Cos’è l'IO-Link?

Martedì, 24 Marzo 2020

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Cos’è l'IO-Link?

Gestione della comunicazione dati a livello di ingressi e uscite nei macchinari automatici. È questa la funzione di IO-Link. È economico, semplice ed efficiente.
Fatta questa premessa, i lettori vorranno saperne di più. La documentazione riguardante l’impiego di IO-Link per la gestione del traffico di ingressi/uscite è ampia, ma le informazioni sul suo uso nel campo del motion control sono scarse. Pur non sottovalutandone i limiti in questo campo, in questo articolo esaminiamo le applicazioni di IO-Link proprio nel motion control.

Basta chiedere quali sono le caratteristiche principali di IO-Link a un utilizzatore per sentirsi immancabilmente rispondere che è una soluzione semplice, solida ed economica per tutto il ciclo di vita della macchina, che è facile da integrare, installare, mettere in esercizio e anche da utilizzare, oltre al fatto che facilita la manutenzione... Per inciso, IO-Link è anche una soluzione ottimale per applicazioni di motion control semplici, ed è proprio questo l’aspetto su cui vogliamo concentrare qui la nostra attenzione. Ma, prima di tutto, vediamo cos’è IO-Link.

NO bus di campo, universale, predisposto per Industry 4.0…

In effetti, IO-Link è uno standard (IEC 61131-9) definito dall’organizzazione internazionale IEC. Lo standard definisce le specifiche di un’interfaccia SDCI – Single-drop Digital Communication Interface – per piccoli sensori e attuatori. A prescindere dal controller (e dal protocollo – bus di campo – di comunicazione dati) utilizzato per l’automazione del sistema, la “parte 9” dello standard “IEC 61131” definisce le specifiche di una tecnologia SDCI unica e universale, adatta per applicazioni che impiegano piccoli sensori e attuatori (ampiamente usati sui macchinari). Sebbene l’organizzazione IO-Link sia uno dei membri del consorzio PROFINET, gli utilizzatori non devono necessariamente adattare i loro sistemi di sensori/attuatori (connettori, cavi, dispositivi hardware e software) ad alcun protocollo di bus di campo specifico. Come si dice spesso, “IO-Link è una soluzione universale interprotocollo” e si adatta a qualsiasi architettura basata su Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP, AS-I, ecc.

L’obiettivo è semplice e chiaro: estendere le tradizionali interfacce digitali di ingresso e uscita nella direzione di una comunicazione punto a punto (indipendentemente dal bus di campo adottato a livello di PLC).

Nel campo, questa tecnologia supporta la trasmissione bidirezionale di dati di processo, manutenzione ed eventi fino al dispositivo misuratore che opera nel punto più interno della macchina e includendo tutti i sensori e gli attuatori. Sia i master che i dispositivi adottano un protocollo specificato conformemente al modello di riferimento ISO/OSI (livello fisico, livello di collegamento dati e livello di applicazione). IO-Link consente inoltre il trasferimento di dati di controllo e parametri fino ai dispositivi, oltre all’invio dei dati di processo e delle informazioni di diagnostica al sistema di automazione dai singoli dispositivi.

Dal punto di vista fisico, IO-Link si basa su una tecnologia semplice, solida e ben collaudata: il classico collegamento a tre fili usato per i comuni sensori e attuatori, senza alcun requisito aggiuntivo in termini di cablaggio. Citando le parole dei suoi promotori, si tratta di “un’ulteriore evoluzione della tecnologia di collegamento esistente e ben collaudata di sensori e attuatori”. E non prevede la necessità di interfacce e sistemi di comunicazione basati su collegamenti multipunto o multidrop. Detto questo, IO-Link viene essenzialmente utilizzato per l’automazione di fabbrica e trova ampio impiego con sensori ed attuatori semplici, nelle applicazioni che includono microcontroller di piccole dimensioni ed economici.

In altre parole, uno dei vantaggi principali di questo standard sta nel fatto che il livello di sensori e attuatori (ingressi e uscite) può rimanere inalterato, indipendentemente dal controller di livello superiore della macchina e/o dal controller di tutto il sistema di automazione. Ciò consente di ridurre i tempi di progettazione e ingegnerizzazione, di diminuire il numero di ricambi e componenti per riparazioni da conservare a magazzino, di ridurre i “grattacapi” e di garantire maggiore tranquillità. Di fatto, questo standard è universale e si adatta a svariate applicazioni.

Come dicono alcuni utilizzatori: “IO-Link sta rivoluzionando le comunicazioni a livello di campo”. Rende disponibili i dati da tutti i livelli di macchina e di tutto il sistema, perfettamente in linea con le strategie di Industry 4.0. Essendo predisposto per Industry 4.0, questo standard offre oggi – e lo farà sicuramente in futuro – le potenzialità necessarie per implementare funzioni di macchina migliorate e persino completamente nuove. Nel futuro di IO-Link sono già previste tecnologie di produzione migliori e più economiche. Più concretamente, questo standard permette e garantisce investimenti a lungo termine.

