Moderne Industriesysteme wie Robotik und automatisierte Fördersysteme sind auf synchronisierte Hochgeschwindigkeitsdaten angewiesen, um die Leistung zu optimieren, die Effizienz zu verbessern und eine vorausschauende Wartung zu erreichen. Allerdings ist die Erfassung und Koordination von Positions- und Bewegungsdaten mit einer Genauigkeit im Millisekundenbereich eine große Herausforderung. Standardmäßigen Datenerfassungssystemen (DAQ) fehlt häufig die spezielle Funktionalität, die für eine Echtzeitverbindung mit Encodern und Timern erforderlich ist, was zu einer verringerten Systemzuverlässigkeit und Leistungsengpässen führen kann.
In diesem Artikel werden zunächst kurz die verschiedenen Anforderungen vorgestellt, die für die Hochgeschwindigkeitsmessung von Position und Zeit in rauen Industrieanwendungen erforderlich sind. Anschließend wird das Encoder-Zähler-/Timer-Modul von Advantech vorgestellt und die verschiedenen Encoder-Modi und vier Hochgeschwindigkeitskanäle dieses Moduls erläutert, wie sie zur Lösung komplexer Synchronisationsprobleme in Roboter- und Bewegungssteuerungsanwendungen eingesetzt werden können. Typische Systemkonfigurationen und kompatible Softwaretools bieten einen klaren Implementierungspfad für die Systemintegration.
Die Bedeutung einer präzisen Steuerung von Bewegung und Zeit in industriellen Prozessen
Moderne Industriesysteme basieren auf komplexen und geordneten Bewegungen, bei denen die Koordinationsfähigkeit von entscheidender Bedeutung ist. Betrachten wir einen Roboterarm, der Bauteile von einem laufenden Förderband aufnimmt. Damit das System normal funktioniert, muss die Bewegung des Roboterarms mit der Geschwindigkeit und Position des Förderers synchronisiert werden. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, Informationen aus mehreren Datenquellen mit einer Genauigkeit im Millisekundenbereich zu erfassen und zu koordinieren, was eine äußerst anspruchsvolle technische Anforderung darstellt.
Bei der Lösung dieses Problems spielt das DAQ-System eine zentrale Rolle. Das System erfasst Encoderdaten vom Antriebsmotor des Förderbands und den Gelenken des Roboterarms und synchronisiert diese Messungen in mehreren Kanälen, um den Zeitpunkt des Abfangens von Gegenständen auf dem Förderband genau zu berechnen.
Wenn die Geschwindigkeit des Förderbands erhöht wird, um die Produktionseffizienz zu verbessern, muss das Datenerfassungssystem (DAQ) Positions- und Zeitdaten schnell erfassen, um Fehler zu vermeiden. Verzögerte oder fehlende Sensorwerte können zu einem falschen Timing des Betriebs mechanischer Komponenten führen und sogar Kollisionen zwischen mechanischen Komponenten verursachen, was zu unerwarteten Abschaltungen und Produktivitätsverlusten führt.
Das hochpräzise DAQ-System unterstützt zudem die vorausschauende Wartung. Beispielsweise können anormale Geschwindigkeits- oder Positionsfehler auf ein Problem wie Lagerverschleiß oder Riemenschlupf hinweisen. Durch die Analyse dieser Signale können Konstrukteure potenzielle Fehler im Voraus erkennen und Betriebsunterbrechungen vermeiden.
Anforderungen an Hochgeschwindigkeits-DAQ
Um diese Anwendungsanforderungen zu erfüllen, müssen DAQ-Systeme die folgenden wichtigen Leistungsmerkmale aufweisen:
Hochgeschwindigkeits- und hochauflösende Abtastung: Die Erfassung subtiler Bewegungen, wie z. B. Positionsänderungen im Submillimeterbereich, erfordert sowohl hohe Abtastraten als auch eine hochpräzise Auflösung. Durch die Abtastung im Megahertz-Bereich (MHz) wird sichergestellt, dass selbst in Hochgeschwindigkeitsumgebungen keine kritischen Ereignisse übersehen werden.
