česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 11. srpen 2022

Když optická indikace poruchy nestačí. Datová rozhraní zdrojů pro Průmysl 4.0 a IoT

DPS 1/2022 | Součástky - články
Autor: Udo Schweizer, TDK-Lambda

Ať už jde o digitalizaci, Průmysl 4.0, nebo chytrou výrobu – u všech těchto koncepcí je nezbytné, aby i jednoduché aplikace mohly být řízeny nebo přinejmenším sledovány prostřednictvím softwaru, internetu apod. Programovatelné zdroje s datovým rozhraním určené k zabudování dobře zapadají do koncepce Průmyslu 4.0 a v některých případech mohou učinit nákladný vývoj speciálních zdrojů zbytečným.

Úvod

Ke splnění požadavků Průmyslu 4.0 a chytré výroby je nezbytná digitální komunikace mezi stroji, snímači a hostitelskými systémy. I jednoduché aplikace potřebují schopnost řídit a sledovat výrobní proces v reálném čase pomocí softwaru nebo internetu. Z toho důvodu se objevily standardní zdroje s přidanou funkčností − datovými rozhraními, které jsou schopné zakomponování do koncepce Průmyslu 4.0. Při přechodu na autonomní výrobu by varovná indikační LED napájecího zdroje zůstala nepovšimnuta.

Obrázek  (jpg)

Průmysl 4.0 představuje zdokonalený výrobní proces lišící se od centralizovaného místního řízení, kde stroje, snímače, zařízení a lidé vzájemně komunikují a jsou jeden s druhým propojeni. To umožňuje sledování velkého množství aspektů v reálném čase, včetně rychlosti výroby, dostupnosti materiálu a preventivní údržby. Snímače v obráběcím centru zaznamenávají nejen výrobní rychlost, rychlost podávání, hloubku řezu a polohu nástrojů, ale také provozní čas, teplotu a viskozitu chladicí emulze. Systémy vyššího řízení dokážou využít těchto dat pro výpočet zbývajícího provozního času různých součástí strojů a nástrojů, a poskytují tak v předstihu upozornění na nadcházející servisní požadavky. Takovou informaci lze poté sladit s plánovanou změnou výrobního programu bez nákladných neplánovaných prostojů.

Potřeba datových rozhraní

Aby toto mohlo fungovat, musí mít každý subsystém stroje datové rozhraní. To musí zahrnovat informaci z napájecích zdrojů dodávajících stabilní regulovaná napětí a proudy do motorů, čerpadel, solenoidových ventilů a elektronických řídicích zařízení. To je zvláště důležité v případě napájecího zdroje, jelikož se jedná o systémově kritickou součást, jejíž porucha způsobí náhlé zastavení stroje. Pokud může zdroj hlásit např. velikost výstupního proudu, tato data mohou být analyzována z hlediska odchylek od normálního odběru a poskytnout tak včasné upozornění blížící se poruchy např. ložisek.

Modbus

Pro přenos dat v průmyslovém prostředí se používá cenově dostupný sériový protokol Modbus RTU (Remote Terminal Unit) s otevřeným zdrojovým kódem, který je založen na architektuře master-slave a využívá zejména sériová rozhraní RS-485. K téže sběrnici může být současně připojeno až 32 zařízení. RS-485 může používat kabelové úseky dlouhé až 1 200 m a má vysokou odolnost proti rušení díky přenosu signálu v symetrickém módu. Používá se v průmyslu a laboratořích již několik desetiletí s širokou znalostní základnou v průmyslu. Další výhodou protokolu Modbus RTU je snadné zavádění běžného vizualizačního softwaru pro řízení výrobních procesů jako LabVIEW a WEE.

Modbus TCP (někdy označovaný jako Modbus IP, Modbus EtherNet a Modbus TCP/IP) běží na ethernetové fyzické vrstvě. Počet zařízení, která lze připojit, je prakticky neomezený, ale datové přepínače jsou dražší.

Obr. 1 ukazuje konfiguraci typickou pro výrobní halu. Ethernet je využíván na vyšší vrstvě pro komunikaci mezi servery, počítači a rozhraními HMI (Human-Machine Interface) strojů. Fieldbus zahrnuje komunikaci na nižší vrstvě mezi HMI a stroji.

Obr. 1  (jpg)

Zdroje Fieldbus vhodné pro použití s protokolem Modbus RTU

Řada průmyslových zdrojů 600 W TDK-Lambda GXE600 (obr. 2) byla navržena především pro použití v aplikacích Fieldbus Průmyslu 4.0. Vyznačuje se komunikací prostřednictvím RS-485 se schopností jak sledování, tak programování výstupního napětí a proudu. Výrobky jsou dále programovatelné k provozu v režimech konstantního proudu a/nebo konstantního napětí.