Economico, facile da integrare, implementare, usare, diagnosticare e manutenere…

Il rapporto costi-benefici di IO-Link è positivo. Ancora prima di arrivare sul campo come soluzione fisica e concreta, aiuta a ridurre i tempi di ingegnerizzazione tagliando i tempi degli studi progettuali e della fase di preparazione alla messa in esercizio. E quando “scende in campo”, la messa in esercizio è più rapida. Come anticipato, IO-Link utilizza cavi standard e contribuisce anche a ridurre le scorte a magazzino dei ricambi grazie a dispositivi multifunzione intelligenti.

Oltre a ciò, IO-Link semplifica la diagnostica della rete di sensori e attuatori e anche l’organizzazione degli interventi di manutenzione. Funzionalità di diagnostica ampliate permettono infatti di eseguire la diagnosi in remoto fino al livello dei dispositivi sul campo, per rilevare rotture di cavi e diagnosticare dispositivi specifici. Grazie alla sua semplicità e solidità, alla facilità e rapidità di manutenzione e riparazione, IO-Link contribuisce ad aumentare i tempi di attività dei sistemi di macchinari. Senza scendere troppo nei dettagli su questo aspetto, ciascun dispositivo sul campo viene descritto tramite un file IODD (IO Device Description), che contiene informazioni quali il produttore del dispositivo, il numero del modello e quello di serie e il tipo di dispositivo, oltre ai parametri correlati all’applicazione. I valori di questi parametri possono essere modificati da remoto (tramite il master), in modo che la macchina possa essere adattata da remoto e online per il lotto di produzione successivo. Analogamente, sebbene i parametri di un collegamento risiedano nel master (hardware), possono essere ripristinati, regolati e modificati dinamicamente durante il processo di produzione. E se un’unità master deve essere sostituita per una qualsiasi ragione, basta eseguire solo la pre-configurazione (in ufficio o in laboratorio) e la sostituzione (sul campo). In questi casi, si tratta solo di una “sostituzione meccanica” da effettuare nella centralina della macchina. Grandioso, vero? E anche facile.

In sintesi, IO-Link è orientato all’automazione di fabbrica e ai macchinari. I concetti di macchina innovativi su cui si basa IO-Link assicurano un’installazione più semplice. Standardizza interfacce e sistemi di cablaggio (paralleli, analogici, digitali) in un’unica tipologia, e i concetti di macchina modulare sono intrinsecamente supportati. I moduli delle funzioni e il supporto fornito dagli strumenti consentono un’impostazione altamente automatizzata dei parametri. Progettazione, messa in esercizio e manutenzione risultano quindi più rapide e semplici.

Tutte queste semplificazioni portano, naturalmente, a una riduzione della documentazione e dei costi di formazione.

Che cos'è l'IO Link?

Motion Control

Per le comuni applicazioni I/O sono disponibili molte informazioni. Molte di meno, però, sono quelle che riguardano le applicazioni di motion control. Beh, secondo il punto di vista degli autori di documentazione tecnica, il motion control suscita grande interesse in termini di applicazioni di motion control avanzato che devono gestire velocità elevate e/o posizionamenti ciclici, o ancora applicazioni che richiedono solitamente numerosi calcoli di interpolazione e/o applicazioni che utilizzano ingranaggi e/o camme elettrici.

D’altro canto, però, sebbene i produttori e i fornitori di sistemi di motion control possano offrire tali applicazioni complesse, molti utilizzatori sono semplicemente alla ricerca di applicazioni facili da progettare. E, dato che IO-Link supporta solo cicli di automazione piuttosto lenti, può rispondere perfettamente a questa esigenza.

In tali applicazioni, i sensori misurano e controllano valori e parametri di processo come angoli, distanze, frequenze e impulsi, livelli, posizioni, pressioni, conteggi di rotazione o scorrimento, velocità lineari o di rotazione, temperature, ecc.

Intervalli e soglie di misurazione devono essere impostati in modo variabile in funzione di vari lotti di produzione. Se prima queste variazioni venivano in genere eseguite manualmente (con il rischio di dover gestire errori umani e correzioni), IO-Link consente di impostarle da remoto. Il master IO-Link è in grado di riconoscere sensori, attuatori e display connessi. Prima dell’avvio della produzione, controlla i parametri di configurazione di tutti i dispositivi. Sebbene non siano complesse in termini di velocità o interpolazioni, molte applicazioni di motion control utilizzano numerosi parametri. E in questo caso l’impostazione dinamica dell’applicazione costituisce un vero e proprio vantaggio.

Il mercato globale dei macchinari è messo a dura prova. La competizione è serrata! In questo contesto la giuria è composta da... gli utilizzatori! E gli utilizzatori guardano a queste soluzioni per l’affidabilità dei macchinari e si aspettano che le macchine possano ripagare rapidamente l’investimento.