Gleichzeitige Mehrkanal-Probenahme: Um den Betrieb des Roboterarms und des Förderbands zu koordinieren, ist es notwendig, ihre jeweiligen Positions- und Zeitdaten gleichzeitig und nicht nacheinander zu erfassen. Der Versuch, nacheinander erfasste Datenströme zu korrelieren, kann zu Fehlern führen, z. B. zur Auswahl des falschen Artikels auf dem Förderband oder zum völligen Fehlen dieses Artikels.
Flexible Encoder-Unterstützung: In industriellen Systemen werden häufig Komponenten verschiedener Lieferanten verwendet, was zu gemischten Encoder-Signaltypen führt. Das DAQ-System sollte mehrere Encoder-Modi unterstützen, um das Hinzufügen von Schnittstellenlogik zu vermeiden.
Industriedesign: In industriellen Umgebungen können elektronische Geräte rauen Bedingungen wie elektromagnetischen Störungen, Vibrationen und hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Um einen zuverlässigen Systembetrieb sicherzustellen und Systemausfälle zu verhindern, muss daher geeignete DAQ-Hardware verwendet werden.
Skalierbarkeit: DAQ-Systeme sollten modular aufgebaut sein, damit Entwickler das System problemlos erweitern können, indem sie weitere Kanäle oder verschiedene Arten von Eingängen hinzufügen. Das bedeutet, dass auch bei fortschreitendem Ausbau der Automatisierungsanlagen die Integration neuer Roboter, Sensoren und Produktionslinien gewährleistet werden kann.
Um diesen vielfältigen Anforderungen gerecht zu werden, ist es notwendig, sich den damit verbundenen erheblichen Designherausforderungen zu stellen. Obwohl sich viele Datenerfassungsgeräte hervorragend für die allgemeine Datenerfassung eignen, erfordern Anwendungskriterien, bei denen es um synchrone Hochgeschwindigkeitsbewegungen geht, spezielle Hardware.
Fortschrittliche Positions- und Zeitmesstechnologie für Bewegungssteuerungssysteme
Das von Advantech auf den Markt gebrachte hochpräzise Encoder-Zähler-/Timer-Modul iDAQ-784 (Abbildung 1) wurde speziell für die Erfüllung dieser Anforderungen entwickelt. Dieses Modul stellt vier universelle 32-Bit-Encoderkanäle zur Verfügung, die die synchrone Messung von Position und Zeit in industriellen Systemen unterstützen können. Dieses Modul unterstützt Eingangsfrequenzen bis zu 10 MHz, um ein präzises Timing der Encodersignale zu erreichen.
Advantechs iDAQ-784 Encoder-Zähler-/Timermodul
Abbildung 1: Das Encoder-Zähler-/Timer-Modul iDAQ-784 unterstützt die gleichzeitige Datenerfassung auf vier 32-Bit-Kanälen und eignet sich daher für komplexe industrielle Bewegungssteuerungsanwendungen. (Bildquelle: Advantech)
Die integrierte digitale Signalfilterfunktion kann dem iDAQ-784 zu einer klareren Signalübertragung und einer höheren Messgenauigkeit verhelfen. Dies bietet hochpräzise Charakterisierungsfunktionen auf Systemebene für fortschrittliche Automatisierungsanwendungen wie Industrieroboter, Bewegungssteuerungssysteme und Hochgeschwindigkeitsfördersysteme.
Eingabe-, Mess- und Ausgabemodi des Encoders
IDAQ-784 unterstützt mehrere Eingangssignaltypen und Messmodi, um vielfältige industrielle Bewegungssteuerungsanforderungen zu erfüllen. Jeder Zählerkanal unterstützt Single-Ended- und Differenzeingänge mit einem Gleichtaktspannungsbereich von ± 15 VDC. Dieses Modul unterstützt drei Industriestandard-Encoder zur Positionsmessung:
Orthogonal (A/B-Phase): Durch die Verwendung zweier Signalkanäle (A-Phase und B-Phase) mit einer Phasendifferenz von 90° werden Position und Richtung synchron bestimmt. Die spezifische Kodierungsmethode (X1, X2 oder
Doppelimpuls (CW/CCW): Impulse im Uhrzeigersinn (CW) und gegen den Uhrzeigersinn (CCW) verwenden separate Eingangsleitungen. Der Zähler erhöht sich bei einem CW-Impuls und verringert sich bei einem CCW-Impuls.