Obr. 2 (jpg)

Využití rozhraní k programování napájecího zdroje

Zdroj TDK-Lambda GXE600 disponuje softwarovým nástrojem G-AXESS (obr. 3), který je dostupný ke stažení pro konstruktéry strojů. Tento softwarový nástroj, který je aplikací LabVIEW, běží pod Windows. PC nebo notebooky bez rozhraní RS-485 lze ke zdroji připojit přes komerčně dostupný převodník USB/RS-485. LabVIEW je software, který se běžně používá pro řízení strojů, továren a pro vizualizaci dat. Mnozí konstruktéři, specialisté na automatizaci a další techničtí specialisté znají LabVIEW velmi dobře. Nastavit lze výstupní napětí, proud, přepěťovou ochranu, omezení proudu a další řídicí a signálové parametry. Programovatelné jsou rovněž čas trvání náběhové rampy proudu a napětí, parametry proudového omezení, zpoždění signálů, ochranné funkce i chování zdroje po výpadku napájení.

Obr. 3  (jpg)

Možnost naprogramovat trvání náběhové rampy umožňuje, aby GXE600 mohl být využit v aplikacích, které doposud vyžadovaly nákladný a časově náročný vývoj zákaznických zdrojů. Jedním příkladem jsou hmotnostní spektrometry, u nichž velké vnitřní indukčnosti vyžadovaly delší náběhové rampy výstupního napětí. S využitím G-AXESS může návrhář aplikace nastavit čas trvání rampy v širokých mezích softwarově. Aplikace v oblastech testování a pokovování často vyžadují, aby zdroj dokázal pracovat v režimech konstantního napětí a konstantního proudu. Výstup GXE600 je programovatelný od 20 % do 120 % jmenovitého výstupního napětí a od 20 % do 100 % jmenovitého výstupního proudu. Tato funkce je zajištěna pomocí softwaru nebo vnějšího analogového napětí (obr. 4).

Obr. 4 (jpg)

Data uložená ve zdroji

Schopnost uložit data uvnitř zdroje pro Průmysl 4.0 může pomoci při hledání poruchy stroje a při plánování preventivní údržby. S využitím příkladu GXE600; zdroj je vybaven čítačem provozních hodin, snímačem teploty a registrem chyb. Díky tomu je možné snadno vyhledat hardwarová data, včetně počtu hodin v provozu, vnitřní teploty, označení modelu, čísla výrobní šarže, výrobního čísla a verze firmwaru. Hardwarová data jsou důležitá pro servis a dohledatelnost součástek, přičemž jsou využitelná v centrálním řízení výroby. Podporována je také vnější paměť chyb (obr. 5), kterou lze nainstalovat např. v HMI stroje. Data lze poslat ze zdroje do HMI přes rozhraní Modbus RTU.

Obr. 5 (jpg)

S G-AXESS je možné ve vnitřním registru chyb zvolit, jestli hodnoty mají být ukládány do paměti závislé na napájení, nebo do paměti na napájení nezávislé. V případě poruchy může servisní oddělení použít tato data k určení příčiny poruchy, kterou může být opotřebení ložiska servomotoru způsobující zvýšený proudový odběr.

Tato historie teploty, provozního času a času ve stavu přetížení může být využita k výpočtu úrovní namáhání a délky života daného výrobku. Dle základního pravidla zvýšení teploty o 10 stupňů znamená zkrácení života elektrolytických kondenzátorů na polovinu, viz obr. 6.

Obr. 6 (jpg)

Tato data umožňují uživateli předpovědět, kdy zdroj bude nutné vyměnit, a jeho výměnu naplánovat podle rozvrhu pravidelné údržby. G-AXESS lze použít k uložení těchto parametrů na PC pro libovolný počet zdrojů.

Praktické výhody

Spíše než spoléhání se na vizuální signál indikační LED varující před potenciálním problémem, datové rozhraní zdroje dokáže poslat podrobnou zprávu počítačům pro řízení výroby. Postižený stroj je možné odstavit, servisní technik může dostat zprávu a výroba může být přesměrována na paralelní stroj.

Jedním příkladem aplikace, kde zdroj GXE600 posílá data, jsou autonomní vysokozdvižné vozíky. Baterie Li-ion nebo Li-Polymer vyžadují komplexní systém řízení ve srovnání s bateriemi olověnými. GXE600 je integrován do řídicí jednotky vozidla přes datové rozhraní, přičemž trvale poskytuje data o nabíjecím proudu, napětí a čase. Řídicí jednotka tyto informace analyzuje a na jejich základě dokáže upravit parametry nabíjení, spočítat zbývající provozní čas vozidla a dobu trvání příštího nabíjení. Tímto způsobem je optimalizována spolehlivost a dostupnost vysokozdvižných vozíků ve velkých logistických centrech.

 

Závěr

Zdroj s datovým rozhraním je odpovědí na klíčové úlohy, kterým čelí lidé obsluhující stroje v prostředí Průmyslu 4.0. Snadnou integrací do prostředí Fieldbus lze získat nové možnosti pro údržbu na dálku, diagnostiku poruch a podporu přechodu z pevných na dynamické intervaly údržby.

Touto cestou může napájecí zdroj přispět k optimalizaci produktivity celé továrny a ke snížení neplánovaných nákladných odstávek strojů.

Článek byl přeložen a poskytnut firmou Amtek s. r. o.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik