RAControls

Aktualności

Artykuły

Strojenie beztuningowe

Strojenie napędów może wydawać się czynnością trudną i żmudną, mimo że niezbędną dla ich prawidłowego działania. W poniższym artykule przedstawię możliwości, które wpływają na skrócenie i ułatwienie tego procesu. 

autor: Dawid Smolarek


Spis treści

 

Słowem wstępu

W dzisiejszym artykule zostaną omówione wbudowane zaawansowane funkcje strojenia jakimi są tzw. Load Observer oraz Tracking Notch. Funkcje te nie są nowością, lecz przez wielu użytkowników są pomijane ze względu na przyzwyczajenie do klasycznego strojenia, czy też małą wiedzę o istnieniu tego narzędzia.

 

Czym właściwie jest strojenie?

Aby odpowiedzieć na to pytanie najpierw trzeba rozważyć, z czym silnik serwonapędowy musi się zmierzyć.

Aby mieć pewność że układ będzie poprawie nadążał za trajektorią zadaną z jak najmniejszym błędem śledzenia, każda zamknięta pętla sterowania wymaga odpowiednich ustawień wzmocnień regulatorów oraz ewentualnych filtrów.

 

Optymalne strojenie

Optymalne strojenie zależy w dużej mierze od charakterystyki danego układu. Każda maszyna – nawet jeśli jest to układ powtarzalny – jest inna. Mając na uwadze tę różnorodność, jak również fakt występowania wielu czynników zakłócających, optymalne strojenie bywa czasami trudne i długotrwałe. Do wspomnianych czynników zaliczyć można zmienne, takie jak:

  • wszelkiego rodzaju luzy,
  • zmienna bezwładność i zakłócenia momentu,
  • wspomniane już wcześniej różnice w maszynach – czy to powtarzalnych, czy też nie – ze względu na tzw. tolerancje produkcyjne (każdy element może być nieco inaczej wykonany),
  • zużycie w czasie poszczególnych elementów maszyny

Dla uzyskania najlepszych efektów niezbędne jest ostateczne dostrojenie układu przez inżyniera lub  osobę wykwalifikowaną. Niezbędna do tego jest wiedza, którymi parametrami należy operować.

Warto pamiętać, że w przypadku silników, każdy układ należy stroić niezależnie, przez co – w przypadku, gdy w maszynie zamontowanych jest ich wiele, proces strojenia ulega wydłużeniu.  Z pomocą tutaj przychodzą nam wbudowane narzędzia ułatwiające proces strojenia i ograniczające ilość wkładu pracy użytkownika.

 

Klasyfikacja mechaniczna trudności w strojeniu

Jak to zostało już wcześniej wspomniane na finalny proces strojenia układu wpływa wiele czynników mechanicznych, które można podzielić na 6 kategorii:

  1. Oporność obciążenia rozumiana jako przeciwdziałanie kierunkowi ruchu

Można tutaj zaliczyć m.in. tarcie, bezwładność a nawet grawitację

  1. Dynamika niskich częstotliwości

Tutaj bardziej skupmy się na takich czynnikach, jak deformacja materiału rozumiana jako jego skręcanie, rozciąganie czy ściskanie. Kategoria ta jest często określana jako zgodność albo dopasowanie mechaniczne

  1. Wysokie częstotliwości rezonansowe

Rezonans jest to częstotliwość przy której układ zaczyna drgać. Takie zjawisko często objawia się tzw. buczeniem, wyciem układu.

  1. Średnie częstotliwości rezonansowe

Kategoria podobna do powyższej, ale przy niższych częstotliwościach.

  1. Wiele częstotliwości rezonansowych

W tej kategorii znajduje się układ, w którym występują zarówno wysokie, jak i średnie częstotliwości rezonansowe, co komplikuje sytuację strojenia

  1. Ostatnia kategoria dotyczy ogólnej stabilności całego systemu, która powinna być zachowana przez cały czas pracy – pomimo możliwości wystąpienia zmian mechanicznych.

 

Kompensacja trudności mechanicznych

Razem z pojawieniem się serwonapędów Kinetix 5500 i 5700, technik beztuningowego strojenia oraz strojenia adaptacyjnego, napędy uzyskały możliwość kompensacji każdej z wcześniej wymienionych trudności mechanicznych pojawiających się w przypadku autostrojenia. Te techniki to:

  • Load Observer, który jest w stanie poradzić sobie z punktem 1 i 2
  • Strojenie adaptacyjne umożliwiające uporanie się z punktami 3-6
  a\  Load Observer

Przyjrzyjmy się pierwszemu składnikowi, jakim jest Load Observer. Jego niewątpliwą zaletą jest fakt, iż jego użycie nie wymaga od użytkownika/inżyniera podłączenia się do maszyny. Funkcja ta może być skonfigurowana na etapie tworzenia projektu a później wgrana do docelowego sterownika PLC.

