יישומי בקרה לתחום האנרגיה הירוקה

Elmo Motion Control הינה אחת מהחלוצות בתחום מתן פתרונות בקרת הינע לקווי יצור מתקדמים של תאי שמש פוטואלקטריים,  אלו מהווים מרכיב מהותי ועיקרי בעולם האנרגיה הירוקה.

מאת: חיים מונהייט, Elmo Motion Control

יצור התאים הפוטואלקטריים
(photovoltaic – PV) המשמשים ליצור פנלים סולריים מתאפיין בקווי ייצור ארוכים מאוד, עם מספר רב של יחידות עיבוד שונות הכוללות עשרות ולעיתים אף מאות מנועי סרוו המבוקרים בחוג סגור.
לצירי בקרת ההינע מגוון תפקידים רחב המשמשים כחלק מתהליך היצור הארוך והמורכב, לאורך כל התהליך הצירים חייבים לפעול בתזמון ובהרמוניה מושלמים כקו ייצור אחד מתוזמן ומסונכרן.
כבר למעלה מעשור שבקרי הסרוו ובקרי התנועה (Motion Controllers)  של אלמו מיושמים ומשמשים כחלק אינטגראלי ומרכזי בקווי היצור של תאי השמש הפוטואלקטריים. אלמו שולבה בהצלחה במכונות אלו כשהטכנולוגיה הייתה עדיין חלוצית וראשונית בעיקר בזכות יכולות הבקרה המתקדמות של בקרי הסרוו המתוחכמים ומבוססי הרשת שלה.
בקווי היצור של הדור הקיים ישנם כמאה עד מאתיים מנועי סרוו המבוקרים ברמת סינכרון גבוהה כחלק ממערכת מבוזרת בזמן אמת. התיאום והסנכרון מתבצע באמצעות רשת CANopen טורית, תקנית עפ”י סטנדרטים בינלאומיים, ובעלת אמינות ויעילות גבוהה מאוד.
לאלמו מאות אלפי התקנות של בקרי סרוו בקווי יצור אלה.
פתרונות דור חדש למכונות יצור תאי שמש, אבן יסוד של האנרגיה הירוקה.
אחד הלקוחות של אלמו, שהינו בעל שם עולמי בייצור מכונות לפלח שוק זה החליט לתכנן דור חדש של מכונות לתחום זה,כאשר כל מכונה בדור החדש מכילה יותר מ-345 מנועי סרוו המבוקרים בחוג סגור.
יעדי הדור החדש היו להשיג תפוקה משמעותית גבוהה יותר, נצילות (Yield) טובה יותר, יעילות, גמישות ואיכות תהליך משופרת. יכולות וביצועי הבקרה של צירי ההינע מהווים מרכיב קריטי להשגת יעדים אילו.
למכונה המורכבת הוצגו הדרישות הבאות:
מעבר מ- CANopen ל- EtherCAT. ההפעלה הבו-זמנית של מספר גדול כל כך של צירים מחייבת רשת מהירה ויעילה יותר.
“הצפיפות הגבוהה ביותר של הספק ובינה”. עם מספר רב כל כך של הינעי סרוו במכונה אחת, על ההינעים להיות מאוד יעילים, עליהם להיות מסוגלים להתמודד עם דרישות ההספק הגבוהות של הצירים ושיהיו להם את יכולות התנועה והרשת המתקדמות ביותר הקיימות כיום בשוק.
גישה המגלמת פילוסופיה של “להרכיב את בקר הסרוו בכל מקום”. גישה זו מפשטת את מבנה המודולרי של המכונה וניתנת ליישום רק עם הינעים סופר קומפקטיים בעלי אמינות ונצילות גבוהים ביותר, הניחנים בביצועי סרוו מתקדמים. מיקום הינע הסרוו בתוך המכונה וקרוב ככל האפשר למנוע מפחית משמעותית את הכבילה, משפר ביצועים ומוריד את העלויות הכוללות של המערכת.

