עקרונות בתכנון ציר הנעה ליניארי (1)
ציר הנעה ליניארי הינו אבן בניין בסיסית בעולם האוטומציה התעשייתית. כמעט כל מכונה אוטומטית / רובוטית עושה שימוש בצירים כאלו. העיקרון הינו פשוט מאוד - ביצוע תנועה מבוקרת בקו ישר בין מספר נקודות בעיקר בכדי לשנע פריטים בקו הייצור או לשנע מערכות בתוך המכונה עצמה. מאמר זה יחולק לשניים, כאשר בכל חלק אתמקד במימד תכנוני אחר של מערכת מעין זו:
-
מאמר מס' 1: תכנון לוגי של הציר הליניארי
-
מאמר מס' 2: קונפיגורציות הנעה מקובלות לצירים ליניאריים
בכדי לתת הקשר להמשך המאמר ניתן לבחון את האיור הבא המתאר בצורה עקרונית מבנה לוגי של ציר ליניארי:
להלן פירוט והסבר קצר על כל אחד מהמושגים המופיעים לעיל. המושגים המופיעים הינם מונחים מקובלים בתעשיה בישראל כאשר אלו הלועזיים מקובלים בחו"ל ואפשר למצוא אותם בקטלוגים של יצרני מערכות הנעה:
-
עגלה: העומס (Load) שאותו מבקשים לשנע מחובר לעגלה. לצורך הנוחות הציר מונח בצורה אופקית, אך כמובן שניתן למקם אותו גם בכיוון אנכי או בכל כיוון אחר שיתאים לתכנון.
-
מהלך: זהו המרחק נטו הנדרש להניע את העומס בכדי לעמוד בדרישות התכנון.
-
מהלך עודף: מידה זו תלויה בכמה גורמים כגון מערכת הבקרה, הדינמיקה של התנועה והקונפיגורציה המכנית שנבחרה להנעת הציר. נושאים אלו יידונו בחלקו השני של המאמר.
-
מיקום אפס: מיקום זה מתייחס למיקום ברירת המחדל של העומס, למשל - בעת הדלקת המערכת.
-
סוף מהלך: מתייחס למיקום העומס בסוף המהלך.
-
הנעה: מקור הכוח המניע את המכניקה של הציר. לצורך הדיון אנחנו נדבר על מנועי סרוו (Servo) חשמליים.
-
אנקודר: מכשיר המשמש לסגירת חוג הבקרה על ידי חיווי מיקום ציר המנוע ביחס לנקודת אפס שנקבעה מראש, זאת בדומה למד מרחק שישנו בכל רכב. מאמר בנושא אנקודרים ובקרה יובא בהמשך.
-
פיקוד, בקרה וכוח: המנוע מחובר חשמלית אל מערכות המספקות לו כוח לתנועה, מקבלות ממנו חיווי מיקום לשם בקרה על התנועה (בעזרת האנקודר) ושולחות פקודות הנעה לפי הצורך.
מבחינה לוגית, ישנם שלושה מצבים עיקריים אותם צריך לקחת בחשבון בתכנון המערכת כאשר מעל הכל, הקו המנחה צריך לקחת בחשבון בטיחות לאנשים, לציוד היקפי ולעומס המונע. להלן המצבים הלוגיים העיקריים:
מצבים לוגיים לתכנון המערכת:
-
חיבור המערכת לחשמל / הדלקה לפני תחילת עבודה
-
פעילות רציפה של המערכת
- תקלה הדורשת את עצירת המערכת (תקלה במערכת עצמה או במערכות אחרות המחייבות עצירה)
עכשיו הגיע הזמן לבחון כיצד נראית מפת התנועה של הציר כאשר לוקחים בחשבון מצבי קיצון. באופן עקרוני התכנון הלוגי של הציר לוקח בחשבון תקלות מכניות, חשמליות או תוכנתיות. המקור של התקלה איננו משנה, כל מה שחשוב הוא שאנשים או ציוד לא ייפגעו במקרה של תקלה ולשם כך קיימים שלושה מעגלי בטיחות:
מעגלי בטיחות בתכנון המערכת:
-
תוכנה: בכתיבת תוכנת ההפעלה למכונה, ובפרט לציר עצמו (מתי, כמה ובאיזו מהירות לנוע) חוג הבקרה שנסגר על האנקודר יוכל לתת חיווי על מיקומו הפיזי של הציר ובתוכנה אפשר לקבוע גבולות תנועה מעבר להם הציר לא ינוע. גבולות תנועה אלו אינם פיזיים אלא תוכנתיים בלבד.