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I sistemi di sicurezza industriali: una storia che parte da lontano

Lunedì, 14 Gennaio 2019

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safety - sistemi di sicurezza industriale

Dai dispositivi elettromeccanici, ai PLC di sicurezza, ai fieldbus, alle nuove sfide di Industry 4.0

safety macchina utensile

Le macchine e i sistemi di automazione devono rispondere a norme di sicurezza ormai comuni in tutto il mercato europeo. In passato, per garantire la rispondenza a tali norme si potevano utilizzare solo dispositivi elettromeccanici (come i relè di sicurezza), essendo vietate sia le soluzioni puramente elettroniche, sia quelle basate unicamente sul software. L’interruzione di un circuito elettrico, per esempio, era considerata accettabile solo se veniva ottenuta con un interruttore o un sezionatore che provocava una discontinuità fisica nel circuito stesso. La scelta dei componenti utilizzati per creare un sistema di sicurezza si è continuamente ampliata, fino a comprendere anche i dispositivi di interblocco, le barriere fotoelettriche, le pedane sensibili alla pressione, i pulpiti di comando a due mani e così via.



I PLC di sicurezza ‘sdoganano’ la tecnologia elettronica e l’informatica

grafico safety

Negli ultimi anni, i segnali emessi dai dispositivi di sicurezza in campo vengono monitorati anche tramite componenti come i PLC di sicurezza: si tratta di PLC progettati con particolari criteri che riguardano sia il cablaggio degli I/O, sia l’elaborazione del programma di controllo per rispondere a quelli che sono i criteri di messa in sicurezza di una macchina, un impianto o un’area in generale.
Spesso, per esempio, nel PLC di sicurezza vi sono due processori che eseguono un controllo di plausibilità sulla logica che vanno ad elaborare. Nel caso venga rilevata un’incongruenza, tutto si porta in una condizione di sicurezza. Esistono poi dei criteri che prevedono anche la verifica del tempo effettivo di elaborazione delle informazioni, perché ci deve essere una determinata reazione in termini di sicurezza quando, per esempio, si preme un pulsante di emergenza.
Nel tempo, i PLC di sicurezza hanno attraversato una serie di trasformazioni simili a quelle dei PLC standard: dalle unità stand-alone, alla distribuzione degli ingressi/uscite, alla distribuzione del controllo.
Nello stesso tempo, gli azionamenti a velocità variabile hanno sostituito molte delle tecniche tradizionali di Motion Control. In aggiunta al controllo preciso dei processi e all’efficienza energetica migliorata, gli azionamenti a velocità variabile hanno aiutato i costruttori di macchine anche a conformarsi più facilmente agli standard di sicurezza vigenti e a ridurre la complessità degli impianti. Negli azionamenti a velocità variabile, l’uso delle tecnologie elettroniche e del software ha permesso di creare nuove soluzioni nella gestione delle tradizionali funzioni di sicurezza come la STO - Safe Torque Off , la SS1- Safe Stop 1, la SSE - Safe Stop Emergency, e così via.


Nuovi scenari: la comparsa dei fieldbus

L'avvento dei bus di campo (fieldbus), ha cambiato gradualmente la situazione e favorito la riduzione del cablaggio, offrendo nuove opportunità in termini di flessibilità di progettazione, modularità, test e manutenzione.
Oggi, gli stessi vantaggi si manifestano nei circuiti di sicurezza, che possono essere distribuiti grazie ai fieldbus di sicurezza: i circuiti sono diventati meno complessi, mentre la riduzione di cavi e connessioni ha migliorato l'affidabilità, reso più semplice la manutenzione e facilitato la riconfigurazione del sistema.
Uno dei vantaggi più tangibili dati da questa nuova tecnologia è l'accessibilità da parte dellìoperatore al processo produttivo grazie alla riduzione delle barriere fisiche di sicurezza in favore di funzioni di sicurezza di ultima generazione gestite via software.

Perché per gestire la sicurezza occorrono dei fieldbus particolari? Perché i fieldbus convenzionali non sono adatti per la trasmissione dei controlli relativi alla sicurezza, essendo richiesti specifici meccanismi di rilevamento e prevenzione degli errori senza i quali non è possibile identificare i guasti in modo tempestivo. Sono perciò necessarie delle funzioni addizionali, garantire dai protocolli di sicurezza, che possano rilevare errori nella trasmissione dei dati quali ripetizione, perdita, inserimento, sequenza errata, danneggiamento dei messaggi, ritardo, permettendo inoltre di inviare anche i normali dati di processo.
Ma vediamo più da vicino le principali caratteristiche di alcuni dei fieldbus nati in funzione della sicurezza.



SafetyBUS p

SafetyBus p è un bus aperto basato sulla tecnologia CAN (Controller Area Network), adatto per l'uso in sistemi di sicurezza fino a EN 954-1 Categoria 4 e applicazioni SIL 3 secondo IEC 61508. Esso consente di connettere fino a 64 dispositivi su una rete avente una lunghezza massima di 3,5 km.
I principali vantaggi di SafetyBus p sono i tempi di reazione rapidi, la comunicazione sicura tra funzioni di sicurezza e funzioni di automazione standard, l’integrazione di avanzate funzionalità diagnostiche, il collegamento aperto ai più diffusi bus di campo standard, la grande flessibilità in caso di ampliamento dell'impianto e la semplicità di programmazione e installazione grazie a blocchi software certificati.
Su SafetyBUS p la trasmissione dei segnali di sicurezza avviene in maniera separata a livello fisico e logico rispetto ai dati standard. I normali processi di automazione del’impianto perciò non influiscono in alcun caso sulle funzioni di sicurezza.
Infine, SafetyBUS p funziona in modalità event-oriented, nella quale i messaggi vengono inviati solo nel caso in cui lo stato degli I/O o il numero di dispositivi connessi variano, garantendo bassi tempi di reazione.



