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分散式架构 让运动控制更全面
 

【作者: 王明德】2014年07月14日 星期一

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分散式运动控制大幅解决了布线问题,末端的运动控制分担了中央伺服器的运算工作,减少中央系统到各运动轴之间的布线数量,不但降低安装成本,同时也让系统的可扩充性再次提升,加大整体控制范围。


自动化技术快速进步,让控制系统开始走向高整合、大型化与智慧化,在此情况下,分散式运动控制成为必然趋势,所谓的分散式运动控制,是将以往均由中央伺服器所负责的运算功能,移转到系统尾端的运动控制器,这类架构多应用在马达超过一定数量的系统,分散式运动控制降低了中央伺服器的工作负担,让系统资源得以最佳化,目前有投入运动控制的厂商,都有程度不一的投入发展。


图一
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从应用面来看,会需要分散式运动控制的产业,其制造系统都具一定规模,像是汽车、半导体、面板、太阳能等,这类产业的自动化技术密集、系统整合性高、控制点数量多,传统的运动控制并不适用,原因在于这类架构采集中式控制,一部伺服马达需要使用多条布线去连接伺服马达,才能从马达所在位置将编码器回授、感应器输出及其他讯号回传至中央控制器,而一个较为复杂的轴控,该部马达的布线需求,有可能高达25条,大量的布线将使得系统架构为之混乱,无论是初期建置或后期维修,都会提高难度。


分散式运动控制则大幅解决了布线问题,末端的运动控制分担了中央伺服器的运算工作,减少中央系统到各运动轴之间的布线数量,不但降低安装成本,同时也让系统的可扩充性再次提升,加大整体控制范围,再从稳定性来看,大幅减少布线的分散式运动控制系统,也让外在因素对稳定性的影响降至最低,集中式控制的运动控制系统,控制范围越大,所需布线就越多,而布线数量超过一定程度,就容易造成网路壅塞,延迟系统回应时间,现在虽有各种专为运动控制设计的网路协定,以高频宽、高传输量来解决这个问题,不过太过庞大的资料量,仍会造成中央处理器的沉重负担,对即时性与稳定性来说,都是重大挑战。


架构选择的关键


为了解决这些问题,约从2000年,各运动控制厂商开始陆续投入分散式运动控制,与集中式相比,分散式控制架构会产生额外的建置成本,而且也不是所有产业都需要,如同前文所叙,企业主在选择架构类型时,可从控制点数量来评估,就经验来看,8部马达可作为标准设定点,超过这个数字,集中式架构的布线与安装人力成本,会开始高于分散式,以模拟建置算出的结果,在集中式与分散式两类架构都控制8部马达的情况下,后者所节省的材料、安装人工、安装时间至少可达20%,若所有参数都最佳化,甚至可达60%。


不过选购分散式运动控制也有许多诀窍,企业必须先了解本身需求,再与厂商咨询、讨论出最佳规格,现在企业建置IT系统常见的问题,多在于需求者与供应者两端专业知识的落差,导致最后完成的系统,规格不正确,从运动控制系统来看,多数导入企业对此一技术并不熟悉,无法正确厘清本身需求,为避免最后功能不敷所需,就会倾向于选择较大甚至过大的规格,要解决这个问题,可以从两个方向着手,在采购策略上,可以选择模组式架构,用积木式往上堆叠,一个功能一个功能加上去,如此一来便可兼顾成本与需求,至于技术面,可以注意几个重点条件。


两大重点考量 补间与同步


首先是「补间控制功能」,补间运动通常可以分为「线性补间」及「圆弧补间」运动,线性通常可以由两轴以上构成,而圆弧补间运动则由两轴构成,形成一个多维或二维的运动轨迹,通常补间运动的解析能力,决定了轨迹运动的控制精度,多用于连续轨迹的运动控制,也可称为轮廓控制,主要应用在传统的数值控制系统、切割系统的运动轮廓控制,补间控制功能主要是让系统有能力转化复杂形状或轨迹,成为马达可执行的条件。有了补间控制功能,加上正确的马达安排,1D回应也可以抵达曲线或线型2D、3D空间路径上的目的地。


第二条件是同步化功能,这个主要是让数个马达的停止和启动得以同步,例如必须配置数个马达的长距离输送带,输送带无论是停止或启动,马达的动作时间差必须在一定标准内,否则有可能输送带本身与置于上面的半成品产生损坏,要达成此一协调动作,可能涉及控制器至控制器、马达至马达、马达至I/O各段路径间的同步化。而整合程度则是另一项值得关注的重要特性,这可能涉及多个领域,例如整合运动和I/O在同一控制回路中的能力,或整合同一回路中多种不同类型马达的能力。


错误部署将使问题丛生


除了硬体外,软体现在也是运动控制架构中相当重要的一环,软体介面决定了工程师与技师学习曲线的长短,现在的运动控制介面多采Windows介面,考量点除了开发工具齐全、可缩短上市时间外,对使用者来说,这也是较为熟悉的介面,不用在重新学习一套新的系统,除这些考量条件外,现在各厂商推出的分散式运动控制并非全然相同,选择错误的布署方式可能导致问题丛生,之后再修正将更加费资耗时,如何满足不同的规格及提供符合需求的解决方案,将是最有效能的因应之道。


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