如何为运动系统指定控制器

一个系统可能有超高扭矩电机和精密轴承，谐波齿轮箱和24位绝对编码器。如果运动控制解决方案没有正确的应用程序指定，以匹配机器的特性和项目的要求，运动系统将永远不会达到预期的效果。在过去，控制器的选择很简单:一个可编程逻辑控制器(PLC)运行机器，一个独立的运动控制器处理运动系统的路径规划。今天，oem有许多额外的选择，包括具有运动功能的plc，能够处理机器控制的独立运动控制器，提供一体化解决方案的可编程自动化控制器(pac)，具有运动功能的pc，甚至实现分散控制的智能驱动器。有如此多的选择，问题是如何深入确定一个有效的解决方案。

罗克韦尔自动化公司高级商业项目工程师迈克•米勒表示:“在非常高的层面上，这一切都是关于协调水平和客户参与的应用程序类型。”“当我在这一领域时，我开发的记忆法是MMM:质量、移动和手段。你要搬什么?你想把它移动多快?动力是什么?什么是移动轮廓线?你用什么来移动它?所有这些都会影响到你的尺码和选择。”

控制器的选择
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
对于具有有限数量轴的应用程序，一种方法是使用智能驱动器分布式控制体系结构．今天的驱动器结合了板载处理能力和内存，以支持闭环运动。它们可以控制单个轴，或者，当与其他驱动器连接时，创建一个能够实现同步运动的分布式控制结构。考虑一个带有XZ机架的取放应用程序。z轴驱动器将开始向上运动，然后命令x轴驱动器将负载平移到水平轴上。结果是从(X1,Z1)移动到(X2,Z2)。

好的一面是，分布式硬件架构显著降低了复杂性和成本，不仅是在独立运动控制器方面，而且在布线和安装方面。集成商可以简单地将电缆从一个驱动器连接到下一个驱动器，而不是从机柜连接到机器上的轴。其结果是更少的复杂性、更低的布线成本和更少的故障点。

然而，这种方法也有其局限性。例如，在龙门的情况下，同步的级别是有限的。“它们会以完美的矢量移动吗?”米勒反问。“他们会以协调的方式行动吗?”他们能把弯弯弯来提高效率吗?没有更高端的控制器就不行。它们会移动自己，在某个随机的时间到达它们的端点。”

用于运动控制的plc
plc是机器控制解决方案的主力。它们能够处理大量的I/O，用于计时和计数等任务，以及其他顺序的机器逻辑。它们基本上是经过工业加固的计算机，是由供应商专门为应用程序构建和测试的。其结果是一个稳定的，可靠的，通常可扩展的控制平台。

因为plc是计算机，它们可以通过编程直接与驱动器连接来控制运动轴。所涉及的复杂程度取决于PLC的处理能力。低端，商品plc最适合于更简单的运动¾启动，停止，简单的运动配置文件。对于只需要几个不同步运动轴的机器，PLC可以是一个经济、紧凑的解决方案。

当然，这是有代价的。“它们并不总是拥有世界上最好的界面，”米勒说。“另一个缺点是，用户现在必须配置驱动器和驱动器与PLC之间的协调，甚至可能是让它们通信的网络。”

它们还可能存在通信限制，从而影响性能。Yaskawa America (Waukegan, IL)的运动应用工程主管Kevin Hull说:“当需要跨多个系统进行中等数量的高速实时数据时，它们通常在与其他设备的通信方面会更慢。”

相比之下，最新一代的高端plc可以执行以前属于独立运动控制器的任务，如线性插值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的一个缺点一直是，常用的PLC编程语言，如梯形逻辑，并不特别适合运动编程。也就是说，功能块，作为PLC开放和开发的编程工具之一IEC 61131-3标准，用户可以利用开放源码运动函数库，如风放松。这种新方法使得通过配置视频指向点击接口来取代编程成为可能。

可编程自动化控制器
集成控制解决方案继续朝着易于使用的方向发展。粗略分类为可编程自动化控制器(PACs)，这些设备在单一硬件中结合了多种功能。它们通常围绕具有高性能处理器和大量内存的PLC构建，使它们能够同时支持多个不同的操作，“几乎所有东西都被置于一个环境中，所以没有单独的运动控制器，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(用于机器控制)，”贝加莱工业自动化(Roswell, GA)产品管理主管科里·莫顿说。“它们都在一个平台上，甚至包括人机界面。”

在这里，也有一个重点是使尽可能多的设置可配置，而不是需要编程。Morton表示:“用户必须进行的任何编程都需要工程时间，所以无论是单独的运动控制器还是集成的运动控制器，其目标都是尽可能地实现可配置性，特别是通用设置。”“对于特定应用程序的功能来说，这有点困难，因为有时这涉及到客户的IP。从这个角度来看，他们需要能够做任何他们想做的事情的自由，这意味着编程。”许多集成的包使用户能够在相同的环境中执行配置和编程。

这些集成单元就像适用于三轴DNA测序仪的全数控机床。然而，在这一点上，其他因素将发挥作用，例如成本和占地面积。我们将在后面的部分中更充分地讨论这些考虑因素。

带有独立运动控制器的plc 对于要求最高的应用程序，如那些要求亚微米精度或跨多个轴执行的控制循环与stub毫秒扫描速率，一类PLC和独立运动控制器的组合可能仍然是最佳的适合。这涉及专门设计的硬件。它们可能具有特殊的功能，例如能够接受g代码(用于数控机床编程的语言)。“控制器将接收G代码命令，然后将它们分解为协调的运动学系统，以执行独特和复杂的操作，”欧姆龙自动化公司(Hoffman Estates, Illinois)机器人和运动控制市场经理达雷尔·保罗(Darrell Paul)说。