Safety over Ethercat (FSoE)

Per realizzare la comunicazione sicura dei dati sulla rete ad alte prestazioni Ethercat è stato sviluppato il protocollo FSoE, certificato TÜV al livello SIL3/IEC61508. Si tratta di un protocollo che permette la coesistenza di informazioni di sicurezza e standard nello stesso sistema di comunicazione a canale singolo; la soluzione è indipendente dai supporti di comunicazione e dal meccanismo di rilevamento degli errori, oltre a non presentare limitazioni quanto alla lunghezza dei dati di sicurezza, alla velocità di trasmissione e al tempo ciclo.
L'FSoE è in grado di gestire errori nei dati quali corruzione, ripetizione, scambio, perdita, ritardo, e indirizzamento non valido. Tra le varie misure di sicurezza vi è l’assegnazione di un numero di sessione e di un identificativo univoco per ogni connessione.



Profisafe

Nella grande famiglia basata su Profibus, anche Profisafe è un protocollo che unisce comunicazioni standard e di sicurezza su un unico fieldbus, permettendo di collegando sulla stessa rete dispositivi standard e dispositivi con funzionalità di sicurezza. Adatto sia per reti Profibus sia per reti Profinet, questo protocollo segue un approccio alla sicurezza chiamato ‘Black Channel’, che non ha impatto sul bus di campo sottostante ed è indipendente dal mezzo fisico di trasmissione.
Utilizzabile anche in modalità wireless, Profisafe è stato sviluppato in accordo con lo standard Safety IEC 61508 e previene potenziali errori di indirizzamento, ritardi, ecc. sul bus, con tecniche come la numerazione consecutiva dei pacchetti dati, il monitoraggio del tempo di trasmissione e dell’autenticità dei messaggi, e così via.



AS-interface ‘Safety at Work’

Concludiamo con AS-interface, un fieldbus master-slave conforme alla norma EN 50295. Il mezzo trasmissivo è costituito da un semplice doppino in rame con un’elevata immunità ai disturbi elettromagnetici.
Ogni rete AS-i è formata da un master, un alimentatore dedicato e più slave per la connessione dei sensori e degli attuatori. L’alimentazione per i sensori e per l’elettronica degli slave sulla rete è garantita da un’alimentazione disaccoppiata (30 Vcc) dai dati.
Con AS-i ‘Safety at Work’ è possibile eliminare il cablaggio parallelo per il circuito di emergenza utilizzando un unico mezzo trasmissivo per la gestione dei segnali e delle indicazioni rilevanti per la sicurezza.
E’ da notare infine che il bus AS-i può essere definito fino alla categoria di rischio più alta (Cat. 4) prevista dalla norma EN 954-1 ed è possibile assegnare i dispositivi di emergenza della rete a slave sicuri.




Il quadro normativo di riferimento

regolamento safety

Le norme armonizzate in materia di Sicurezza Macchine si dividono in tre tipi: le Norme di tipo A, di tipo B e di tipo C. Le norme di tipo A (o norme base) definiscono i concetti fondamentali, i principi di progettazione e gli aspetti generali validi per tutte le macchine. Le norme di tipo B (o norme gruppo) trattano un aspetto specifico della sicurezza o un dispositivo di sicurezza. Infine, le norme di tipo C (o norme famiglie di macchina) trattano i requisiti di sicurezza richiesti per ogni tipologia di macchina.
Alcune norme in materia di sicurezza sono, per esempio, la EN/ISO 12100 (tipo A) - Sicurezza del macchinario. Concetti fondamentali di valutazione e riduzione del rischio; la EN/IEC 62061 (Tipo B) - Sicurezza di funzionamento di sistemi di controllo elettrici, elettronici, ed elettronici programmabili; la EN/ISO 13849-1 (Tipo B) - Parti dei sistemi di comando legate alla sicurezza; la EN/IEC 60204-1 (Tipo B) - Componenti elettriche delle macchine e la EN 1037 (Tipo B) - Protezione contro l’avviamento imprevisto.
Secondo la norma EN/ISO 12100, ove non sia possibile la costruzione conforme a principi di progettazione sicura, è necessaria l’adozione di misure tecniche di sicurezza, come l’installazione di ripari fissi o mobili, rilevatori di presenza per evitare avviamenti imprevisti, ecc.
Le misure tecniche di sicurezza devono impedire l’accesso o il contatto involontario con un elemento pericoloso che implica un rischio di lesione personale, oppure ridurre il rischio portandolo ad uno stato sicuro prima che la persona possa entrare in contatto con esso.
Affinché una macchina (o altra apparecchiatura) possa essere ritenuta sicura è necessario valutare attentamente i rischi che potrebbero derivare dal suo utilizzo, come indicato dalla norma EN/ISO 12100.

