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1、機(jī)器控制設(shè)計(jì)10大技巧 閱覽次數(shù):3157 來(lái)源:CONTROL ENGINEERING 作者:作者:Mark.T Hoske 中國(guó)工控網(wǎng)預(yù)先設(shè)計(jì)(upfront design)可以節(jié)省設(shè)計(jì)人員的時(shí)間和精力,還減少了在機(jī)器生命周期后期會(huì)出現(xiàn)的諸多麻煩。本文介紹了機(jī)器控制設(shè)計(jì)中的10個(gè)非常有用的技巧。你是否有過(guò)這樣的經(jīng)歷:當(dāng)使用一臺(tái)機(jī)器設(shè)備時(shí),你會(huì)抱怨工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)沒能充分考慮用戶的感受。為了幫助工程師設(shè)計(jì)出易于使用的機(jī)器,本文從自動(dòng)化、控制、儀表、傳感器、邏輯器件和通信技術(shù)等方面介紹了10個(gè)設(shè)計(jì)技巧。一旦掌握了這10個(gè)技巧,工程師們就可以在設(shè)計(jì)中節(jié)省大量的時(shí)間和精力,還能避免將來(lái)可能會(huì)出
2、現(xiàn)的諸多麻煩。1.調(diào)查、研究和量化搜集信息,做出計(jì)劃,然后一絲不茍地向既定目標(biāo)前進(jìn)。這是機(jī)器設(shè)計(jì)流程的一個(gè)寫照。為了追求產(chǎn)品高度的靈活性和適應(yīng)性,工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)常常會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力,不斷給產(chǎn)品添加新的功能,卻最終導(dǎo)致產(chǎn)品的過(guò)度復(fù)雜。工業(yè)系統(tǒng)集成商Concept Systems公司的創(chuàng)始人Michael Gurney 和 Ed Diehl介紹說(shuō):“在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,一旦確定了優(yōu)先次序,那就應(yīng)該立刻從最劃算的地方著手。關(guān)于過(guò)程控制和質(zhì)量控制的統(tǒng)計(jì)分析是非常有用的信息?!薄澳K化的機(jī)器設(shè)計(jì)和制造方法可以一方面滿足不斷增長(zhǎng)的客制化的設(shè)計(jì)要求,另一方面縮短機(jī)器的開發(fā)時(shí)間,同時(shí)還能降低OEM的制造
3、成本?!盤hoenix Contact公司自動(dòng)化產(chǎn)品經(jīng)理Larry Komarek說(shuō)。Komarek還建議說(shuō):“將機(jī)器或者機(jī)器系列分解為不同的功能部件,每一功能部件都具有相應(yīng)的機(jī)械、自控元件和軟件程序。將這些功能部件搭配組合就可以創(chuàng)建出用戶客制化的配置或者小型/中型/大型的產(chǎn)品系列。經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)、預(yù)先文檔化和預(yù)先測(cè)試的功能部件可以被快速生產(chǎn)出來(lái),而且還降低了生產(chǎn)成本。”2.標(biāo)準(zhǔn)和安全Gurney 和 Diehl指出,借助標(biāo)準(zhǔn)的通用接口,產(chǎn)品可以集成最佳的系統(tǒng)組件,同時(shí)還減少了專用控制系統(tǒng)的設(shè)備過(guò)時(shí)報(bào)廢等問題。在設(shè)計(jì)軟件中積累的知識(shí)可以被轉(zhuǎn)化為機(jī)器代碼,從而避免了對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的修改。有些設(shè)計(jì)軟件提
4、供了面向STEP和IGES文件格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。STEP,即產(chǎn)品型號(hào)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(ISO 10303),定義了如何描述和交換數(shù)字化的產(chǎn)品信息。“在設(shè)計(jì)分布控制時(shí)要充分利用NEC code中群組電動(dòng)機(jī)安裝規(guī)定(group motor installation provisions)的第430.53 (c)條。這樣做的好處是,可以減少分支電路的數(shù)量,降低成本,消除EMC噪聲,無(wú)需重新布線和調(diào)試就可以更換各功能模塊,增強(qiáng)了產(chǎn)品的靈活性?!?SEW-Eurodrive公司的電子產(chǎn)品經(jīng)理Rich Mintz介紹說(shuō)。Schneider Electric公司的機(jī)器安全產(chǎn)品經(jīng)理Larry Sunday說(shuō):“在