אתגרי היישום
הדור הבא של המכונות ליצור תאי שמש פוטואלקטריים העמיד דרישות הינע מאתגרות שבאו לידי ביטוי בהיבטים הבאים:
פעולה בהרמוניה: הפעלת יותר מ-345 מנועים בו-זמנית מחייבת רמה גבוהה של יעילות רשת, תיאום וסנכרון.
עושר של יכולות בקרה ותכנות, גמישות ותמיכה במגוון רחב של תכונות הינע מתקדמות: הבקרה על כל התהליך כוללת מגוון רחב של יישומי בקרת תנועה שונים במכונה אחת.
345 הינעי הסרוו חייבים לדבר באותה השפה. היבט זה מחייב תאימות מלאה, “לפי הספר”,  לפרוטוקולי התקשורת הסטנדרטיים, ליבת בקרה זהה, יכולות הגדרה וכיוונון זהות, תכונות בקרה אחידות, ויכולות תכנות ברמת בקר הסרוו.
הינעי הסרוו חייבים להתממשק עם מגוון רחב של מנועים מסוגים שונים, החל ממנועים סיבוביים  (בעלי הספקים וגדלים פיסיים שונים) ועד למנועים ליניאריים ופלנאריים הדורשים דיוקים ומהירויות גבוהות מאוד.
בקרי הסרוו האחידים חייבים לתמוך במגוון רחב של הספקים, החל מ-50 ואט ועד  לכ 5-7 קילוואט.
ההינעים חייבים לתמוך במתחי פעולה שונים: ישירות למתח רשת של VAC  ודרך ספקי כוח של VDC .
ההינעים חייבים לתמוך במגוון רחב של סוגי משוב: מקודדים אבסולוטיים (עד 32 סיביות), מקודדים אינקרימנטליים בשילוב רכיבי אפקט הול מגנטיים, ומקודדים אנלוגיים בעלי רזולוציה גבוהה.
נדרשות יכולת תכנות מקומית בתוך יחידת ההינע ברמת הציר הבודד בכדי להפחית את התלות המוחלטת בתקשורת וכן להקל על עומס התקשורת של כלל המערכת. טופולוגיית מערכת זו מגדילה במספר מונים את כוח החישוב הכולל של כלל המערכת בהשוואה למערכות עם טופולוגיית מערכת שונה.
להרכיב את אלמו בכל מקום. יש להתקין במכונה אחת למעלה מ-345 בקרי סרוו! לבקרי הסרוו של אלמו ישנה הקשחה מובנית  המאפשרת להם לעמוד בתנאי סביבה מאוד קשיחים, כגון חשיפה לטמפרטורות קיצון, רעידות והלם מכניים וחשיפה לתנאי לחות חריגים. ההקשחה במוצרי אלמו הינה הקשחה מובנית ונועדה להקנות למוצרים אמינות גבוהה ביותר ויכולת להיות מותקנים בכול מקום. העמידות הגבוהה לתנאי הסביבה השונים ביחד עם הנצילות הגבוהה, הגודל המיניאטורי והתאימות האלקרומגנטית הגבוהה של בקרי הסרוו של אלמו, מאפשרים להתקינם בתוך המכונה, ליד המנוע או אפילו בתוך המנוע. במכונות יצור ארוכות כגון אלה, הצמצום הדרמטי בנפח המכונה, החיסכון המשמעותי באמצעי קרור, פיזור חום ותאימות אלקטרומגנטית, הנוחות והפשטות של ההתקנה גורמים לחיסכון משמעותי בתשתיות החומרה של המכונה.
יכולות בקרת הינע באמצעות רשת תקשורת ייעודית והתכונה הייחודית של “להרכיב את אלמו בכל מקום” מפחיתים את מספר הכבלים, החיבורים והמחברים בצורה משמעותית. כל אלו תורמים לביצועים משופרים, אמינות גבוהה יותר, זמן בניית המכונה קצר יותר וכמובן להפחתת עלויות מכונה כוללות בצורה משמעותית ביותר.
תאימות אלקטרומגנטית. הפעלת מאות צירי הינע בסביבה אחת, צפופה מאוד ורווית הפרעות חשמליות ומגנטיות מחייבת פריטים החסינים בפני הפרעות חיצוניות ובמקביל אינם מייצרים הפרעות בעצמם. אי עמידה בצורך מהותי זה עלולה ליצור כאוס בתפקוד המכונה.
אמינות מעל לכול. במכונה כל כך מורכבת, מסובכת ועם דרישה לעבודה מסביב לשעון ובמשך 365 יום בשנה, יש צורך במוצרים בעלי אמינות אבסולוטית וקצב תקלות נמוך ביותר. בקרי הסרוו של אלמו ניחנים ב- MTBF  גבוה במיוחד התורם למינימום Down Time של המכונה.
תפוקת המכונה הינה קריטית, תלויה מאוד בביצועי הבקרה ולכן מחייבת את ביצועי הסרוו הטובים ביותר.
ניהול רשת התקשורת חייב להיות מאוד פשוט, גמיש, יעיל ואמין. אסור שעומס הרשת יהווה צוואר בקבוק לתפוקות של המכונה.