norme sicurezza macchine ISO 12100 2010

Le sfide di Industry 4.0

safety industry4.0
In un ambiente di produzione tradizionale, con linee o celle spesso progettate per la produzione di un solo tipo di prodotto, la gestione della sicurezza è generalmente semplice: una valutazione del rischio di tutti gli aspetti dell'operazione - dai singoli componenti fino ai "punti di contatto" dell'operatore con le apparecchiature - permette infatti di creare una guida che rimarrà valida fino a quando l'uso della linea cambierà o si apporteranno delle modifiche ai suoi componenti. I rischi possono quindi essere ridotti al minimo, purché siano seguite le procedure corrette.
Al contrario, un impianto che opera secondo i nuovi principi di Industry 4.0 presenta potenzialmente una serie di problemi molto diversi e più complessi. Tra questi, per esempio, i problemi di sicurezza creati dalla riconfigurazione delle aree di produzione con breve preavviso, che implica i rapidi cambiamenti di attrezzature e persino il movimento fisico dei componenti.
Esiste tuttavia una varietà di tecnologie disponibili per contrastare questi problemi - e non è esagerato affermare che Industry 4.0 offre persino l'opportunità di aumentare ulteriormente la sicurezza grazie alla capacità di raccogliere dati in tempo reale e intervenire prima che un potenziale pericolo diventi reale. Oltre a garantire una maggiore sicurezza, ciò consente anche di introdurre nuove applicazioni importanti, come la manutenzione predittiva.
Infine, la possibilità di ottenere una rappresentazione logica dell’impianto (Digital Twin) permette di simulare tutte le situazioni di pericolo che potrebbero verificarsi, intervenendo quindi a priori con le necessarie misure correttive.




La sicurezza nei sistemi di Motion Control

Benché in passato la sicurezza non abbia fatto parte intrinsecamente dei sistemi di Motion Control, la situazione è cambiata nel tempo. Come abbiamo visto, la sicurezza era inizialmente affidata a dispositivi elettromeccanici, non essendo previste dalle norme soluzioni di altro tipo. D’altra parte, l’affidabilità reale o percepita delle soluzioni elettroniche o software non aveva ancora raggiunto i livelli attuali.
L’avvento dei fieldbus e dell’automazione distribuita ha modificato lo scenario, permettendo di localizzare i dispositivi di sicurezza nei punti più opportuni (pulpiti di comando, sala controllo, ecc.) e, nello stesso tempo, di introdurre le prime soluzioni software. Dispositivi come i variatori di velocità, gli inverter e i Motion Controller centralizzati hanno permesso di concentrare la gestione della sicurezza a monte del sistema, semplificando il controllo delle singole unità di Motion e rendendole più accessibili. E’ stato infatti possibile sostituire le unità blindate con unità dotate di semplice carter, essendo la protezione garantita da caratteristiche e funzioni non più locali ma distribuite sull’impianto.
Oggi si comincia a parlare di Safety 4.0, con ciò facendo riferimento a sistemi di sicurezza più flessibili e versatili, rispondenti alla potenziale necessità di continue modifiche dell’impianto per soddisfare nuove esigenze del mercato.

In questo campo AMK propone sistemi da quadro (centralizzati) come ad esempio le serie KE e KW, oltre ad azionamenti nearby  (architettura decentralizzata) come la serie iX, e ancora souzioni integrate motore più azionamento come la serie iDT5.
Essendo la safety trasmessa via rete, e quindi via cavo, i noti vantaggi di un sistema distribuito si traducono, anche in questo caso, una semplificazione dei cabalggi, in quanto non viaggerà più su un supporto dedicato ma su rete EtherCAT condivisa.



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Dual loop: tecniche avanzate di controllo del moto

Venerdì, 26 Gennaio 2018

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Dual loop: tecniche avanzate di controllo del moto

L'obiettivo di un sistema meccanico preposto per ottenere un movimento controllato è quello di spostare o posizionare con precisione un carico. In un sistema ideale, il carico è rigidamente accoppiato e direttamente guidato da un motore lineare o rotativo.
Esistono molte situazioni per le quali questo metodo di azionamento non è possibile e il movimento deve passare attraverso sistemi di trasmissione o conversione del moto.

Alcune soluzioni tra le più impiegate sono:

Ognuno di questi sistemi di movimento presenta errori che influenzano l'accuratezza e la ripetibilità di posizionamento del carico. Questi errori possono essere introdotti per una serie di motivi tra cui: giochi meccanici, slittamenti, varianza del passo, attriti, disallineamento, usura, ecc. La maggior parte degli errori sono il risultato di tolleranze e conformità, entrambe inevitabili nei sistemi del mondo reale. Alcuni errori di posizione possono essere considerati costanti nel tempo, ad esempio il backlash ovvero il gioco. Altri sono invece variabili e dipendenti dalla posizione, dal tempo o dal carico come ad esempio quelli introdotti dalla variazione del passo, dall'usura o dagli attriti. Nel caso degli attuatori idraulici la posizione del carico è soggetta a fattori dinamici quali la variazione della pressione, della temperatura, della banda morta o isteresi.

