישית SERCOSבהיותו פרוטוקול סטנדרטי (1491)IEC מאפשר גמישות בבחירת יצרני המגברים והבקרים הרב ציריים, ממש כפי שמאפשר זאת הממשק האנלוגי הסטנדרטי (ההיצע כמובן מוגבל יותר). גמישות זו, והעובדה שהמערכת נותרת פתוחה למרות הממשקים הספרתיים, הנה מגמה עולמית שהולכת ותופסת אחיזה רבה בעיקר בארה"ב ואפילו ביפן. יכולתו של ה-SERCOS להעביר סוגים שונים של אינפורמציה בו זמנית, יחד עם ארכיטקטורת ה-PC של הבקר הרב צירי (MC SERVOSTAR),מאפשרת לקולמורגן, להציע ללקוחות גדולים מערכת המותאמת להם באופן אישי. 11 ירון דופלט

12. תקשורת ספרתית - חולשה אנלוגית SERCOS, פותח ע"י קבוצה של יצרני מגברים באירופה באמצע שנות השמונים, במטרה להתגבר על מגבלות הממשק האנלוגי המקובל בין בקרי תנועה רב ציריים למגברים. ב- 1995 אושרSERCOS כסטנדרד בינלאומי (1491IEC). החל מאמצע שנות התשעים, הלכו מערכות ה-SERCOS וצברו פופולריות: בין השנים 1995 עד 1997 נמכרו יותר מ ?150,000 רכיבי תקשורת. SERCOS פותח בתגובה לחולשות המערכת האנלוגית. בעזרת תקשורת ספרתית, ניתן להתגבר על רעשים בפקודה, בעיות רזולוציה, סחיפות וכו'. SERCOS, מציע תקן אחיד להעברה סינכרונית של פקודות, מהבקר למגבר, וכן של אינפורמציה שוטפת מהמגבר לבקר, וזאת בעזרת זוג סיבים אופטיים. 12 ירון דופלט

13. המגבר - סוגר את חוג המשוב SERCOS, בנוסף ליתרונות שנימנו למעלה, מציע גם שינוי עקרוני במבנה מערכת הבקרה. משימות בקרה, שבאופן מסורתי נמצאו בבקר הרב צירי, עוברות כעת למגבר, וכעת המגבר הוא האחראי לסגירת חוג המיקום ולמעשה, לכל פעילות החוג הסגור במכונה (סרוו). כך ניתן לשפר את ביצועי המערכת, מבלי להעמיס את התקשורת ואת בקר המכונה בקצבי עבודה גבוהים. 13 ירון דופלט

14. ציור מס 1 מערכתSERCOS בעלת שני צירים במערכתSERCOS, מחוברים סנסור המיקום והמנוע למגבר בלבד. כך גם אותות נוספים כדוגמת מפסקי גבול ואנקודרים חיצוניים. 14 ירון דופלט

15. תקשורת מתקדמת סינכרונית כל האינפורמציה, עוברת בצורה דטרמיניסטית וסינכרונית על גבי הסיבים האופטיים. אוסף האינפורמציה הסינכרונית המשודרת ניקראTELGRAM. ישנן מספר סוגי טלגרמות, המשודרות במהלך מחזור תקשורת אחד. בתחילת כל מחזור, שולח הבקר הרב-צירי הודעת סנכרון (MST), המוודאת שכל המגברים יעבדו בקואורדינציה מלאה. לאחר מכן, כל מגבר משדר בזמן נתון הודעה הכוללת אינפורמציה כגון מיקום וכדומה. בסוף המחזור, שולח הבקר הודעה בשםMDT, הכוללת את כל האינפורמציה המעודכנת למגברים. 15 ירון דופלט

16. תקשורת מתקדמת סינכרונית לדוגמא: פקודת המיקום החדשה לכל אחד מהצירים. הציור הבא מראה את מבנה התקשורת עבור מערכת דו-צירית: ההודעות השונות, מתחלקות להודעות מחזוריות וכאלו שאינן מחזוריות. ההודעות המחזוריות מתעדכנות מדי מחזור, ושמורות בדרך כלל לפקודות מיקום ולמשוב מיקום ומהירות. 16 ירון דופלט

17. תקשורת מתקדמת סינכרונית SERCOS הוא פרוטוקול גמיש, המאפשר למשתמש להגדיר איזה מידע צריך להתעדכן בערוץ הסינכרוני. ישנם מספר סוגי טלגרמות סינכרוניות סטנדרטיות, המאפשרים להגדיר ולבחור מתוך משתני המיקום, המהירות והזרם, את אלו שרלוונטיים לטובת המערכת הרצויה. במידת הצורך, ניתן לבחור גם בסוג הודעה גמיש, המאפשר עידכון סינכרוני של כל גודל שהוא. מידע נוסף ניתן למצוא במאמר מלא (בשפה האנגלית), הכולל גם השוואות לארכיטקטורת מערכת אנלוגית. מאמר זה מופיע באתר של חברת קולמורגן בכתובת: http://kmtg.kollmorgen.com/About_Us/Editorials/sercos.html 17 ירון דופלט