ה- Gold Line של אלמו:
“Our Best Ever”
משפחת פתרונות בקרת התנועה Gold Line החדשה של אלמו מכלילה את כל האלמנטים הדרושים למתן פתרון אפליקטיבי ראשון במעלה למכונת האנרגיה הירוקה המאוד מורכבת, חדשנית ותובענית.
ב-Gold Line של אלמו מיושם פרוטוקול התקשורת EtherCAT תוך ציות מלא לתקנים בינלאומיים שנקבעו על ידי קבוצת הטכנולוגיה של EtherCAT העולמית. תאימות מלאה לתקן זה מבטיחה רשת מאוד יעילה, אמינה, זמן התקנה והפעלה קצרים ביותר וזמן  פיתוח מינימלי של המכונה.

ה- Gold Line של אלמו הינו בעל אותה הליבה במגוון הכולל של בקרי  הסרוו:
מ- VDC  עד ל- VDC ,
מ- VAC  עד ל- VAC
ומ-A  ל- A .
מ- 50 וואט ועד 40 קילוואט.
כל המגוון הרחב הזה של הספקים, מתחים וזרמים מדבר באותה השפה.
למשפחת Gold Line יכולות בקרה מהמתקדמות בתחום בקרת ההינע המאפשרת הנעה אופטימלית לכול סוג של עומס מכני.
אלמו מאפשרת גמישות מירבית בהתקנה: מבקרי סרוו הניתנים לשילוב בתוך הישום של הלקוח על ידי התקנת/הלחמת בקרי הסרוו על המעגל המודפס של הלקוח כחלק מישום מלא ועד לבקרים הניתנים להתקנה בשיטת הפנל במיקום הנוח ביותר.
הגמישות והיכולות המתקדמות של ה- Gold Line מאפשרות לאלמו לספק פתרונות למכונות מדור החדש עם ביצועים מאוד גבוהים וזמן הפיתוח המהיר ביותר.

בקרי הסרוו של אלמו , פתרון אידיאלי לישומים מרובי צירים.
Gold Whistle: “בקר ה ETHERCAT  הקטן בעולם”, זהו בקר סרוו מיניאטורי עם צפיפות הספק גבוהה במיוחד:
עד 20A/ ועד 1.6 קילוואט של הספק רציף, 40 אמפר זרם שיא ( 3.2 קילוואט) .

Gold Whistle מיועד להרכבה על מעגל מודפס שמהווה חלק אינטגרלי מהישום של הלקוח. קומפקטיות, גמישות, נצילות, ביצועי בקרה מעולים.
מידות:  x 46 x 15

Gold Solo Whistle פתרון משולב לישומים הדורשים נפח מינימלי, נצילות גבוהה וללא צורך בשילוב במעגל מודפס יעודי.
מידות:  x 46 x 36

Gold DC Whistle מארז סגור ומוגן (IP42 ) בתצורה תעשייתית, עם מחברים ודפינה פשוטה,  “מוכן לשימוש מידי”
מידות:  x 75 x 26

Gold Duo: מארז תעשיתי המשלב שני בקרי סרוו Gold Whistle. מארז סגור ומוגן  (IP42), חסכוני ודפינה פשוטה.
מידות:  x 105 x 26

Customized Gold Duo: פתרון דו צירי מותאם לדרישות הלקוח, מאפשר התממשקות פשוטה, חסכנית ומהירה ליחידות בקרה נוספות במערכת. פתרון אידיאלי למכונות מרובות צירים. מידות:  x 109 x 26

Gold Trombone: הינע סרוו קטן ממדים המתחבר ישירות לרשת החשמל ללא צורך בשנאי בידוד. עד 7 קילוואט של הספק רציף. בשתי תצורות עיקריות:
Gold Trombone תצורת הרכיב המשולב במעגל מודפס כחלק מישום כולל יותר במכונה. תצורה קומפקטית מאוד, חסכונית בעלות ובמקום.
מידות:  x 75 x 34

Gold DC Trombone מארז סגור ומוגן (IP42) בתצורה תעשייתית, עם מחברים ודפינה פשוטה,  “מוכן לשימוש מידי”
מידות:  x 105 x 47 mm

Elmo Duet

“המנוע החכם”, שילוב של מנוע ובקר סרוו כיחידה אינטגרלית אחת. יחידת הינע סופר קומפקטית וחכמה. פתרון אידיאלי לישומים מרובי צירים הדורשים רמות תזמון וסנכרון גבוהות ברשת תקשורת דטרמינסטית. מארז סגור ומוגן (IP) בתצורה תעשייתית, עם עמידות בתנאי סביבה קיצוניים של רעידות וטמפרטורות. חוסך את הצורך בארונות חשמל וחיווטים.