-
חשמלי: במקרה והמערכת עוברת את הגבול שהוגדר בתוכנה (כתוצאה מתקלה לוגית בתוכנה או מכל גורם אחר) נדרש לכבות את המנועים בכדי שהציר לא יגיע לגבול הפיזי שלו ויגרום נזק לאנשים או ציוד.
-
פיזי: במקרה בו הציר חרג משני הגבולות הנ"ל, מסיבות שונות (יפורטו בחלקו השני של המאמר) ישנה סכנה של פגישה במערכת המכנית של הציר ובמקרים מסויימים פירוק מוחלט של המערכת המכנית ותנועה לא רצויה (בדומה לתאונת דרכים) של חלקים מהמערכת אל מחוץ לגבולות המכונה. במקרה כזה נדרש מחסום פיזי שיימנע תנועה שכזו.
באיור הבא ניתן לראות כיצד מיושמים מעגלי הבטיחות הנ"ל בתכנון הפיזי של הציר:
למעשה אזור המהלך העודף מחולק פנימית לעוד שני אזורים. לשם הפשטות וההמחשה מחוברים לעגלה שלושה גששים כאשר לכל אחד מהם מטרה מוגדרת במערכת הבקרה. הגששים מופעלים כאשר הם חשים מולם אלמנט המפעיל אותם. אלמנט זה הינו הפרעה פיזית במסלול התנועה אותה יכול הגשש לגלות, למשל פס הבולט ממשטח הציר הליניארי וגורם ללחיצה פיזית על מתג כאשר אותו מתג (הגשש שלנו) נמצא מולו. ההפרעה הפיזית הגורמת להפעלת הגששים נקראת בשפה המקצועית Dog והגששים יכולים להיקרא Sensors, Position Sensors, Limit Switches ועוד... אין כלל מוסכם בעניין הזה.
באיור הבא תוכלו לראות כיצד נקראים הגששים בשפה המקצועית. שימו לב לחפיפה בין אזורי החישה של הגששים השונים:
-
גששי Home ו-Limit חופפים באזור מסוים כך שלא יקרה מצב בו אף אחד מהגששים אינו מופעל כאשר העגלה נמצאת בצד ימין.
-
גששי Limit ו-Emergency חופפים כך שתהיה יתירות במקרה בו העגלה עברה את הגבול המותר בצד ימין ואחד הגששים ניזוק בפעילות זו.
-
שימו לב כי בצד שמאל קיימים Dogs רק לגששי Limit ו-Emergency מכיוון שגשש Home נדרש רק בצד אחד של הציר, כמובן שזה לא משנה באיזה צד.
עד כאן סקרנו את מבנה המערכת הנקראת "ציר ליניארי", כעת אפשר לדבר על המשמעות הלוגית של כל אחד מהרכיבים בהקשר מערכתי. לשם הדוגמא נדבר על ציר ליניארי עם אמצעי בטיחות מקסימליים. ניתן כמובן לוותר על אמצעי בטיחות מסוימים כתלות ביישום למשל, אם מדובר על ציר עם עומסים נמוכים מאוד בו אין חשש לנזקי גוף אפשר לוותר על מעגל החירום (Emergency) ובמקרים מסוימים גם על גששי Limit.
הזכרנו קודם לכן את המצבים השונים הנלקחים בחשבון בתכנון המערכת וכעת נפרט על כל אחד מהם עם המושגים החדשים שהובאו כאן.
חיבור המערכת לחשמל / הדלקה לפני תחילת עבודה
דמיינו לרגע שחיברתם את המערכת בפעם הראשונה לחשמל וכעת נדרש לבדוק את תנועת העומס בצורה מבוקרת. לצורך הדוגמא כאן, נניח שהאנקודר היושב בחלקו האחורי של המנוע הינו אינקרמנטלי (יחסי) כך שהוא יכול לתת חיווי על שינוי במיקום ציר המנוע. מאמר נוסף על אנקודרים יפורסם בהמשך ויקושר כאן.
