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分散式架構 讓運動控制更全面
 

【作者: 王明德】   2014年07月14日 星期一

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分散式運動控制大幅解決了佈線問題,末端的運動控制分擔了中央伺服器的運算工作,減少中央系統到各運動軸之間的佈線數量,不但降低安裝成本,同時也讓系統的可擴充性再次提昇,加大整體控制範圍。


自動化技術快速進步,讓控制系統開始走向高整合、大型化與智慧化,在此情況下,分散式運動控制成為必然趨勢,所謂的分散式運動控制,是將以往均由中央伺服器所負責的運算功能,移轉到系統尾端的運動控制器,這類架構多應用在馬達超過一定數量的系統,分散式運動控制降低了中央伺服器的工作負擔,讓系統資源得以最佳化,目前有投入運動控制的廠商,都有程度不一的投入發展。


圖一
圖一

從應用面來看,會需要分散式運動控制的產業,其製造系統都具一定規模,像是汽車、半導體、面板、太陽能等,這類產業的自動化技術密集、系統整合性高、控制點數量多,傳統的運動控制並不適用,原因在於這類架構採集中式控制,一部伺服馬達需要使用多條佈線去連接伺服馬達,才能從馬達所在位置將編碼器回授、感應器輸出及其他訊號回傳至中央控制器,而一個較為複雜的軸控,該部馬達的佈線需求,有可能高達25條,大量的佈線將使得系統架構為之混亂,無論是初期建置或後期維修,都會提高難度。


分散式運動控制則大幅解決了佈線問題,末端的運動控制分擔了中央伺服器的運算工作,減少中央系統到各運動軸之間的佈線數量,不但降低安裝成本,同時也讓系統的可擴充性再次提昇,加大整體控制範圍,再從穩定性來看,大幅減少佈線的分散式運動控制系統,也讓外在因素對穩定性的影響降至最低,集中式控制的運動控制系統,控制範圍越大,所需佈線就越多,而佈線數量超過一定程度,就容易造成網路壅塞,延遲系統回應時間,現在雖有各種專為運動控制設計的網路協定,以高頻寬、高傳輸量來解決這個問題,不過太過龐大的資料量,仍會造成中央處理器的沈重負擔,對即時性與穩定性來說,都是重大挑戰。


架構選擇的關鍵


為了解決這些問題,約從2000年,各運動控制廠商開始陸續投入分散式運動控制,與集中式相比,分散式控制架構會產生額外的建置成本,而且也不是所有產業都需要,如同前文所敘,企業主在選擇架構類型時,可從控制點數量來評估,就經驗來看,8部馬達可作為標準設定點,超過這個數字,集中式架構的佈線與安裝人力成本,會開始高於分散式,以模擬建置算出的結果,在集中式與分散式兩類架構都控制8部馬達的情況下,後者所節省的材料、安裝人工、安裝時間至少可達20%,若所有參數都最佳化,甚至可達60%。


不過選購分散式運動控制也有許多訣竅,企業必須先瞭解本身需求,再與廠商諮詢、討論出最佳規格,現在企業建置IT系統常見的問題,多在於需求者與供應者兩端專業知識的落差,導致最後完成的系統,規格不正確,從運動控制系統來看,多數導入企業對此一技術並不熟悉,無法正確釐清本身需求,為避免最後功能不敷所需,就會傾向於選擇較大甚至過大的規格,要解決這個問題,可以從兩個方向著手,在採購策略上,可以選擇模組式架構,用積木式往上堆疊,一個功能一個功能加上去,如此一來便可兼顧成本與需求,至於技術面,可以注意幾個重點條件。


兩大重點考量 補間與同步


首先是「補間控制功能」,補間運動通常可以分為「線性補間」及「圓弧補間」運動,線性通常可以由兩軸以上構成,而圓弧補間運動則由兩軸構成,形成一個多維或二維的運動軌跡,通常補間運動的解析能力,決定了軌跡運動的控制精度,多用於連續軌跡的運動控制,也可稱為輪廓控制,主要應用在傳統的數值控制系統、切割系統的運動輪廓控制,補間控制功能主要是讓系統有能力轉化複雜形狀或軌跡,成為馬達可執行的條件。有了補間控制功能,加上正確的馬達安排,1D回應也可以抵達曲線或線型2D、3D空間路徑上的目的地。


第二條件是同步化功能,這個主要是讓數個馬達的停止和啟動得以同步,例如必須配置數個馬達的長距離輸送帶,輸送帶無論是停止或啟動,馬達的動作時間差必須在一定標準內,否則有可能輸送帶本身與置於上面的半成品產生損壞,要達成此一協調動作,可能涉及控制器至控制器、馬達至馬達、馬達至I/O各段路徑間的同步化。而整合程度則是另一項值得關注的重要特性,這可能涉及多個領域,例如整合運動和I/O在同一控制迴路中的能力,或整合同一迴路中多種不同類型馬達的能力。


錯誤佈署將使問題叢生


除了硬體外,軟體現在也是運動控制架構中相當重要的一環,軟體介面決定了工程師與技師學習曲線的長短,現在的運動控制介面多採Windows介面,考量點除了開發工具齊全、可縮短上市時間外,對使用者來說,這也是較為熟悉的介面,不用在重新學習一套新的系統,除這些考量條件外,現在各廠商推出的分散式運動控制並非全然相同,選擇錯誤的佈署方式可能導致問題叢生,之後再修正將更加費資耗時,如何滿足不同的規格及提供符合需求的解決方案,將是最有效能的因應之道。


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