如何为你的运动系统指定一个控制器

系统可能具有超高扭矩电动机和精密轴承，谐波齿轮箱和24位绝对编码器。如果运动控制解决方案未正确应用 - 指定匹配机器的特性和项目的要求，则运动系统将永远不会根据需要执行。回到白天，控制器的选择很简单：可编程逻辑控制器（PLC）运行机器和独立运动控制器处理运动系统的路径规划。今天，OEM有许多其他选择，包括具有运动功能的PLC，可以解决机器控制，可编程自动化控制器（PAC）提供一体化解决方案，具有运动功能的PC，甚至智能的单独运动控制器实施分散控制的驱动器。有了这么多的选择，问题是如何钻取以确定有效的解决方案。

“在一个非常高的级别，这一切都是关于客户所涉及的协调水平和应用程序的类型，”罗克韦尔自动化高级商业项目工程师Mike Miller说。“当我在领域时，我开发的助记符是MMM：MACE，MOVE，和手段。你在移动什么？你想移动它有多快？动态是什么？什么是移动配置文件？你用什么来移动它？所有这些都进入你的尺寸和选择。“

控制器选项
选择控制器首先要理解不同的方法，并将它们映射到应用程序的需求。

具有分布式架构的智能驱动器
具有有限数量轴的应用程序的一种方法使用智能驱动器分布式控制架构。今天的驱动器包含板载处理电源和内存以支持闭环运动。它们可以控制单个轴，或者，当菊花链接到其他驱动器时，创建一个能够实现同步运动的分布式控制结构。考虑与XZ龙门架的挑选和放置应用。Z轴驱动器将开始其向上运动，然后命令X轴驱动器转换水平轴上的负载。结果是从（x1，z1）到（x2，z2）的移动。

在上面，分布式硬件架构显着降低了复杂性和成本，而不仅仅是在独立运动控制器方面，而且在布线和安装方面。而不是将电缆从机柜运行到机器上的轴上，集成商可以简单地从一个驱动器运行电缆到下一个驱动器。结果不太复杂，较低的布线成本，更少的故障点。

然而，该方法有其局限性。例如，在龙门架的情况下，同步水平将受到限制。“他们会在完美的矢量举动中移动吗？”米勒修整询问。“他们会以协调的方式移动吗？他们可以绕角让自己更高效吗？没有没有高端控制器。他们只是在随机的时间内移动并达到终点。“

PLC用于运动控制
plc是最常用的机器控制解决方案。它们能够处理大量的I/O任务，如定时和计数，以及其他顺序机器逻辑。它们基本上是工业加固计算机，由供应商专门为应用程序构建和测试。其结果是一个稳定、可靠、可扩展的控制平台。

因为PLC是计算机，所以它们可以被编程为直接与驱动器直接接口以控制运动轴。所涉及的复杂程度取决于PLC的处理能力取决于PLC的处理能力。低端，商品PLC最适合更简单的Motionȱstart，停止，简单的运动配置文件。对于仅需要几个非同步运动轴的机器，PLC可以是经济，紧凑的解决方案。

当然有权衡。“他们并不总是在世界上拥有最大的界面，”米勒说。“另一个缺点是用户现在必须配置驱动器和驱动器和PLC之间的协调，并且甚至可能允许它们通信的网络。”

它们还可能存在通信限制，从而影响性能。安川美国公司(Waukegan, IL)的运动应用工程主管Kevin Hull说:“当多个系统需要适量的快速实时数据时，它们与其他设备的通信通常会比较慢。”

相比之下，最新一代的高端plc可以完成以前只有独立运动控制器才能完成的任务，比如线性插补和某些类型的协调运动。它们可以处理非常高的轴数，同时仍然管理整个机器逻辑。

PLC的一个缺点始终是梯形逻辑等公共PLC编程语言并不特别适合运动编程。那个说，功能块，作为PLC开放的一部分开发的编程工具之一IEC 61131-3标准，让用户利用开源运动函数库，如wind-unwind。这种新方法可以用配置视频点击界面来取代编程。