כרגע, מערכת הבקרה שלכם לא "יודעת" היכן נמצאת העגלה. בכדי להתחיל להניע את העגלה לכל מיקום רצוי שהוא, מערכת הבקרה צריכה לדעת היכן העגלה נמצאת. כאן, מכיוון שתכננתם את המערכת כהלכה, קבעתם באלגוריתם הבקרה מספר מקרים ותגובות אפשריים:
פעילות רציפה של המערכת
לאחר שהמערכת חוברה לחשמל ואופסה, מערכת הבקרה יודעת להניע את העגלה לכל מיקום שתבחרו בהתאם לייעוד המערכת שלכם. גם בזמן פעולה רציפה של המכונה שלכם, כמכלול, יכולות להיווצר תקלות כתוצאה מגורמים שלפעמים אינם תלויים בתכנון כמו למשל נפילת חפצים במסלול התנועה, שבר פיזי במערכת ההנעה ועוד... כעת, לכל אחד מהגששים ישנו ייעוד והוא מפעיל את מערכת הבקרה בצורה מתאימה. הטבלה הבאה ממחישה את המשמעות של כל אחד מהגששים:
ניתן לשים לב שגששי Limit ו-Emergency משמשים כמעגלי חירום שהשימוש בהם נעשה אך ורק במקרים מאוד קיצוניים ובאופן רגיל, אם המכונה נכנסת לאחד ממצבי החירום האלו זה סימן לתכנון פיזי לא נכון של רכיבים במכונה.
תקלה הדורשת את עצירת המערכת
בטבלה לעיל ניתן לראות מה קורה למעשה במצב של תקלה העוצרת את המערכת. יש צורך להרחיב מעט את היריעה ולהסביר את הלוגיקה שעומדת בבסיס התכנון המערכתי הנ"ל.
באיורים הקודמים, בנוסף לגששים, מופיע גם אלמנט Hard Stop אליו לא התייחסנו עד עתה. אלמנט זה הינו מחסום פיזי המונע מהעומס לעבור גבול פיזי מסוים. במצב האופטימלי המחסום הפיזי ייקח בחשבון מצב בו העומס נע במהירות המקסימלית שמערכת ההנעה מאפשרת ולמרות כל מעגלי הבטיחות, אף אחד מהם לא פעל בגלל תקלה כלשהי, כלומר - המנוע עדיין מספק כוח למערכת ההנעה ורוצה לדחוף את העומס מעבר לגבול הפיזי האפשרי.
במצב זה המחסום הפיזי בא לידי ביטוי ומבצע את פעילותו.
מטרות המחסום הפיזי:
-
מניעה פיזית של תנועת העומס מעבר לנקודה מסוימת (נזק לאנשים וציוד).
-
עצירת מערכת ההנעה במיקום כזה שלא מאפשר נזק למערכת ההנעה עצמה (נזק לציוד בלבד).
-
שמירה על שלמות המחסום הפיזי עצמו כך שלאחר תיקון התקלה לא יידרש להחליפו (נזק משני לציוד).
המחסום הפיזי יכלול תמיד אלמנט של בלימת אנרגיה וישנם אף מקומות שבהם נוסף גשש חירום נוסף ואחרון בקצה המהלך של בולם האנרגיה אותו ניתן לחבר לאחד או יותר ממעגלי החירום של המכונה כולה. נושא מערכתי זה, של חיבור גששים מסוימים למעגלי החירום של המכונה, הינו חלק מתכנון מערכת הבקרה וחיווט של בקרי בטיחות ייעודיים שהינם רכיב בקרה מחייב בכל מערכת אוטומציה תעשייתית.
לסיכום - לוגיקה של ציר ליניארי הינה בסיס להבנה טובה של תחומים רחבים באוטומציה התעשייתית. בחלקו השני של מאמר זה ארחיב על התכנון הפיזי הן של מערכות ההנעה השונות והן של בחירת הגששים והזיווד הפיזי הנדרש כתוצאה מכך.