Per i sistemi in anello chiuso, la soluzione più semplice per misurare la posizione del carico è quella di utilizzare l’encoder montato sul motore. Se abbiamo a che fare con sistemi costruiti con componenti molto accurati, strutturalmente rigidi e con bassa usura, allora il grado di precisione e ripetibilità che si ottiene in questo caso è molto elevato; tuttavia i componenti richiesti hanno un costo più elevato che si aggiunge al costo complessivo del sistema.

Il maggior costo per componenti di precisione non è sempre possibile o giustificabile e per la trasmissione è necessario scegliere componenti più economici. Se gli errori introdotti dalla meccanica sono superiori ai requisiti richiesti, è necessaria una configurazione di feedback diversa. Senza feedback sul carico, si può fare ben poco per compensare gli errori di posizione introdotti perché non c'è modo di misurare la posizione effettiva del carico.

Una configurazione alternativa è quella di mette un singolo encoder direttamente sul carico. La risoluzione della posizione del carico è una funzione diretta della risoluzione dell'encoder. Tuttavia, questa configurazione tende ad essere instabile perché non lineare e le risonanze del sistema diventano una possibile problematica da affrontare tramite le prestazioni del controllore di moto.

La soluzione per mantenere la stabilità del sistema e la compensazione degli errori della meccanica è quella di utilizzare una configurazione dual feedback o dual loop. In questo modo si combina l’azione stabilizzante dell’encoder accoppiato al motore con l’informazione aggiuntiva della posizione proveniente dall’encoder posto sul carico. Ciò si traduce nella possibilità di posizionare un carico in modo accurato, nonostante una trasmissione meccanica imperfetta.

Esistono due requisiti di base per un sistema che utilizza un dual loop. Il primo è un encoder posto sul carico con risoluzione almeno 2 volte la precisione di posizione richiesta per il sistema. Questa è una regola generale quando si decide l'encoder appropriato per un sistema. Il secondo requisito è che la risoluzione dell'encoder del motore dovrebbe essere almeno 2 volte la risoluzione dell'encoder del carico, prendendo in considerazione ogni riduzione tra carico e motore. Questo è necessario perché 1 conteggio di movimento dell'encoder motore deve produrre meno di 1 conteggio di movimento del carico. Se questa condizione non viene soddisfatta, 1 conteggio motore può comportare più di 1 conteggio del movimento del carico, provocando un’oscillazione sulla posizione desiderata.

Standard Dual Loop

I componenti primari di un circuito di controllo a doppio encoder possono essere visti in Figura 1 dove il filtro di controllo PID è suddiviso in due parti. L'anello interno è costituito dal guadagno derivativo (termine D) che riceve il feedback di velocità dall'encoder motore. Questo parametro è responsabile per avere stabilità nel sistema. Il feed forward di velocità (FV) viene utilizzato per compensare il ritardo di fase tra il ciclo interno ed esterno.

block diagram of the standard dual loop pid filter
Figura 1 - Diagramma di blocco di un filtro PID dual loop standard.

Il loop esterno è composto da un guadagno proporzionale (termine P) e guadagno integrale (termine I) che chiude il loop di posizione tramite l’encoder posto sul carico. Questo è anche noto come filtro PI. Il termine P è responsabile della reattività del sistema mentre il termine I è usato per compensare l'errore di posizione stazionario del carico. La contropartita in un filtro di controllo a doppio loop è che la fase di tuning è più complessa di un filtro PID standard, inoltre deve essere impiegata una diversa metodologia di ottimizzazione per mettere a punto questo tipo di controllo.

Advanced Dual Loop

Un doppio loop standard correttamente stabilizzato tramite un opportuno tuning è in grado di compensare imperfezioni meccaniche e posizionare accuratamente un carico, ma non è sempre in grado di raggiungere i requisiti dinamici richiesti dal sistema. Per le applicazioni che richiedono una maggiore larghezza di banda passante è necessario un sistema di controllo più avanzato.

La differenza principale nel dual loop avanzato è l’aggiunta di un ulteriore termine P al ciclo interno. Questo ha il vantaggio di aggiungere reattività e rigidità al circuito interno. Da questa modifica deriva un aumento della risposta del sistema.

advanced dual loop block diagram of pi outer and pd inner loop filters
Figura 2 - Diagramma di blocco dual loop avanzato dei filtri di controllo esterni PI ed interni PD.

L'aumento della larghezza di banda in questo caso genera una ulteriore complessità nell’anello di controllo. Il doppio circuito avanzato può essere descritto con precisione come dotato di due filtri di controllo distinti, uno per ciascun encoder nel sistema. La difficoltà sta nell'ottimizzare entrambi i filtri per lavorare insieme per raggiungere i requisiti prestazionali del sistema.

