Utilizzo dei DAQ per la precisione ad alta velocità nel controllo del movimento industriale

I moderni sistemi industriali, come la robotica e i trasportatori automatizzati, si basano su dati sincronizzati ad alta velocità per ottimizzare le prestazioni, migliorare l'efficienza e facilitare la manutenzione predittiva. Tuttavia, acquisire e coordinare i dati relativi alla posizione e al movimento con una precisione nell'ordine dei millisecondi è una sfida non da poco. I sistemi di acquisizione dati (DAQ) standard spesso non hanno le funzioni specializzate necessarie per interfacciarsi accuratamente con encoder e timer in tempo reale, il che può compromettere l'affidabilità del sistema e deteriorare le prestazioni.

Questo articolo illustra i requisiti per l'implementazione di misurazioni di posizione e temporizzazione ad alta velocità in applicazioni industriali esigenti. Presenta quindi un modulo contatore/timer encoder di Advantech e illustra come le sue modalità encoder multiple e i quattro canali ad alta velocità possano essere utilizzati per affrontare le complesse sfide di sincronizzazione in applicazioni di robotica e controllo del movimento. Una configurazione tipica del sistema, insieme a strumenti software compatibili, offre un percorso chiaro per l'integrazione.

L'importanza della precisione del movimento e della temporizzazione nei processi industriali

I moderni sistemi industriali si basano su movimenti complessi e sequenziali, il cui coordinamento è fondamentale. Consideriamo un braccio robotico incaricato di prelevare componenti da un nastro trasportatore in movimento continuo. Affinché il sistema funzioni, il movimento del robot deve essere sincronizzato alla velocità e alla posizione del trasportatore. Ciò richiede l'acquisizione e il coordinamento di dati provenienti da più fonti con una precisione nell'ordine dei millisecondi – un requisito tecnico molto impegnativo.

Un sistema DAQ svolge un ruolo centrale nella risoluzione di questo problema. Il sistema acquisisce i dati dell'encoder dal motore di azionamento del trasportatore e dai giunti del braccio robotico, sincronizzando queste misurazioni su più canali in modo da calcolare il momento esatto dell'intercettazione.

Con l'aumento della velocità del trasportatore per incrementare la produttività, il sistema DAQ deve campionare rapidamente i dati relativi alla posizione e alla temporizzazione per evitare errori. Una lettura ritardata o mancata del sensore può causare operazioni non sincronizzate o persino collisioni tra componenti meccanici, con conseguenti tempi di fermo macchina non programmati e perdita di produttività.

I sistemi DAQ di precisione supportano anche la manutenzione predittiva. Ad esempio, anomalie nella velocità o errori di posizione potrebbero indicare problemi quali cuscinetti usurati o una cinghia che slitta. Analizzando questi segnali, i progettisti possono identificare i potenziali guasti prima che questi compromettano il funzionamento.

Requisiti dei DAQ ad alta velocità

Per soddisfare questo tipo di applicazione, un sistema DAQ deve soddisfare diverse caratteristiche prestazionali molto impegnative:

• Campionamento ad alta velocità e alta risoluzione: l'acquisizione dei minimi dettagli del movimento, come variazioni di posizione inferiori al millimetro, richiede elevate frequenze di campionamento e una risoluzione precisa. Il campionamento nell'intervallo dei megahertz garantisce che nessun evento critico vada perso, anche in ambienti ad alta velocità.
• Campionamento simultaneo multicanale: per coordinare un braccio robotico e un trasportatore, è necessario acquisire simultaneamente (non in sequenza) i dati relativi alla loro posizione e alla loro temporizzazione. Il tentativo di correlare flussi di dati acquisiti in sequenza può portare a errori, con la selezione di elementi sbagliati o la loro completa omissione.
• Supporto flessibile di encoder: i sistemi industriali utilizzano spesso componenti di diversi fornitori, con conseguente presenza di diversi tipi di segnali degli encoder. Un sistema DAQ dovrebbe supportare un'ampia gamma di modalità dell'encoder per eliminare la necessità di una logica di interfaccia aggiuntiva.
• Robustezza: gli ambienti industriali espongono i dispositivi elettronici a interferenze elettromagnetiche, vibrazioni e calore. Per il funzionamento affidabile in queste condizioni e per evitare guasti al sistema, è necessario specificare l'hardware del DAQ.
• Scalabilità: il sistema DAQ deve essere modulare, in modo che i progettisti possano espanderlo facilmente aggiungendo più canali o diversi tipi di ingresso. Ciò supporta l'integrazione di nuovi robot, sensori e linee di produzione via via che si estende l'automatizzazione in un impianto.