可编程自动化控制器
集成控制解决方案继续易于使用的趋势。松散归类为可编程自动化控制器（PACS），这些设备在单件硬件中结合多个功能。它们通常由高性能处理器和大量内存构建，使它们能够同时支持多个不同的操作“几乎所有东西被烘焙到一个环境中，因此没有单独的运动控制器，没有单独的机器人控制器，在那里没有单独的机器人控制器没有单独的安全系统，没有单独的PLC [机器控制]，“B＆R工业自动化（罗斯韦尔，GA）的产品管理负责人Coryy Morton说。“他们都在一个平台中，甚至是HMI。”

此外，在这里，侧重于尽可能多地制作可配置而不是需要编程。“与用户必须执行的任何编程相关联的工程时间，因此具有任何方法的目标�whether是单独的运动控制器或集成的，以使尽可能多的可配置，特别是一般设置，”莫顿说。“对于特定于应用程序的功能，这有点难以这样做，因为有时涉及客户的IP。从那个角度来看，他们需要自由能够做任何他们想要的意思编程。“这些集成包中的许多使用户能够在同一环境中执行配置和编程。

这些集成的单位只是适用于三轴DNA测序仪，就像一个完整的数控机器。然而，在这一点上，其他因素将发挥作用，如成本和足迹。我们将在后面的小节中更全面地讨论这些注意事项。

具有独立运动控制器的PLC 对于最苛刻的应用程序，如那些要求亚微米精度或控制循环执行多个轴与存根毫秒扫描率，类组合PLC和独立运动控制器可能仍然是最佳的。这涉及专门设计的硬件。它们可能具有一些特殊的功能，比如能够接受g代码(用于为数控机床编程的语言)。“控制器将接收G代码命令，然后将它们分解成协调的运动学系统，以执行独特而复杂的操作，”欧姆龙自动化公司(伊利诺伊州霍夫曼地产)机器人和运动控制市场经理达雷尔·保罗说。

独立运动控制器还提供了增强的功能，如管理高轴数机器人的能力。具有机器人功能的集成控制器可以通过编程来管理三轴或四轴的运动学系统，但只能用于特定的操作。相比之下，一个功能强大的独立控制器可以支持更复杂的方案，如使多个固定轴运动学作为一个单一运动学系统运行。这种方法可用于单个机器人工作单元，其中包含多个执行多个操作的机器人，例如一个视觉引导机器人将部件提供给另一个机器人，后者在该部件上执行多个不同的任务。

例如，运动学也可以嵌入彼此中，例如，操作机器人手臂，需要使用非常精细，高速定位的大规模，高速运动来组合大规模的高速运动。

此业绩的权衡包括复杂性，编程时间和成本。

柔和的运动
对于在性能方面需要高度灵活性的应用，最佳解决方案可能是在高性能，工业硬件上运行的定制代码。基于PC的运动，或柔软，将商品硬件的成本和采购优势与定制的软件相结合，以解决复杂运动问题。

用于plc和运动控制器的处理器往往是专用的dsp和asic。因此，他们有更长的产品升级周期。软运动算法可以运行在任何COTS PC上具有足够的处理能力，时钟速度和内存。商品方法使软运动系统能够利用由消费者市场推动的快速产品升级周期。功能是由软件驱动的，与定制硬件相比，软件开发速度更快、更容易、成本更低。

不过，个人电脑的快速升级周期有利有弊。PLC、驱动器和运动控制器供应商在他们的产品上进行了大量投资。他们承诺在20到30年内支持这项技术。相比之下，今天购买的PC可能在6个月后就无法使用了，如果商店的数控机床的主板出现故障，更不用说6年了。

了解应用程序
这不足以了解一般控制器类型。要有效地指定编码器，用户需要解决项目的特定需求。“它总是申请首先，”米勒说。你想达到什么目的？

主要考虑是需要控制的系统类型数。超越主要机器逻辑，系统是否涉及用于特定操作的系统，例如运动控制，机器人和安全性？他们需要在什么性能水平运营和互动？“客户是否正在寻找更多的模块化/蜂窝制造过程，其中它们具有全部控制的多个单元格，并且只需要将它们联系在一起？或者他们需要一个中央控制器，因为它们想要在大型运动轴和喂入它的所有不同系统的大跨度非常紧密的协调？“保罗问道。紧密控制的情况可能会呼叫PAC，而多elected模型可以使用各种技术。

