Приводные устройства и приводные системы традиционно рассматриваются как один из важнейших базовых элементов технологических систем различного назначения, применяемых в большинстве отраслей промышленности. Во многом именно надежность приводов определяет степень производственной эффективности и уровень общей безопасности промышленной техники.
В последнее время развитие и дальнейшее совершенствование приводных систем идет по пути повышения степени их интеллектуальности и универсальности. Первое придает приводу большую гибкость и позволяет наряду с традиционными задачами контроля и управления осуществлять также диагностику, решать задачу прогнозирования технического состояния приводного устройства или, например, управлять работой привода при помощи внешнего контроллера. Универсализация же дает инженерам возможность использовать привод в более широком спектре областей применения.
Одним из наиболее характерных представителей семейства современных интеллектуальных приводных устройств является сервопривод СПШ10 (рис. 1), разработанный и производимый серийно ЗАО «Сервотехника» (Москва).
Высокопроизводительный интегрированный сервопривод СПШ10 базируется на алгоритме векторного управления. Конструктивно он состоит из гибридного шагового двигателя, преобразователя частоты на основе высокопроизводительного DSP-процессора, датчика углового перемещения и ПЛК (рис. 2). При использовании привода СПШ10 в большинстве случаев не требуется редуктор, поскольку шаговый двигатель, на основе которого реализован рассматриваемый привод, является высокомоментным. Кроме того, новая модификация сервопривода, получившая обозначение СПШ20, уже имеет нулевую метку в датчике обратной связи. Нулевая или Z-метка предназначена для точного определения начального положения вала двигателя и используется в координатных системах и манипуляторах совместно с датчиками референцирования, что позволяет обеспечить точный выход в нулевую позицию.
На сегодня аналогов сервоприводам семейства СПШ в России нет, а поставляемые на отечественный рынок зарубежные устройства уступают отечественной разработке по комплексу показателей: функциональным возможностям, стоимости, сроку поставки и эффективности послепродажного обслуживания.
Многофункциональность
В процессе разработки СПШ10 инженерами ЗАО «Сервотехника» ставилась задача создать универсальный интегрированный сервопривод, который подходил бы по своим техническим характеристикам и функциональным возможностям для практического применения в максимально наибольшем спектре отраслей промышленности.
Универсальность — это один из ключевых моментов нового сервопривода, благодаря чему СПШ10 уже нашел применение в таких областях, как оборудование для текстильной и пищевой промышленности; полиграфическое оборудование; фрезерные и фрезерно-гравировальные станки; упаковочное и конвейерное оборудование; измерительные системы; приводы осей координатных столов и различных манипуляторов; распределенные системы линейного перемещения (на базе СПШ10 уже создан целый ряд стандартных линейных модулей для решения задачи линейного позиционирования; приводы подачи, машин и механизмов специального назначения; различное рекламное оборудование.
Сервоприводы семейства СПШ10 пробили себе дорогу даже в мир искусства — используются сегодня в кинотехнике и оборудовании для телерадиовещания, разработкой и производством которых занимается компания ДИП (С.-Петербург). А инженеры компании «Рубин» (Москва) и Научно-технического центра «Завод «Ленинец» (С.-Петербург) используют новый сервопривод в традиционных для такого оборудования областях — для решения задачи автоматизации промышленной установки струйной очистки от лакокрасочных покрытий и в станках с ЧПУ.
Нашлось для сервопривода дело и в сфере подготовки высококлассных водителей: СПШ10 включен в состав тренажера колесных машин, созданного компанией «Логос» (Москва) и предназначенного для обучения основным навыкам вождения и совершенствования приемов управления большегрузными автомобилями в различных условиях. В данном тренажере на валу сервопривода СПШ10 установлено стандартное рулевое колесо автомобиля повышенной проходимости КамАЗ и тормозная муфта. Последняя необходима для имитации так называемых «краев» рулевого управления, а непосредственно сервопривод используется для имитации возврата руля и ударов от дороги во время «движения».