Soddisfare questi requisiti così diversi è una sfida progettuale significativa. Sebbene molti sistemi DAQ siano adatti per l'acquisizione di dati generici, le applicazioni che prevedono movimenti sincronizzati ad alta velocità richiedono hardware specializzato.

Misurazione avanzata della posizione e della temporizzazione per sistemi di controllo del movimento

Il modulo contatore/timer con encoder ad alta precisione iDAQ-784 (Figura 1) di Advantech è progettato specificamente per soddisfare questi requisiti. Questo modulo è dotato di quattro canali encoder a 32 bit per uso generale che supportano misurazioni sincrone di posizione e temporizzazione in un sistema industriale. Supporta una frequenza di ingresso massima di 10 MHz per una sincronizzazione precisa dei segnali dell'encoder.

Figura 1: Il modulo contatore/timer encoder iDAQ-784 consente l'acquisizione simultanea dei dati su quattro canali a 32 bit per applicazioni industriali complesse che prevedono movimenti. (Immagine per gentile concessione di Advantech)

Il filtro digitale integrato aiuta il modulo iDAQ-784 a fornire una maggiore chiarezza del segnale e una maggiore precisione di misurazione. Ciò assicura una caratterizzazione altamente precisa del sistema in applicazioni di automazione avanzate quali la robotica industriale, il controllo del movimento e i sistemi di trasporto ad alta velocità.

Modalità di ingresso, misurazione e uscita dell'encoder

iDAQ-784 supporta una vasta gamma di tipi di segnali di ingresso e modalità di misurazione, soddisfacendo le diverse esigenze di controllo del movimento industriale. Ciascuno dei quattro canali del contatore accetta sia ingressi a terminazione singola che differenziali, con un intervallo di modo comune di ±15 V c.c. Il modulo supporta tre tipi di encoder standard del settore per la misurazione della posizione:

• Quadratura (fase A/B): vengono utilizzati due canali fuori fase (A e B) per determinare la posizione e la direzione. La codifica specifica (X1, X2 o X4) determina la risoluzione contando i fronti di salita e/o di discesa, con X4 che fornisce una risoluzione quattro volte superiore a quella di X1.
• Due impulsi (CW/CCW): vengono utilizzate linee di ingresso separate per gli impulsi in senso orario (CW) e antiorario (CCW). Il contatore aumenta con gli impulsi CW e diminuisce con gli impulsi CCW.
• Direzione dell'impulso (impulso con segno): un segnale viene utilizzato per gli impulsi e un secondo segnale per la direzione. Il contatore aumenta o diminuisce in base allo stato del segnale di direzione.

Ogni ingresso dell'encoder può essere cablato in modo sbilanciato o differenziale ed è disponibile un ingresso di segnale Z per il ripristino della posizione. Ogni canale contatore supporta anche diverse modalità funzionali per la temporizzazione e la generazione degli impulsi:

• Conteggio eventi: conta i fronti in saluta o in discesa di un segnale di ingresso, con possibilità di gate
• Misurazione della frequenza: misura la frequenza del segnale utilizzando metodi di inversione del periodo o di conteggio degli impulsi
• Misurazione delle larghezze di impulso: misura la durata degli stati alto e basso di un segnale digitale
• Misurazione della posizione: traccia la posizione dell'encoder utilizzando le modalità di ingresso supportate sopra indicate
• Confronto continuo (confronto di posizione): attiva un impulso di uscita o un'interruzione quando viene raggiunta una soglia di posizione
• Monostabile (generazione di impulsi ritardati): emette un singolo impulso dopo un trigger gate e un ritardo specificato
• Generazione timer/impulsi: emette un treno di impulsi continui con supporto interrupt
• Modulazione della larghezza di impulso (PWM): emette una forma d'onda con durate alta e bassa programmabili; supporta la generazione finita o continua

Questa ampia gamma di modalità garantisce la compatibilità con i vari dispositivi comunemente presenti in un sistema industriale.