速度
控制器的核心功能是处理算法和管理I / O，例如，分析编码器反馈并使用它来生成路径命令，以便按时将负载传送到预期位置。控制器必须足够快，以便以及时的方式完成其处理并提供输出。结果，该过程的循环时间是确定控制器时最重要的细节之一。

假设一台机器每分钟加工300个零件。这对应于200ms的周期时间200ms，在此周期内需要发生所有流程步骤，包括操作之间的任何空闲时间。Hull说:“你需要熟悉对作业至关重要的最小时间段，并确保所选设备能够在不适当的时间段内处理和共享数据。”考虑一个使用机器视觉反馈的运动系统。如果从图像采集到运动校正窗口关闭的周期时间是30毫秒，那么所有的处理步骤必须在这个间隔内进行。赫尔说:“相机必须能够在5毫秒内拍摄照片，在5毫秒内处理数据，并在5毫秒内传输数据，允许运动控制器在剩余时间内做出必要的修正。”“这些细节有时很难在项目的一开始就确定下来，但必须确定合理的业绩利润率。”

该策略是识别最快的动作，最快的凸轮轮廓段，然后使用该数据选择可以提供该级别性能的控制器。“有时当客户应用程序涉及极快的协调运动时，我们会建议他们只需速度的需求，不一定是他们需要速度的CPU的控制器，”保罗说。

轴数和I/O点
控制器CPU需要大小以处理纯粹的操作卷，以确保它可以在分配的循环时间内工作。在指定设备时考虑轴和I / O点的数量很重要。

通信协议
通信可以严重影响系统的顶级性能。并不是所有的通信协议都是平等的，也不是所有的控制器都支持所有的协议。在选择协议时应注意，其运行速度应与应用程序周期时间相匹配。有些控制器充当数据记录器或边缘网关设备来聚合数据，执行一些预处理，并将其移植到云上。确认控制器CPU可以支持这些额外的操作并以所需的速度运行。

安全与安全
在过去的十年里，安全已成为一个越来越重要的话题，这不仅是因为它能够保护运营商，还因为它对优化OEE和简化作业的影响。安全的实现有所不同。一些系统使用安全额定驱动器与安全plc。另一些则是围绕pac构建的，将安全控制功能作为其功能的一部分。在任何一种情况下，控制器都需要满足延迟、循环教育执行率和通信需求等参数的目标规范。

系统级考虑因素
pac提供了许多优点，包括易用性，但有时最好的解决方案是多个解决方案。考虑一个基于使用三个独立智能驱动器的应用程序。如果其中一个轴是关键任务，即使机器的其他部分宕机也必须保持运转，那么控制系统就需要解耦。莫顿说:“如果你有一个完全集成的解决方案，而作为解决方案核心的PLC宕了，那么你可能什么都不能运行了。”“如果你的架构是智能驱动器，它有可能在自己的独立模式下运行，或许它们是通过驱动器本身的离散输入和输出来控制的，或许这种架构会给你那种容错能力。”

在机器的一部分使用PAC与智能驱动器或选定的轴相结合，实际上可以提供一个更有效的整体解决方案。从中央控制器上卸载这些轴可以减少计算量。这可以使更便宜的控制器在保持性能的同时完成工作。

要记住的关键点是，虽然预算很重要，但不应该完全推动决定。由于节省成本，使用低端PLC可以使用低端PLC来控制四个轴系统。但是，如果PLC可以满足性能规范，则系统将永远不会有效执行应用程序。

oem有各种各样的控制选项可供选择。在开始选择过程之前，考虑申请成功的策略是完整的。正确的选择可能是一个微妙的过程。俗话说，对于控制器来说，时机就是一切，但也有一些看似简单、容易忽视的方面，比如通信不兼容和安全，可能最终导致项目出轨。要找到最好的解决方案，请听取专家的意见。赫尔说:“在选择编码器时，最大的问题是不能完全理解机器的要求，然后由于性能限制或发现不兼容或缺失功能而难以满足规范要求。”变通策略需要更多的时间来开发和测试。相反，与你的供应商密切合作。他们应该是确保成功的好伙伴。”