عملگرهای الکتریکی طراحی شده برای جایگزینی سیالات: آموزش عملی
This article explains how integrated electric actuators, such as SMC’s e-Actuator series, are transforming industrial motion control by replacing traditional pneumatic and hydraulic systems. It hig...
عملگرهای الکتریکی به عنوان جایگزینی پاک و دقیق برای سیستمهای حرکتی مبتنی بر سیالات سنتی در حال ظهور هستند. با این حال، بسیاری از مهندسان تصور میکنند که این عملگرها نسبت به سادگی پنوماتیک و هیدرولیک نیازمند سیمکشی، نرمافزار و سختافزار کنترل پیچیدهتری هستند. در این آموزش، بررسی میکنیم که چگونه سری e-Actuator شرکت SMC این فاصله را با ترکیب راهاندازی آسان با مزایای حرکت الکتریکی پر میکند. از اصول سیمکشی تا پیکربندی نرمافزار و حالتهای عملکرد، گام به گام نحوه جایگزینی سیستمهای سیال با کنترل الکتریکی ساده را مرور خواهیم کرد.
عملگرها موتورهایی هستند که حرکت خطی ایجاد میکنند. برای این کار، از پیچها، تسمهها و سیستمهای دندهای برای تبدیل چرخش به حرکت خط مستقیم استفاده میکنند.
تاریخچه نشان میدهد که رایجترین روش ایجاد حرکت خطی استفاده از سیالات—فشار هوا و مایع هیدرولیک—بوده است. این روش هنوز بسیار رایج است زیرا سیستمها آسان برای ساخت و ساده برای مدیریت هستند. با این حال، استفاده از برق برای تکرار همین حرکت مزایایی دارد.
برق میتواند بدون نیاز به زیرساختهای حجیم (مانند پمپها، مخازن کمپرسور، مخازن ذخیره و غیره) به مکانهای دوردست برسد. همچنین بسیار پاکتر است، زیرا سیالات اغلب نشت میکنند و نیاز به نگهداری دارند. موتورهای دارای انکودر میتوانند موقعیتها را دقیقتر ردیابی کنند و یک پروفایل حرکت کامل ایجاد کنند، نه فقط حرکت سریع عملگر از یک انتها به انتهای دیگر.
نقطه ضعف برق، حداقل در بیشتر موارد، این است که هر سیستم محرک حرکتی بسیار پیچیده است: کابلهای سیگنال، نرمافزار پیکربندی، کنترلری با برنامه سازگار، رابطهای فیلدباس، تنظیم حلقه PID و غیره! در بسیاری از موارد، این یک مانع بزرگ برای جایگزینی ساده سیستم سیال با سیستم الکتریکی است.
برخی راهحلها تلاش میکنند سادگی کنترل سیالات را با مزایای پروفایل حرکت برق ترکیب کنند، با استفاده از عملگرهای الکتریکی. ما چنین راهحلی را بررسی خواهیم کرد، سری e-Actuator از SMC.
شکل 1. سری e-Actuator در یک واحد نمایشی از SMC. تصویر با اجازه نویسنده استفاده شده است
سری e-Actuator از SMC
کنترل حرکت موضوعی پیچیده است زیرا از یک دکمه که باعث حرکت یک محور میشود تا یک حلقه دقت چند بازخوردی پیچیده با ارتباط فیلدباس به کنترلر را در بر میگیرد.
اگر هدف سهولت در عملکرد باشد، ما سناریوی اول را ترجیح میدهیم. یک عملگر الکتریکی که با فشار ساده یک دکمه یا ورودی دیجیتال از یک حسگر، محور را به موقعیت تعیین شده حرکت میدهد. همین.
شکل 2. کنترلر یکپارچه با سوکتهایی برای برق (پایین چپ)، ورودی/خروجی (پایین راست) و اتصال به کامپیوتر (سوکت باز بالا). تصویر با اجازه نویسنده استفاده شده است
ما از یک عملگر سری EQFS نوع اسلایدر استفاده خواهیم کرد (تشکر ویژه از تیم SMC برای امانت نمونه جهت آزمایش روی میز). این عملگرها از کنترلرهای پیچیده خالی نیستند. اما کنترلر به صورت یکپارچه در عملگر تعبیه شده و تمام کارهای سنگین را به طور خودکار انجام میدهد. نگاهی به کنار ماژول کنترل نشان میدهد یک سوکت ورودی M12 برای برق، یک سوکت M12 هشت پین برای سیگنالهای دیجیتال ورودی/خروجی و یک اتصال M12 سوم برای اتصال پیکربندی به کامپیوتر وجود دارد.
