Precyzyjne systemy pomiarowe z możliwością bezpośredniej integracji z PC-based Control

Wymagania klientów w zakresie czasów cyklu, monitoringu stanu i predyktywnego utrzymania ruchu stale rosną, a wraz z nimi wzrasta także znaczenie precyzyjnych systemów pomiarowych w utrzymaniu przewagi konkurencyjnej na rynku. Z tego względu stacje kontroli jakości na końcu linii produkcyjnej czy pakującej stały się dziś standardem: każdy produkt końcowy musi zostać dokładnie sprawdzony i opomiarowany z zachowaniem krótkich czasów cyklu, a zebrane w tym procesie dane są archiwizowane do celów późniejszej analizy.

Ów tracing stanowi spore wyzwanie dla systemów pomiarowych, które muszą wykazywać się dziś m.in. odpowiednimi certyfikatami kalibracji oraz wysokim, stale monitorowanym bezpieczeństwem pomiarów. W przeszłości sprostanie owemu wyzwaniu wymagało stosowania zewnętrznych urządzeń pomiarowych i systemów magistrali, a tym samym wiązało się z wysokimi kosztami.

Alternatywą może być nowa seria modułów pomiarowych EtherCAT firmy Beckhoff dostosowana indywidualnie do potrzeb danego przedsiębiorstwa, np. przez nadanie indywidualnego numeru identyfikacyjnego (ID) z możliwością wystawienia na niego certyfikatu kalibracji. Nowe ultraszybkie moduły stanowią uzupełnienie portfolio systemów pomiarowych firmy Beckhoff składające się dotąd z trzech serii: standardowych modułów analogowych (12/16 bitów), terminali do pomiaru zużycia energii oraz modułów do monitoringu stanu.

KAMIEŃ MILOWY DLA ŚWIATA AUTOMATYKI

Nowe moduły stanowią połączenie wysokiej wydajności, wytrzymałej i przyjaznej dla użytkownika konstrukcji oraz łatwości montażu w przemysłowych szafach sterowniczych. Funkcja szczegółowej autodiagnostyki zapewnia niezawodną pracę urządzeń przez długi czas, także na typowych, bezobsługowych liniach produkcyjnych.

Moduły pomiarowe EtherCAT natychmiast automatycznie rozpoznają wszelkie błędy pomiarowe, co zapobiega archiwizowaniu i ewaluacji błędnych wyników. Funkcja ta - dostępna w formie raportu diagnostycznego przesyłanego przez sieć EtherCAT - realizowana jest w trybie ciągłym i obejmuje:

• szczegółową diagnostykę przyłączy w celu rozpoznania zwarć, przerwania przewodu i wzbudzeń,
• wnikliwe autotesty oraz wielokrotne kontrole pracy,
• ciągły monitoring temperatury i wejścia w celu zdiagnozowania przeciążenia układu.

W laboratoryjnych systemach pomiarowych takie właściwości, jak wysoka rozdzielczość i dokładność pomiarowa oraz duża częstotliwość próbkowania, są czymś standardowym. Firma Beckhoff wprowadziła podobne rozwiązania także do klasycznej automatyki przemysłowej. Tego typu implementacja precyzyjnych systemów pomiarowych w warunkach przemysłowych oferuje producentom klasycznych urządzeń produkcyjnych, kontrolnych i testowych szereg nowych możliwości w zakresie rozwoju technologicznego aplikacji.

Podstawowa grupa tych urządzeń miała swoją premierę podczas targów SPS IPC Drives 2016. Nowe moduły pomiarowe EtherCAT cechują się częstotliwością próbkowania 10...15 tysięcy próbek/s. Ich portfolio będzie w przyszłości w dalszym ciągu rozbudowywane, by sprostać konkretnym wymaganiom klientów.