5、安全方面,自從NFPA-79 2002年修訂版發(fā)布以來(lái),所有的通用機(jī)器設(shè)計(jì)都應(yīng)遵守IEC 60204-1 Category 4標(biāo)準(zhǔn)。它是安全規(guī)范的最高標(biāo)準(zhǔn),要求所有的機(jī)器設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮到安全繼電器和安全連鎖裝置。” 同時(shí)他又提到:“2002年修訂版將NFPA-79和IEC 60204-1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來(lái)。美國(guó)人的慣常做法是在基本控制電路中使用標(biāo)準(zhǔn)的繼電器,以保證所謂的控制可靠度。但對(duì)于IEC 60204-1 Category 4標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō),這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的?!?.傳感器和機(jī)器視覺“不要在設(shè)計(jì)末期才考慮到傳感器的問題。小型智能的傳感器常常會(huì)帶來(lái)意想不到的好處。在元件底板空間已經(jīng)確定的情況下,一個(gè)價(jià)廉物
6、美的傳感器有時(shí)會(huì)解決大問題”, Banner Engineering公司的技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理Joseph Dolinsky說(shuō)。Cognex公司的In-Sight 視覺傳感器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Mark Sippel指出,采用何種方式處理檢測(cè)和過(guò)程反饋取決于很多的因素。 這些因素包括:反饋信息是否需要在多路離散檢測(cè)、抑制或其他系統(tǒng)間共享?是否需要有一個(gè)控制器負(fù)責(zé)檢測(cè)結(jié)果與輔助任務(wù)的協(xié)調(diào)?如何交流和使用檢測(cè)結(jié)果?如果I/O設(shè)備用于通信的話,那么其他的控制端口的類型是什么?位置在哪兒?燈光、電源和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蛩匾残枰豢紤]到。4.軟硬件的邏輯平臺(tái)National Instruments工業(yè)數(shù)據(jù)采集和控制部門的產(chǎn)品
7、經(jīng)理Rahul Kulkarni說(shuō):“機(jī)器設(shè)計(jì)漫長(zhǎng)征途的第一步,就是正確地選擇一個(gè)邏輯平臺(tái)?,F(xiàn)在普遍采用的控制器有:PLC,PC-104,PCI,PXI或者是常規(guī)的電路板。在決定采用哪一個(gè)控制器平臺(tái)前,一定要充分考慮該控制器所要執(zhí)行的全部功能(例如邏輯控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)以及機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控等)。編程工具應(yīng)該易于掌握,生成的代碼應(yīng)該是模塊化、易升級(jí)和可重用的。Rockwell Automation的全球OEM技術(shù)顧問Dan Seger介紹說(shuō):“選定一個(gè)控制架構(gòu)解決方案以使設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。從控制器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),到外圍設(shè)備和操作員界面,對(duì)于這些組件的選擇如果只從采購(gòu)成本最低的角度考慮,那么就
8、會(huì)給后期開發(fā)帶來(lái)麻煩。同樣,良好的連通性(例如將各個(gè)設(shè)備組件緊湊裝配,緊密通信)可以提高效率和降低成本。相反地,如果在設(shè)計(jì)中采用的是廉價(jià)的設(shè)備通信方案,那么不僅難以使用,而且會(huì)在工程起始和維護(hù)階段耗費(fèi)大量的時(shí)間?!睘榱巳〉米罴训男Ч?,他建議將控制和信息共享兩部分的編程工作分開進(jìn)行。其他有價(jià)值的做法還包括:結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)形式,下拉式菜單以及根據(jù)功能分類的基于代碼的對(duì)象庫(kù)等。5.執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用需要,選擇合適的氣動(dòng)、液壓和電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同樣,運(yùn)動(dòng)控制器也需要認(rèn)真選擇。那么,可以采用電動(dòng)機(jī)控制單元(MCU)或者數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制嗎?Texas Instruments的電動(dòng)機(jī)控制策略
9、專家Kedar Godbole建議,要尋求性能創(chuàng)新和降低系統(tǒng)成本,在性能和價(jià)格間取得平衡(獲得最佳的性價(jià)比),在快速軟件開發(fā)中采用高效的C/C+內(nèi)核,使用靈活易用的工具,以及進(jìn)行高水平的模擬集成。SEW-Eurodrive公司的Jan Lindholm說(shuō):“相對(duì)于機(jī)械摩擦機(jī)構(gòu),控制機(jī)構(gòu)往往更加適用而高效。與離合制動(dòng)器等類似的解決方案相比,變頻器(特別是閉環(huán)的)能夠?qū)⒅芷谘娱L(zhǎng)至2到3倍,同時(shí)還能降低設(shè)備的磨損和維護(hù)的成本?!?Lindholm又解釋說(shuō):“變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)與無(wú)傳感器矢量控制、磁通矢量控制和交流無(wú)刷伺服系統(tǒng)相結(jié)合,可以解決很多電機(jī)驅(qū)動(dòng)問題。”6.顯示屏和按鈕,孰優(yōu)孰劣 ?基于顯示屏的人機(jī)