Progettato per ambienti industriali

iDAQ-784 e l'ecosistema circostante sono progettati per garantire prestazioni affidabili in ambienti industriali difficili. Il modulo è classificato per un ampio intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 °C e 70 °C e fino al 90% di umidità relativa (senza condensa).

Il modulo è inoltre progettato per contrastare il rumore elettromagnetico tipico degli ambienti industriali, integra un filtro digitale che migliora la chiarezza del segnale e ogni canale supporta ingressi di segnale differenziali per un'eccellente reiezione del rumore di modo comune.

Questa filosofia di progettazione si estende agli accessori dell'ecosistema, dal design robusto ai sensi degli standard di guida DIN per un'installazione sicura all'interno di armadi industriali. Questa combinazione di resistenza ambientale, immunità al rumore e integrazione fisica robusta offre una caratterizzazione del sistema ad alta precisione per applicazioni di automazione avanzate.

Realizzazione di un sistema DAQ ad alta velocità e precisione

Il primo passo nella realizzazione di un sistema DAQ consiste nel collegare fisicamente i sensori. Questo processo inizia collegando i cavi del sensore a una morsettiera. Il modulo di interfaccia ADAM-3937-BE di Advantech (Figura 2) è una soluzione pronta all'uso per questo scopo. Questa morsettiera a 37 posizioni è progettata per il montaggio su guida DIN e misura 87,2 × 112,5 × 51 mm per facilitare l'integrazione con infrastrutture industriali standard compatibili con DB37.

Figura 2: La scheda di cablaggio su guida DIN ADAM-3937-BE è una soluzione di interfaccia universale compatibile con DB37. (Immagine per gentile concessione di Advantech)

Da questa morsettiera, i segnali possono essere instradati a modulo iDAQ-784 tramite un cavo assemblato come il modello PCL-10137-1E (Figura 3). Questo cavo D-Sub a 37 pin di 1 metro è dotato di viti zigrinate per un collegamento robusto. La struttura a doppia schermatura in lamina di alluminio/mylar e rame intrecciato garantisce l'integrità del segnale in ambienti con rumore elettromagnetico, tipici delle applicazioni industriali in movimento. Sono disponibili anche varianti più lunghe.

Figura 3: Il cavo PCL-10137-1E è dotato di connettori D-Sub maschio a 37 pin per l'interfacciamento con iDAQ-784. (Immagine per gentile concessione di Advantech)

L'ecosistema modulare iDAQ comprende una vasta gamma di moduli I/O specializzati e morsettiere con cui i progettisti possono realizzare un sistema DAQ robusto e scalabile su misura per le loro specifiche esigenze.

Strumenti software iDAQ

Una volta assemblato l'hardware, il sistema iDAQ viene programmato tramite l'SDK DAQNavi (Figura 4), un ambiente di sviluppo gratuito. DAQNavi è dotato di un'utilità chiamata Advantech Navigator con cui i progettisti possono configurare e testare il funzionamento dei dispositivi iDAQ senza programmazione. Può anche essere utilizzato per simulare dispositivi, consentendo ai progettisti di programmare ed eseguire applicazioni senza un dispositivo DAQ fisico per uno sviluppo flessibile del sistema.

Figura 4: L'ambiente software gratuito DAQNavi viene utilizzato con il sistema iDAQ. (Immagine per gentile concessione di Advantech)

DAQNavi supporta sistemi host con sistemi operativi Windows a 32 e 64 bit, nonché diverse distribuzioni Linux diffuse. Poiché le funzioni API rimangono invariate su entrambe le piattaforme, la migrazione non richiede alcuna modifica al programma, garantendo un'integrazione a prova di futuro. Per facilitarne l'adozione da parte degli utenti, DAQNavi è compatibile con molti linguaggi di programmazione comunemente utilizzati, tra cui C#, C++, Visual Basic, Java, MATLAB e LabVIEW.

Conclusione

La precisione della temporizzazione e la sincronizzazione sono fondamentali per le operazioni robotiche e industriali avanzate, consentendo l'ottimizzazione dei processi e massimizzando al contempo i tempi di attività delle apparecchiature e l'efficienza produttiva. Il modulo iDAQ-784 di Advantech, insieme al suo ecosistema iDAQ completo, si propone come una soluzione robusta e scalabile per soddisfare queste esigenze di prestazioni elevate.