独立运动控制器还提供增强的功能，如管理高轴数机器人的能力。一个具有机器人功能的集成控制器可以编程来管理三轴或四轴的运动学系统，但只针对特定的操作。相比之下，一个高功能的独立控制器可以支持更复杂的方案，如使多个固定轴的运动学作为一个单一的运动学系统运行。这种方法可以用于一个包含多个机器人执行多种操作的单一机器人工作单元，例如一个视觉引导机器人为另一个机器人提供零件，该机器人在该零件上执行几个不同的任务。

运动学也可以相互嵌入，例如，操作一个需要结合大规模高速运动和非常精细高速定位的机器人手臂。

这种性能的权衡包括复杂性、编程时间和成本。

柔和的运动
对于在性能上要求高度灵活性的应用程序，最好的解决方案可能是在高性能、工业加固的pc上运行的定制代码。基于pc的运动，或者柔和的运动，将商品硬件的成本和采购优势与定制软件相结合，以解决复杂的运动问题。

在plc和运动控制器中使用的处理器往往是专门建造的dsp和asic。因此，他们有更长的产品升级周期。软运动算法可以在任何具有足够处理能力、时钟速度和内存的COTS PC上运行。商品方法使软运动系统能够利用由消费市场推动的快速产品升级周期。功能是由软件驱动的，它比定制硬件更快、更容易、开发成本更低。

然而，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。他们承诺支持这项技术20到30年。相比之下，现在购买的个人电脑可能6个月后就不能用了，更不用说6年后，如果商店的数控机床主板失效的话。

了解应用程序
了解一般的控制器类型是不够的。为了有效地指定编码器，用户需要解决项目的特定需求。米勒说:“应用总是第一位的。”你想要完成什么?

一个主要的考虑是需要控制的系统类型的数量。除了主要的机器逻辑之外，系统是否涉及特定操作的系统，如运动控制、机器人和安全?它们需要在什么性能级别上进行操作和交互?“客户是否希望更多地采用模块化/基于单元的制造过程，即拥有多个单元，这些单元都是本地控制的，只需要连接在一起?或者他们是否需要一个中央控制器，因为他们想要在大范围的运动轴和所有不同的系统之间进行非常紧密的协调?”保罗问。严格控制的场景可能需要PAC，而多单元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生成路径命令，以按时将负载发送到预定位置。控制器必须足够快，以便及时完成处理并交付输出。因此，在指定控制器时，流程的周期时间是确定的最重要细节之一。

假设一台每分钟加工300个零件的机器。这相当于200毫秒，周期时间为200毫秒，在此期间需要发生所有流程步骤，包括操作之间的任何空闲时间。“你需要熟悉对作业至关重要的最小时间范围，并确保所选设备能够处理和共享不充足的时间范围内的数据，”Hull说。考虑一个使用机器视觉反馈的运动系统。如果从图像采集到窗口关闭进行运动校正的周期时间为30毫秒，那么所有处理步骤都必须在该间隔内发生。“相机必须能够在5毫秒内拍摄一张照片，在5毫秒内处理数据，并在5毫秒内传输数据，允许运动控制器在必要时在剩余时间内进行校正，”Hull说。“在项目开始时，这些细节有时很难确定，但必须确定一个合理的性能裕度。”

该策略是识别最快的动作，最快的凸轮轮廓段，然后使用这些数据选择一个控制器，可以提供该水平的性能。保罗说:“有时，当客户的应用程序涉及到非常快速的协调运动时，我们会建议他们购买一个CPU更大的控制器，只是因为需要速度，而不一定需要CPU的容量。”

坐标轴和I/O点的数量
需要调整控制器CPU的大小，以处理大量的操作，以确保它可以在分配的周期内工作。在指定设备时，重要的是要考虑轴和I/O点的数量。

通信协议
通信可以严重影响系统的顶级性能。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。应该注意选择以与应用程序周期时间相补充的速度运行的协议。有些控制器充当数据记录器或边缘网关设备，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能够以所需的速度支持这些额外的操作。

安全与保障
在过去的十年中，安全已经成为一个越来越重要的话题，这不仅是因为它能够保护作业人员，也因为它在优化OEE和简化作业方面的作用。安全实现各不相同。有些系统使用安全plc的安全级驱动器。还有一些是围绕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，控制器都需要满足诸如延迟、循环教育执行率和通信需求等参数的目标规范。

系统级的注意事项
pac提供了许多优点，包括易于使用，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坏了，也必须保持工作状态，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PLC作为解决方案的大脑出现故障，那么你可能无法运行任何东西。”“如果你有一个智能驱动器的架构，它有可能在自己和独立的模式下运行，也许在这种情况下，它们可以通过驱动器本身的离散输入和输出进行控制，也许这种架构将给你那种类型的容错。”

将PAC用于机器的一个部分，结合智能驱动器或选定的轴，实际上可以提供更有效的整体解决方案。从中央控制器卸载这些轴可以减少计算负担。这样就可以在保持性能的同时使用更便宜的控制器来完成工作。

要记住的关键点是，虽然预算很重要，但它不应该完全驱动决策。由于节省成本，使用低端PLC控制四轴系统可能是诱人的。然而，如果PLC能够满足性能指标，系统将永远无法有效地执行应用程序。

oem有各种各样的控制选项可供选择。在开始筛选过程之前，成功的策略是考虑到申请是完整的。正确的选择可能是一个微妙的过程。俗话说的好，对于控制器来说，时间就是一切，但有些方面似乎很简单，很容易被忽视，比如通信不兼容性和安全性，它们最终会让项目脱离轨道。要想找到最好的解决方案，就要听取专家的意见。“在选择编码器时最大的一个陷阱是不完全了解机器的要求，然后由于性能限制或发现的不兼容或缺失的功能而努力满足规格，”Hull说。“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。”