Impulsrichtung (vorzeichenbehafteter Impuls): Ein Signal dient zur Erzeugung eines Impulses, während das andere Signal die Richtung angibt. Der Zähler erhöht oder verringert sich basierend auf dem Zustand des Richtungssignals.
Jeder Encodereingang kann eine Single-Ended- oder Differenzialverdrahtung verwenden und einen Z-Signaleingang für die Positionsrücksetzung bereitstellen. Jeder Zählkanal unterstützt außerdem mehrere Funktionsmodi für Timing und Impulserzeugung:
Ereigniszählung: Zählt die steigende oder fallende Flanke des Eingangssignals, mit optionaler Gate-Funktion.
Frequenzmessung: Messen Sie die Signalfrequenz genau mit der Umkehrzyklusmethode oder der Impulszählmethode.
Impulsbreitenmessung: Misst die Dauer von hohen und niedrigen Pegeln eines digitalen Signals.
Positionsmessung: Verfolgen Sie die Encoderposition mithilfe der oben genannten unterstützten Eingabemodi.
Kontinuierlicher Vergleich (Positionsvergleich): Bei Erreichen der Positionsschwelle wird ein Ausgangsimpuls oder Interrupt ausgelöst.
Einzeltrigger (verzögerte Impulserzeugung): Nach Gate-Triggerung und einer angegebenen Verzögerung wird ein einzelner Impuls ausgegeben.
Timer-/Impulserzeugung: Ausgabe einer kontinuierlichen Impulsfolge mit Interrupt-Unterstützungsfunktion.
Pulsweitenmodulation (PWM): Ausgabe von Wellenformen mit programmierbarer Hoch- und Tiefpegeldauer; Unterstützt begrenzte oder kontinuierliche Generierung.
Diese umfangreiche Modusauswahl gewährleistet die Kompatibilität mit verschiedenen gängigen Geräten in Industriesystemen.
Speziell für industrielle Umgebungen entwickelt
Der iDAQ-784 und sein umgebendes Ökosystem sind darauf ausgelegt, eine hohe Zuverlässigkeit in rauen Industrieumgebungen zu erreichen. Der Nennbetriebstemperaturbereich dieses Moduls beträgt -40 °F bis 158 °F, bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von bis zu 90 % (nicht kondensierend).
Darüber hinaus ist dieses Modul speziell darauf ausgelegt, den üblichen elektromagnetischen Störungen in Fabrikumgebungen zu widerstehen; Sein eingebauter digitaler Signalfilter kann die Signalklarheit verbessern, und jeder Kanal unterstützt den differenziellen Signaleingang, wodurch eine hervorragende Leistung bei der Unterdrückung von Gleichtaktrauschen erreicht wird.
Dieses Designkonzept erstreckt sich auch auf Ökosystemzubehör, das robuste und langlebige Designs aufweist, die den DIN-Schienen-Standards entsprechen und zuverlässig in Industrieschränken installiert werden können. Mit der leistungsstarken Kombination aus Umgebungstoleranz, Rauschresistenz und robuster physikalischer Integration kann eine hochpräzise Charakteristikanalyse auf Systemebene für fortschrittliche Automatisierungsanwendungen durchgeführt werden.
Aufbau eines Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisions-Datenerfassungssystems
Der erste Schritt beim Aufbau eines DAQ besteht darin, die Sensoren anzuschließen. Schließen Sie zunächst die Sensorleitungen an die Anschlussklemmen an. Das Schnittstellenmodul ADAM-3937-BE (Abbildung 2) von Advantech ist hierfür eine fertige Lösung. Dieses 37-Pin-Modul ist speziell für die DIN-Schieneninstallation konzipiert und hat Abmessungen von 87,2 mm x 112,5 mm x 51 mm. Es kann problemlos in eine standardmäßige DB37-kompatible Industrieinfrastruktur integriert werden.