Esempi di sistemi con diverse soluzioni con loop duali

Per le finalità di questo articolo è stato costruito un sistema di traslazione lineare impiegando una trasmissione non ideale. Il sistema è stato realizzato utilizzando un motore rotativo brushless accoppiato, tramite una trasmissione cinghia-puleggia, ad una vite a ricircolo di sfere. Il carrello scorre lungo due aste levigate con cuscinetti lineari. Il carico posizionato era accoppiato al carrello attraverso un supporto di plastica. Uno schema dell'apparato di prova può essere visto in Figura 3.

Ci sono varie imperfezioni meccaniche in questa trasmissione che contribuiscono ad incrementare l’errore di posizione. La cinghia è soggetta a giochi e allungamenti che possono causare risonanze. La vite a sfera avrà delle variazioni di gioco e imprecisioni del passo. Infine, l'errore di posizione del carico può essere introdotto mediante la flessione del componente in plastica che accoppia il carrello con vite a sfere al carico o dal disallineamento dei componenti che costituiscono il gruppo di azionamento.

Verranno confrontate tre configurazioni:
  • Encoder solo sul motore
  • Standard Dual Loop
  • Advanced Dual Loop
Per ciascuna configurazione di controllo, il motore verrà regolato utilizzando i seguenti parametri:
  • Spostamento: 25,4 mm (1 pollice)
  • Accelerazione: 500 mm/s2
  • Decelerazione: 500 mm/s2
  • Velocità: 178 mm/s
La regolazione dei guadagni tenterà di raggiungere i seguenti obiettivi:
  • L’errore di posizione durante il movimento deve essere compresa tra +/- 30μm
  • Minimizzare il “settling time” per portare l’errore di posizione a movimento eseguito entro i +/-15μm.
schematic of test system constructed with a non ideal drivetrain
Figura - Schema di un sistema di test realizzato con un sistema di trasmissione non ideale.

Innanzitutto, è necessario calcolare la risoluzione teorica del carico. Ciò avviene partendo dalla risoluzione dell’encoder del motore e tenendo conto del rapporto di trasmissione della puleggia e del passo della vite. La risoluzione lineare teorica con un encoder motore con 4.000 conteggi per giro è:

theoretical resolution of load
Equazione 1 - Risoluzione teorica del carico

Ciò si traduce in una risoluzione di 1,25 μm. Il sistema richiede che il carico sia posizionato entro +/- 15 μm o +/- 12 conteggi encoder motore. Per misurare questo, la risoluzione minima per un encoder collegato al carico dovrebbe essere 7 μm (almeno metà della precisione richiesta) o 143 conteggi per mm. Ai fini del presente studio, per la regolazione e il posizionamento del carico è stato utilizzato un encoder con 250 conteggi per mm, mentre per la caratterizzazione del sistema è stato utilizzato un encoder con 1.000 conteggi per mm.

Bisognerà caratterizzare l’errore di posizione per vedere se i requisiti di sistema sono soddisfatti dalla configurazione corrente. Il gioco è stato misurato azionando il motore avanti e indietro fino a quando il movimento viene rilevato dall'encoder lineare fissato al carico. Questo valore include il gioco dalla cinghia in condizioni di carico ridotto e nella vite a ricircolo di sfere. La distanza totale che il motore deve spostare per assorbire il gioco è di 5 conteggi del feedback del motore e rientra nei requisiti di sistema per la precisione della posizionale.

Anche la variazione del passo o il disallineamento possono influire sulla precisione del posizionamento del carico. L'errore di posizione del carico è la differenza tra dove il carico dovrebbe essere se il sistema di trasporto fosse perfetto e la posizione reale letta direttamente dall’encoder sul carico. La posizione del carico è stata letta utilizzando un encoder con 1.000 conteggi per mm. I dati sono stati raccolti eseguendo l'intera lunghezza della vite a ricircolo di sfere in entrambe le direzioni e facendo una media. Il campionamento è stato eseguito senza carico e con una frequenza di 125 conteggi al secondo.

I risultati di questo test sono mostrati nella Figura 4. È evidente che l’avanzamento del motore lungo la vite a sfere può causare un errore che cambia costantemente. Al suo massimo, la posizione del carico si discosterà di 82 μm, che è oltre i requisiti iniziali stabiliti per questo sistema. La fonte di questi errori è dovuta a difetti di fabbricazione. Questo profilo di errore varia da sistema a sistema in quanto dipende interamente dalle tolleranze all'interno di ciascun componente.

load position error vs displacement along lead screw
Figura 4 - Errore di posizionamento del carico VS spostamento lungo il carico.

Infine, c’è l’errore introdotto dalla cinghia. Questo è stato misurato bloccando il carico e muovendo il motore in direzione positiva e negativa per misurare la cedevolezza della cinghia. Questa è stata misurata in circa +/- 550 conteggi encoder motore (688 μm). È chiaro che il più grande contributo che porta a errori di posizione sia nella trasmissione e che il sistema attuale non soddisfa i requisiti di precisione richiesti. Oltre all'errore di posizione, la cinghia aggiunge anche risonanza a una frequenza di circa 34 Hz. Una volta caratterizzato il sistema procediamo con l’analisi delle tre configurazioni di controllo possibili per stabilire quale delle tre da i migliori risultati.