Интересное высокотехнологичное применение комплектам СПШ10 было найдено специалистами корпорации «ВСМПО-Ависма» (г. Верхняя Салда). Инженеры Центральной лаборатории автоматизации «титанового» гиганта решили использовать СПШ10 для решения задачи точного позиционирования в комплексах по обеспечению неразрушающего контроля, в частности, в области ультразвукового контроля продукции корпорации, широко использующейся в таких важных отраслях, как, например, авиастроение.
Режимы работы и особенности эксплуатации
Функциональные возможности сервоприводов семейства СПШ позволяют реализовать различные варианты режимов работы.
Динамический режим позволяет управлять приводом в режиме РВ через цифровой интерфейс. Данный режим используется в системах, требующих контурного управления: например, в манипуляторах со сложной кинематикой и координатных столах для точного позиционирования.
Аналоговый режим дает возможность осуществлять управление скоростью привода с помощью аналогового сигнала ?10 В и применяется преимущественно в процессе модернизации оборудования с аналоговыми системами управления или для ручного управления.
Циклический режим, при котором работа привода осуществляется по программе, заложенной во встроенный контроллер и сохраненной в памяти привода, позволяет исключить внешний контроллер верхнего уровня или СЧПУ. Используется по большей части в конвейерах и в оборудовании, предназначенном для сборочных операций.
Сетевой режим позволяет строить распределенные сервосистемы на основе цифрового промышленного интерфейса CAN для синхронизации нескольких приводов и работы в режиме master-slave, в котором ведомый привод работает в режиме повторителя положения вала ведущего.
Для эмуляции работы шагового двигателя сервопривод СПШ10 поддерживает также и интерфейс Step/Dir, с помощью которого задается текущее положение вала двигателя. Кроме того, в приводах семейства СПШ реализован режим синхронизации контуров скорости между собой на основе CAN-интерфейса, что позволило повысить точность выполнения контурного движения в таких системах, как фрезерные, токарные и деревообрабатывающие станки.
Партнеры ЗАО «Сервотехника» отдают предпочтение тем рабочим режимам, которые необходимы для конкретного применения. Так, НТЦ»Завод «Ленинец» (С.-Петербург) использует в станках с ЧПУ режим управления позицией с заданием управляющего воздействия при помощи интерфейса Step/Dir, в корпорации «ВСМПО-Ависма» применяют режим управления позицией и скоростью с использованием интерфейса CAN и пропорционального аналогового управления, а в компании ДИП уже нашли применение три режима — управление позицией, скоростью и моментом также с использованием промышленного интерфейса CAN.
В тренажере компании «Логос» применяются режимы управления скоростью и моментом (с использованием замкнутого контура скорости с оперативным изменением скорости и момента), а инженеры компании «Рубин» остановились на режиме управления скоростью с контролем перемещения. Причем, если в первом случае с самого начала предпочтение было отдано интерфейсу CAN, то в компании «Рубин» для задания управляющего воздействия первоначально предполагалось использовать ЦАП для управления через аналоговый вход с ПК.
Интеллектуальная составляющая привода
Отличительной особенностью современных сервоприводов, придающей им повышенную гибкость, является наличие ПЛК, представляющего собой интерпретатор программ пользователя. С помощью встроенного ПЛК можно реализовать взаимодействие с внешним оборудованием посредством использования портов ввода/вывода и осуществлять обмен сообщениями между приводами по цифровым шинам, таким как CAN. Это позволяет разрабатывать распределенные системы, а в ряде случаев — обходиться без внешних контроллеров верхнего уровня.
Особенностью ПЛК является наличие массива данных (размером 1500 слов), которые хранятся в энергонезависимой памяти процессора самого привода. Данный массив доступен программам пользователя на чтение и на запись и может использоваться произвольным образом, например, для хранения позиций обхода, которые привод должен отработать последовательно. Вкупе с возможностью синхронизации между приводами это позволяет выполнять позиционные задачи (операции сверления, работа портальных систем и перекладчиков) полностью автономно, без использования внешнего контроллера.
Большинство пользователей СПШ10 считают наличие ПЛК очень удобным и легко осваиваемым и используют его в процессе эксплуатации в той или иной степени.