WSZECHSTRONNE MODUŁY POMIAROWE ETHERCAT DLA PRZEMYSŁU I KONTROLI JAKOŚCI

Nowe urządzenia zostały zaprojektowane z myślą o wszechstronnym zastosowaniu w przemyśle i kontroli jakości. Ich gama obejmuje zarówno wielofunkcyjne, wielokanałowe moduły do pomiaru szeregu zmiennych (30 V do 20 mV, ±20 mA, mostek pełny/półmostek/ćwierćmostek DMS, IEPE, termopara, RTD), jak i budżetowe wersje o specyficznych funkcjach i o różnorodnej liczbie kanałów.

Głównym wyróżnikiem modułów pomiarowych EtherCAT jest ultrawysoka jakość zbieranych danych gwarantowana przez zastosowanie takich środków jak:

• wysokie tłumienie przesłuchu między kanałami,
• wysokiej jakości, najnowszej generacji komponenty zapewniające wyjątkowo dynamiczne pomiary bez szumów. Dzięki temu można w pełni wykorzystać potencjał oferowany przez 24-bitową rozdzielczość, dającą 256 razy dokładniejszy wynik niż w przypadku typowych 16 bitów - zwłaszcza że sieć EtherCAT z częstotliwością transmisji danych na poziomie 100 megabitów dysponuje odpowiednią przestrzenią do transmisji setek tego typu 24-bitowych kanałów wykonujących 10 tys. próbek/s,
• wyjątkowo staranny proces produkcji zapewniający szybkie wdrożenie i długą żywotność sprzętu pomiarowego,
• trwałe ekranowanie przewodów sygnałów analogowych, które skutecznie chroni przed zakłóceniami, także pod obciążeniem drganiami,
• dokładna kompensacja i badanie zależności między poszczególnymi czynnikami gwarantujące poprawność uzyskanych wyników: w specyfikacji każdego produktu określono dokładnie udział poszczególnych błędów, takich jak błędy powtórzeń, nieliniowość, błędy skalowania i szumy.

W pomiarach niektórych wielkości systemy firmy Beckhoff uzyskują podstawową dokładność pomiaru rzędu 100 ppm (0,01%) w temperaturze 23°C - i to przy zachowaniu wysokiej stabilności termicznej. Dla systemów laboratoryjnych tego typu dokładności nie są co prawda niczym niezwykłym, ale już w świecie automatyki wydają się wręcz rewolucyjnym osiągnięciem.

Nowa seria w zależności od modelu oferuje różnorodne częstotliwości próbkowania obsługiwane przez każdy typowy moduł EtherCAT master z funkcją nadpróbkowania i znacznikiem czasu przy czasie cyklu 100...500 μs. Duża różnorodność owych częstotliwości przekłada się na wysoką rozdzielczość czasową pomiarów:

• 10 tys. próbek/s dla modułów wielofunkcyjnych,
• 20 tys. próbek/s w modelach 2-kanałowych do pomiaru napięcia, natężenia i pomiarów mostkowych (DMS),
• 50 tys. próbek/s w modelach 2-kanałowych IEPE.

Zintegrowana funkcja ExtendedRange umożliwia dodatkowo rozszerzenie zakresu pomiarowego do 107%, a tym samym realizację pomiarów w czasie rzeczywistym aż do uzyskania, a nawet przekroczenia nominalnej granicy pomiarowej. Pozwala to na pełne wykorzystanie zakresu pomiarowego danego czujnika.

Moduły pomiarowe EtherCAT wykazują się także wysoką elastycznością w zakresie justowania: użytkownik może w każdej chwili deaktywować predefiniowane wartości kompensacji i zastąpić je własnymi ustawieniami - także w przypadku wielomianowej kompensacji nieliniowości.

Zaś synchroniczne nadpróbkowanie wszystkich kanałów i modułów na poziomie < 1 μs oraz zewnętrzna synchronizacja z czasem uniwersalnym za pośrednictwem standardu IEEE 1588 lub innych sieci EtherCAT pozwala na dokładne zestrojenie działania systemu, zapewniając wysoką precyzję wyników.