10、界面(HMI)和按鈕,孰優(yōu)孰劣?答案是:用觸摸屏代替按鈕是有益的。HMI工具包自帶的模板適應(yīng)性強(qiáng),而且可以重用。Omron Electronics的軟件產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Joe Rubino介紹說(shuō):“HMI還有其他一些優(yōu)點(diǎn),如數(shù)據(jù)互聯(lián)和診斷能力。診斷能力可以帶來(lái)機(jī)器軟硬件正常運(yùn)行時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)、簡(jiǎn)便連通能力和降低編程工作量,真是物有所值?!?.網(wǎng)絡(luò)與通信采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以減輕機(jī)器內(nèi)外布線和通信譯碼的工作量。Opto 22 公司的行銷專家 David Crump介紹說(shuō):“機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)通信技術(shù)增強(qiáng)了機(jī)器的連通性。借助于無(wú)線技術(shù),可將機(jī)器設(shè)備與企業(yè)信息系統(tǒng)連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控和啟動(dòng),生產(chǎn)狀況實(shí)時(shí)
11、報(bào)告以及其他一些操作。M2M還能幫助機(jī)器設(shè)計(jì)人員跟蹤機(jī)器的生命周期,識(shí)別故障點(diǎn),改進(jìn)未來(lái)的設(shè)計(jì)。同時(shí),M2M還能為企業(yè)創(chuàng)造更多的營(yíng)收機(jī)會(huì),例如,為用戶提供超前設(shè)備維護(hù)和維修等增值服務(wù)。”NI的Kulkarni說(shuō):“無(wú)線技術(shù)種類繁多。對(duì)于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和工廠HMI/SCADA系統(tǒng)間的M2M通信,由于傳輸距離長(zhǎng)達(dá)數(shù)百英里,所以應(yīng)該采用衛(wèi)星通信或者蜂窩電話通信方式。對(duì)于控制器/PLC和HMI/SCADA系統(tǒng)間的通信,IEEE 802.11無(wú)線通信技術(shù)是最適用的。然而,對(duì)于控制器和傳感器間的通信,由于傳輸距離只有10100 米,采用藍(lán)牙技術(shù)或Zigbee技術(shù)則更為有效。”Rockwell Automati
12、on的Seger指出:“(在設(shè)計(jì)不同設(shè)備間的通信時(shí))要避免采用RS-232和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù),否則要耗費(fèi)大量的時(shí)間編寫專用的通信驅(qū)動(dòng)程序來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。這是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力而又不會(huì)增值的工作。而對(duì)于機(jī)器內(nèi)部,如果I/O級(jí)采用一個(gè)安全的終端技術(shù)則可以節(jié)省裝配和檢修的時(shí)間?!?Wago公司的市場(chǎng)經(jīng)理Dean Norton說(shuō):“Wago公司的免螺絲籠式彈簧夾持(Cage Clamp)端子具有更高的靈活性,可以縮短60%的布線時(shí)間,在有些應(yīng)用場(chǎng)合可以免除每6至8個(gè)月對(duì)機(jī)器進(jìn)行加固的需要。該接線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)布線,滿足所有機(jī)器I/O的要求,并可方便在設(shè)計(jì)后期采用合適的總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制器的通信。”8.電源直接購(gòu)買電源系統(tǒng),而不要試圖自己設(shè)計(jì)它們,這樣可以節(jié)省大量時(shí)間和精力。電源、總線、管理系統(tǒng)和智能組件都能向HMI提交報(bào)告,這樣可以達(dá)到更高的系統(tǒng)集成和效率。隔離、監(jiān)測(cè)和屏蔽措施可以保證最小的傳輸線和EMF干擾。9.集成從整個(gè)生產(chǎn)流程的角度考慮機(jī)器設(shè)計(jì)可以極大的提高效率。FlexLink Systems AB的CEO Fredrik J歯sson說(shuō):“通常情況下,一條機(jī)器
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