Программирование СПШ
Одним из важнейших аспектов системной интеграции является возможность и эффективность выполнения настройки и мониторинга эксплуатируемой системы. Для решения этой непростой задачи вместе с приводом СПШ10 заказчику передается и дополнительное ПО «Мотомастер» (рис. 3), с помощью которого пользователь может выбрать и настроить требуемые режимы работы сервопривода, а также провести анализ качества настройки. Поставляемое компанией «Сервотехника» ПО позволяет анализировать до трех параметров в режиме РВ с разрешением до 25 мкс. При этом также существует возможность одновременного съема информации с нескольких приводов, что позволяет пользователю анализировать поведение всей системы в целом.
С помощью указанного ПО любой пользователь может легко разработать и записать в ПЛК до восьми программ, а для упрощения процесса разработки и отладки программы в ПО «Мотомастер» предусмотрен режим пошагового выполнения программы. Все программы ПЛК хранятся в энергонезависимой памяти, и сервопривод может автоматически переходить в режим отработки заданной программы при включении питания.
В состав сервопривода СПШ10 также включен программный осциллограф, позволяющий пользователю анализировать динамические параметры привода в процессе выполнения рабочих циклов. Такой осциллограф состоит из двух частей: одна входит в состав самого привода и выполняет захват и накопление данных (может также подавать на привод тестовые воздействия), а другая расположена на ПК и выполняет прием и графическое отображение параметров.
Большинство пользователей сервоприводов СПШ10 использовали осциллограф в процессе первоначальной отладки и оценки нового оборудования, например в компании «Рубин». А в ОАО «НТЦ»Завод «Ленинец» осциллограф используют в обязательном порядке, оценивая его работу как очень удобную и эффективную. Хотя, конечно, вследствие особенностей определенных задач, потребность в нем присутствует не везде.
Надежность и основные преимущества
Все приводы семейства СПШ в обязательном порядке проходят в «Сервотехнике» автоматический цикл тестирования, основной задачей которого является проверка всех функциональных блоков СПШ и выявление скрытых дефектов его сборки и монтажа используемых электронных компонентов (рис. 4). Общий комплекс тестирования СПШ разбит на три этапа:
- проверка функциональных блоков привода — датчиков позиции, токов, напряжения, температуры, защиты от короткого замыкания, а также всех интерфейсов и обмоток двигателя;
- виброиспытания, в ходе которых партию тестируемых сервоприводов устанавливают на вибростенд, после чего отрабатывается тестовая программа движения: в течение 3 ч приводы одновременно подвергаются вибрациям на частотах 0...70 Гц с ускорением до 1,2 g;
- повторная проверка всех функциональных блоков сервопривода.
Причем после завершения работ по исправлению всех выявленных дефектов сервоприводы проходят полный повторный цикл испытаний.
Основными преимуществами сервоприводов семейства СПШ являются:
- наличие бесшагового (векторного) управления, построенного на базе алгоритма, адаптированного для шаговых двигателей;
- возможность достижения высоких динамических показателей за счет применения замкнутого контура регулирования тока;
- использование замкнутого контура скорости;
- малый уровень вибрации, обеспечиваемый за счет динамически регулируемого усилия;
- простая и хорошо продуманная конструкция изделия, обладающего компактным дизайном, небольшой массой и неотличающегося сложным монтажом (архитектура привода выполнена таким образом, что по запросу заказчика производитель может легко менять интерфейсы, предлагая многовариантные проекты, а также добавлять различные программные модули по заказу).
Наряду с этим новый сервопривод обладает рядом особенностей, которые существенно увеличивают его привлекательность:
- наличие режимов управления угловой позицией, скоростью и моментом;
- возможность применения режима плавного разгона (торможения) с исключением двух диапазонов резонансных частот;
- обеспечение точности позиционирования от 6 угловых минут до 8 угловых секунд;
- наличие встроенной защиты от короткого замыкания, перегрева, повышенного или пониженного напряжения;
- возможность использования специального режима, позволяющего синхронизировать работу большой (до 128 единиц) группы приводов, для чего используется промышленная шина CAN.
Тихонов Андрей Олегович — канд. техн. наук, руководитель отдела исследований и разработок.
Щербаков Владимир Леонидович — специалист ЗАО «Сервотехника».