PRAKTYCZNY OD WYPOSAŻENIA I KONSTRUKCJI PO PRZYŁĄCZE

Wydajne sterowniki stosowane są nie tylko w komputerach przemysłowych firmy Beckhoff, ale także w jej nowych modułach pomiarowych EtherCAT. Nowoczesne mikrosterowniki pozwalają bowiem w tym przypadku na uzyskanie wysokiej mocy obliczeniowej i wydajności, a tym samym umożliwiają indywidualną parametryzację każdego kanału w module.

Dzięki temu wiele zadań obliczeniowych może być realizowanych bezpośrednio w module pomiarowym, a następnie transferowanych do systemu w formie wstępnie przetworzonych, interpretowalnych danych pomiarowych. Do zadań tych zaliczają się np.:

• kompensacja wielomianowa w celu uzyskania lepszej liniowości,
• szeroko zakrojone pomiary wewnętrzne i kompensacja temperatury,
• zmiana częstotliwości próbkowania w czasie rzeczywistym bez konieczności ponownego uruchamiania sieci EtherCAT,
• dwustopniowy filtr przebiegów prądu do 39. rzędu,
• dwustopniowy układ całkujący/różniczkujący,
• skaler do kompensacji czujników nieliniowych, np. przy użyciu tabeli węzłów interpolacji,
• pomiar wartości TrueRMS i funkcja PeakHold (wskazówka bierna).

Praktyczny charakter systemów pomiarowych EtherCAT przejawia się także w ich nowej konstrukcji w formie metalowego modułu do instalacji na szynie montażowej. Jego przyłącze jest kompatybilne z popularnymi modułami EtherCAT. Można na nim bezpośrednio zamocować ekran przewodu analogowego, zapewniając w ten sposób dobre odprowadzanie ciepła z elektroniki na tylną ścianę szafy sterowniczej. Metalowa obudowa sprawdzi się nawet w wymagających, bezobsługowych aplikacjach, osłaniając wrażliwą elektronikę przed promieniowaniem elektromagnetycznym.

Moduły pomiarowe EtherCAT mogą być wyposażone w różne przyłącza dopasowane do potrzeb danej aplikacji. W standardowych zastosowaniach sprawdzi się typowe, niezawodne przyłącze push-in z wtyczką serwisową, które można szybko skonfigurować z lub bez użycia tulejki. Do przyłączenia analizatora drgań z wtykami BNC wykorzystuje się złącze wtykowe z zamkiem bagnetowym i dodatkowym kablem koncentrycznym ułatwiającym płynną zmianę okablowania.

Asortyment przyłączy uzupełniają wysokiej jakości gniazda LEMO do podłączenia wrażliwej elektroniki, które są co prawda droższe od pozostałych, ale za to zapewniają wysoką ochronę dzięki odpowiedniemu ekranowaniu, a dodatkowo mogą być wykorzystywane w charakterze niezawodnej wtyczki.

SYSTEMY POMIAROWE ZINTEGROWANE BEZPRZEWODOWO Z TWINCAT

System łączy w sobie narzędzia programistyczne i uruchomieniowe, w tym TwinCAT PLC, Motion Control, Safety, a także aplikacje pomiarowe. Programowanie i konfiguracja TwinCAT realizowane są z zastosowaniem platformy Microsoft Visual Studio. Integruje ona w sobie także produkty z rodziny TwinCAT Measurement obejmującej wydajne narzędzia graficzne do wizualizacji sygnałów z zakresu μs.

Oprócz klasycznych funkcji, takich jak Trigger, synchronizacja wykresów czy Cursor, aplikacja TwinCAT Scope View zapewnia także wsparcie wielordzeniowości, a tym samym umożliwia pełne wykorzystanie mocy obliczeniowej danego systemu w celu wizualizacji sygnałów wysokiej częstotliwości, w tym także nadpróbkowanych. Istotną rolę odgrywa tu zwłaszcza biblioteka TwinCAT Condition Monitoring pozwalająca na pomiar charakterystyki częstotliwościowej na podstawie widma mocy i widma amplitudowego, a następnie jej wizualizację w aplikacji Scope View.