Load Observer działa w czasie rzeczywistym adaptując się do zmiennych warunków wyjściowych, na przykład zmiennego obciążenia w zależności od położenia silnika – jak w przypadku korbowodu. Oznacza to, że napęd automatycznie ocenia, jak to co wypracował wpływa na efekt wyjściowy, a jeżeli jego praca wymaga korekt,  dokonuje ich automatycznie.

Jakie korzyści przynosi to użytkownikowi?

  • upraszcza konfigurację wielu osi oraz zmniejsza czas, jaki trzeba spędzić na niezależnym strojeniu układu,
  • układ automatycznie adaptuje się do zmiennych warunków obciążenia w trakcie pracy
  • daje lepsze rezultaty niż tradycyjne strojenie

Jak to wygląda w praktyce?

Load Observer działa podczas pracy układu co tzw. czas Coarse Update Ratezyli czas ustawienia odświeżania osi w grupie Motion. Wówczas szacowana jest wartość momentu potrzebna, aby przesunąć obciążenie (Torque Estimate) na wale silnika, a następnie dodawana jest wartość momentu kasująca ten efekt (Torque Load).

W rezultacie wygląda to tak, jakby silnik działał bez obciążenia, co jest znacznie łatwiejsze do kontrolowania. Właśnie z powodu zerowego obciążenia zalecane jest, by w ustawieniach osi w Logix Designerze była wpisana wartość 0 w polu Load Ratio – do tego zagadnienia powrócę w kolejnej publikacji.

Load Observer
źródło: materiały promocyjne Rockwell Automation

Ponadto funkcja Load Observer’a pozwala na skuteczniejsze działanie w sytuacjach, w których przekraczamy zalecany próg współczynnika bezwładności, tj. 10:1.

 
b\  Strojenie adaptacyjne

Przyjrzyjmy się teraz adaptacyjnemu strojeniu jakim jest Tracking Notch. Wcześniej w celu eliminacji wyższych częstotliwości rezonansowych, użytkownik był zmuszony użyć odpowiednich narzędzi do ich pomiaru, a następnie taką wartość musiał umieścić w napędzie. Obecnie proces szukania zakresów częstotliwości rezonansowych dokonuje się automatycznie, bez konieczności interwencji użytkownika. Po wykryciu częstotliwości rezonansowej, jest ona wycinana z pasma, przez co układ nie wpada już w rezonans.

Kolejnym uzupełnieniem adaptacyjnego strojenia jest Gain Stabilization (Stabilizacja wzmocnień). Składnik ten monitoruje pracę układu i nadzoruje poziom wzmocnień, zapewniając tym samym poprawną i stabilną pracę. Dodatkowo automatycznie kompensuje trudności, które zazwyczaj są problematyczne do zestrojenia (jak chociażby kilka częstotliwości rezonansowych).

Funkcja Gain Stabilization razem z Load Observerem oraz Tracking Notchem daje pełne uzupełnienie procesów strojeniowych.

Tracking Notch
źródło: materiały promocyjne Rockwell Automation

Co nam dają powyższe dwie opcje ?

  • monitorowanie stabilności systemu w czasie rzeczywistym, co ułatwia dalszy proces strojenia dzięki kompensacji niektórych trudnych do wykrycia problemów
  • kompensują zmiany mechaniki jak np. możliwość pojawienia się luzów, zużycia poszczególnych elementów w trakcie pracy maszyny
  • pozwalają na zmniejszenie zużycia elementów dzięki eliminacji drgań rezonansowych
  • są doskonałym uzupełnieniem procesów beztuningowego strojenia

 

Na koniec

Artykuł ten ma na celu uświadomienie, jak korzystnym rozwiązaniem jest adaptacyjne automatyczne strojenie z wykorzystaniem Load Obverver’a i Tracking Notcha. W szczególności chciałem podkreślić to, jak te techniki mogą ułatwić i przyspieszyć cały proces strojenia.

Dzięki takiemu rozwiązaniu wbudowanemu w napędy serwo ani zużywająca się mechanika układu, ani zmienna bezwładność nie będą stanowić dla systemu serwonapędowego problemu. W połączeniu z zaletami, jakie oferuje użytkownikowi środowisko programowania Studio 5000, uruchomienie systemu serwonapędowego może być łatwe i szybkie jak nigdy dotąd.

W kolejnej publikacji przedstawię krótki tutorial, który wskaże Państwu, które opcje należy włączyć, by cieszyć się najwyższą efektywnością działań oraz gdzie ich szukać.