La prima opzione è utilizzare l’encoder del motore per posizionare il carico. In questa configurazione, la posizione del carico presenterà errori introdotti dalla trasmissione senza possibilità di correzione. Dopo aver tarato il sistema, il carico è stato posizionato nel mezzo della corsa e il profilo di movimento è stato tracciato (mostrato in Figura 5). La fine del movimento è contrassegnata da una linea verticale a 472 ms come riferimento.

L'errore teorico di posizione del carico, dato che si impiegherà solo l'encoder motore, è mostrato in rosso sul grafico inferiore e si trova sempre entro la banda di errore accettabile e converge rapidamente a zero quando lo spostamento è terminato. L'errore effettivo di posizionamento, misurato dall’encoder sul carico (mostrato in verde sul grafico di fondo) presenta un errore stazionario di -137 μm all'inizio del movimento. Il carico oscilla durante lo spostamento e infine si ferma con un errore stazionario di -110 μm, al di fuori della banda di errore accettabile. Sulla base di questi risultati, il motore è stabile ma il sistema non è in grado di posizionare il carico alla precisione richiesta.

motion profile and error of the system with a single motor encoder
Figura 5 - Profilo di moto ed errore del sistema con singolo encoder sul motore.

Come seconda configurazione è stato impiegato lo “Standard dual loop” nel tentativo di aumentare la precisione e la ripetibilità del sistema. L'errore durante lo spostamento non supera i 55μm, mostrato in Figura 6. Questa configurazione di controllo controlla la posizione utilizzando l'encoder sul carico. Per questo motivo, l'errore dell'encoder motore viene omesso dal grafico e l'analisi si concentra sull'errore di posizione del carico. L'errore si stabilizza nella finestra richiesta (+/-15 μm) entro 112 ms dalla fine del movimento. Possiamo quindi concludere che aggiungendo un encoder sul carico e utilizzando lo “Standard dual loop”, il sistema è stato in grado di convergere sempre ad un errore stazionario di 0 conteggi e con una finestra di errore molto più piccola. Nonostante questo miglioramento rispetto alla configurazione con solo l’encoder motore, l'errore d’inseguimento durante il movimento non è ancora accettabile essendo superiore ai  +/- 30 μm richiesti; occorrerà quindi implementare ulteriori miglioramenti.

motion profile and error of the system with the standard dual loop
Figura 6 - Profilo di moto ed errore del sistema con il dual loop standard.

Come ultima configurazione è stato impiegato l’”Advanced dual loop”. Dopo la taratura è stato eseguito il movimento di caratterizzazione ed è stato registrato il profilo di moto. L'utilizzo dell’”Advanced dual loop” è stato in grado di ridurre l'errore massimo durante lo spostamento al di sotto di 30 μm, come mostrato in Figura 7. Per quanto riguarda l’errore di posizione a movimento avvenuto si è ottenuto che dopo 108 ms dalla fine del movimento lo stesso fosse all’interno di un conteggio encoder (1,25 μm). Anche gli effetti delle risonanze sono stati ridotti ad un livello accettabile.

results from turning the system with advanced dual loop
Figura 7 - Risultati ottenuti con tuning del sistema con dual loop avanzato.

L’asse su cui si sono effettuati i test presentava un gioco complessivo di 6 μm, una deviazione massima di 82 μm, dovuta alla variazione del passo vite e ai disallineamenti, e una cedevolezza di 688 μm dovuta all’elasticità della cinghia.

Il sistema richiedeva che la precisione della posizione finale fosse inferiore a 15 μm e che l'errore di posizione fosse entro +/- 30 μm per la durata dello spostamento. L’impiego dell’”Advanced dual loop” è stato in grado di spostare con successo il carico con meno di 30 μm di errore durante il movimento e di stabilizzarsi a 1,25 μm di errore entro 108 ms dalla fine dello stesso. Con questa configurazione, è possibile soddisfare i requisiti di sistema per precisione e ripetibilità.

Riassumendo

L'utilizzo di una trasmissione meccanica per effettuare un posizionamento può comportare errori di posizione del carico e talvolta può aggiungere instabilità o risonanze al sistema. Sistemi di trasmissione che non dovessero soddisfare i requisiti di precisione possono trarre beneficio dall'aggiunta di un feedback di posizione sul carico e dall’utilizzo del semplice controllo “Standard dual loop”. Questa è una funzione disponibile standard su tutti i controllori Galil della generazione corrente ed è applicabile con encoder incrementali in quadratura, SSI o BiSS. I sistemi che invece richiedono un ulteriore aumento della banda passante possono trarre vantaggio dall’utilizzo dell’”Advanced dual loop”. Questa modalità di compensazione avanzata è disponibile tramite un firmware speciale.

Contattare un Application Engineer di Servotecnica per domande relative ai metodi di compensazione dual loop o per discutere come affrontare al meglio i requisiti della Vostra applicazione.

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