Moduł TwinCAT Measurement zawiera także funkcje przeznaczone do stosowania w pracy z nowymi modułami pomiarowymi EtherCAT. W ramach funkcjonalności Filter Designer można np. edytować na wykresie krzywą filtra, a obliczone współczynniki filtra załadować bezpośrednio do nowych modułów pomiarowych za pomocą funkcji "przeciągnij i upuść".

Rozwiązanie to ułatwia projektowanie filtrów cyfrowych, takich jak filtr Butterwortha czy Czebyszewa, w funkcji filtrów dolnoprzepustowych, środkowoprzepustowych lub górnoprzepustowych oraz ich stosowanie z konfigurowalnymi filtrami I/O. Współczynniki filtrów można także załadować do bloków filtrów w środowisku TwinCAT.

Zgromadzone w ten sposób dane pomiarowe mogą być ze sobą dowolnie zestawiane i korelowane w ramach sieci i systemów chmurowych - zgodnie z koncepcją Przemysłu 4.0 i Internetu Rzeczy. Procesy te realizowane są z poziomu systemu TwinCAT dzięki funkcji wspierania komunikacji w chmurze.

Analizę danych w chmurze, w tym łatwą identyfikację i archiwizację istotnych charakterystyk sygnałów, ułatwia także aplikacja TwinCAT Analytics dostępna w ramach modułu TwinCAT Measurement. Zaś aplikacja Cloud Storage Provider zapewnia szybki dostęp do historycznych danych zgromadzonych w archiwach chmurowych.

ETHERCAT - MAGISTRALA POMIAROWA

Sieć EtherCAT, dzięki wysokiej prędkości przesyłu danych rzędu 100 megabitów, może sprostać wymaganiom niemal wszystkich systemów pomiarowych - zarówno stosowanych w środowiskach laboratoryjnych, jak i produkcyjnych. Do jej sukcesu przyczyniła się także możliwość łatwej integracji z urządzeniami innych producentów, a także 14-letnia aktywność EtherCAT Technology Group (ETG).

W efekcie prawie każdy czujnik jest dziś wyposażony w przyłącze sieci EtherCAT, a moduły EtherCAT i platforma TwinCAT bazująca na komputerach przemysłowych firmy Beckhoff stanowią podstawę automatyzacji wielu maszyn. Ich gama została właśnie uzupełniona o precyzyjny system pomiarowy do mocowania na szynie montażowej.

Takie rozwiązanie nie tylko ułatwia rozplanowanie przestrzeni w szafie sterowniczej, ale także zmniejsza zapotrzebowanie na miejsce oraz zwiększa dostępność urządzeń dzięki dostawie od jednego producenta.

Bezpośrednia integracja precyzyjnych modułów pomiarowych z systemem sterowania za pomocą sieci EtherCAT upraszcza strukturę całego systemu, jednocześnie oferując wiele praktycznych funkcji, takich jak prosta parametryzacja zgodnie ze standardami EtherCAT, próbkowanie synchroniczne przy użyciu zegarów rozproszonych (aż po zewnętrzną synchronizację z dowolnymi zegarami za pomocą protokołu PTP/IEEE 1588 i innych standardów) oraz permanentna diagnostyka wszystkich warstw - od systemu sterowania po I/O.

Dzięki zintegrowanym zegarom rozproszonym sieć EtherCAT umożliwia precyzyjną synchronizację czasową wszystkich wejść i wyjść z dokładnością < 1 μs - zarówno w ujęciu relatywnym (między poszczególnymi urządzeniami pracującymi w sieci), jak i absolutnym (z nadrzędnym, uniwersalnym czasem referencyjnym). Zaś ultrawysoka precyzja nowych modułów EtherCAT ułatwia dokładne oznaczenie poszczególnych parametrów, wynosząc pomiary na zupełnie nowy poziom - nieosiągalny dla standardowych narzędzi automatyki.

Martin Podrouschek, menager produktu
Systemy Fieldbus w firmie Beckhoff
Beckhoff Automation