شکل 3. پینآوت برای برق (چپ) و برای ورودی/خروجی (راست). تصویر اصلاح شده از دفترچه راهنمای کاربر محصول SMC
ورودی برق +24 و 0 ولت را از منبع تغذیه DC دریافت میکند.
ورودی سیگنال چند نکته بیشتر دارد. اول، مهم است بدانید که برخلاف ماژولهای ورودی PLC، پینهای ورودی/خروجی به صورت داخلی به ورودی منبع تغذیه متصل هستند. تأمین 24 ولت به یک پین ورودی کافی است؛ ترمینال Com وجود ندارد. این همچنین به این معنی است که دستگاههای ورودی/خروجی خارجی باید توسط همان منبع تغذیه عملگر تأمین شوند، یا حداقل ریلهای 0 ولت باید به هم متصل باشند.
دو پین اول برای ورودیهای سیگنال هستند. این در مرحله بعد که درباره نرمافزار پیکربندی و حالتهای مختلف عملکرد صحبت میکنیم، بسیار مهم خواهد بود.
پیکربندی نرمافزار
برنامهنویسی عملگرها پیچیده نیست. نرمافزار به نام e-Actuator Setup Tool است که به صورت رایگان از SMC قابل دریافت است.
اتصال کابل مبدل M12-USB به طور خودکار نوع عملگر را شناسایی کرده و رابطی برای تنظیم تمام پارامترهای مرتبط فراهم میکند.
شکل 4. حالتهای عملکرد. تصویر با اجازه نویسنده استفاده شده است
حالتهای عملکرد
سه حالت مختلف وجود دارد که همه آنها فقط با دو ورودی دیجیتال قابل کنترل هستند.
- حالت تک سلونوئید: فعال کردن IN1 عملگر را به انتهای دور میبرد، سپس خاموش کردن آن باعث بازگشت به انتهای مبدا میشود.
- حالت دو سلونوئید: فعال کردن IN1 عملگر را به انتهای دور میبرد، سپس فعال کردن IN0 باعث بازگشت به انتهای مبدا میشود. فعال کردن هر دو ورودی هیچ تأثیری ندارد.
- حالت مرکز بسته: فعال کردن IN1 عملگر را به انتهای دور میبرد، سپس فعال کردن IN0 باعث بازگشت به انتهای مبدا میشود. فعال کردن هر دو ورودی عملگر را به نقطه مرکزی میبرد.
شکل 5. تنظیمات موقعیت و سرعت. تصویر با اجازه نویسنده استفاده شده است
تنظیمات سرعت و موقعیت
هدف کلی راهاندازی سیستمی است که بسیار ساده برای کار باشد، اما این به معنای عدم امکان پیکربندی برخی از پارامترهای حرکت نیست.
ابتدا میتوانیم پروفایل سرعت را برای هر دو جهت حرکت انتخاب کنیم. پروفایل سرعت شامل شتاب، سرعت نهایی و کاهش سرعت است. زمان کل حرکت به طور خودکار بر اساس این سرعتها و طول کورس محاسبه میشود.
در مورد طول کورس، میتوانیم موقعیت انتهای مخالف و مبدا را نیز تنظیم کنیم؛ لازم نیست عملگر تا انتهای سختافزاری حرکت کند. همچنین میتوانیم موقعیت دقیق میانی برای حالت مرکز بسته را انتخاب کنیم.
وقتی حالت عملکرد، سرعت و پارامترهای موقعیت تنظیم شدند، میتوانید دادهها را در دستگاه ذخیره کنید.
شکل 6. ذخیره دادهها در دستگاه. تصویر با اجازه نویسنده استفاده شده است
خلاصه حرکت الکتریکی
اگرچه این روش حرکت ساده و خوب است، ادعای اینکه همیشه برق بهترین گزینه است منطقی نیست. همیشه بهتر است مزایا و معایب هر روش تأمین نیرو را مقایسه کنیم تا نوع مناسب سیستمهای حرکتی را برای هر کاربرد انتخاب کنیم.