ביצועי הינעי הסרוו – Gold Line
הינעי הסרוו Gold Line של אלמו הינם הינעים בעלי ביצועי חוג סגור מרשימים ביותר:
חוג זרם: עד µs
חוג מהירות: עד µs
חוג מיקום: עד µs
מסננים מתקדמים שונים למיטוב ביצועי הסרוו לפיצוי על חוסר מושלמות מכנית במערכת.
תכונות ביצועים נוספות:
כיול מתקדם המאפשר בקרה אופטימלית.
צפיפות הספק גבוהה.
יעילות גבוהה.
תמיכה בסוגי משוב רבים ומגוונים.
תאימות לפרוטוקולי תקשורת סטנדרטיים.

אלמו תורמת
לסביבה ירוקה יותר
בקרי הסרוו של אלמו מאופינים ב:
נצילות גבוהה ביותר- בקרי הסרוו של אלמו מייצרים חום מינימלי – כמעט זניח.
תאימות אלקטרומגנטית גבוהה ביותר, יצור הפרעות מינימלי- זניח.
תכונות ייחודיות אלה תורמות משמעותית לצמצום הזיהום הסביבתי הנגרם מחום הנפלט ומהפרעות אלקטרומגנטיות הנוצרות בעת פעולתם של בקרי הסרוו.
FASST, טכנולוגיית בקרת ההספק והמיתוג הייחודית של Elmo  הינה המפתח לבקרי הסרוו הממתגים הספק באופן אופטימלי עם זיהום סביבתי זניח.
נצילות בקרי הסרוו של אלמו מגיעה לכדי 99% וה-EMI (הפרעות אלקטרומגנטיות) נמוך משמעותית מהדרישות המופיעות בתקנים השונים. כל אלו תורמים רבות  לקומפקטיות ויעילות העבודה הכוללת של המכונה, מצמצם את הצורך במפזרי חום גדולים ומבטל את הצורך בפיזור חום באמצעות מאווררים ו/או גופי קרור מסורבלים. כמו כן חוסך את הצורך באמצעים להנחתת הרעשים העלולים לייקר את העלות הכוללת של המערכת. כך שמכונת האנרגיה הירוקה היא בעצמה ירוקה יותר בזכות בקרי אלמו. אלגוריתם בקרת התנועה המאוד מתקדם של אלמו

כל מנוע, כל משוב
מאפשר לממש את הפתרון הטוב ביותר לכל צירוף של מנוע ומשוב, ממנוע סיבובי עם הול אפקט בלבד פשוט ועד למנוע הליניארי המדויק ביותר בעל רזולוציה אופיינית בתחום של פחות ממיקרומטר
סוג המנוע  מנועי צעד  מנועים ללא מברשת  סליל נע  מנועים ליניאריים  מנועי מומנט
אפשרויות משוב  מקודדים אינקרימנטליים  אפקט הול דיגיטלי  אפקט הול אנלוגי  מקודד  Sin-Cos 1V ptp אנאלוגי  רזולבר  טכומטר  פוטנציומטר
אפשרויות התמיכה בפרוטוקולים סטנדרטיים שונים של המשוב הטורי האבסולוטי הן: BiSS  SSI  EnDAT 2.2  Panasonic   Stegmann-Hiperface
אופטימיזציה של ביצועי הבקרה, כיול והגדרת התצורה של בקר הסרוו
ניתן להגדיר ולכוונן את הינעי הסרוו הדיגיטליים של אלמו במהירות ובפשטות באמצעות ה  Elmo Application Studio.
ל- EAS יכולות זיהוי מלא של פונקציית התמסורת של העומס המכני, תכנון אופטימלי של בקרת הסרוו, והתאמה לכול סוג של משוב הקיים בשוק.

הכיוונון העצמי יכול להתבצע באמצעות הכלים הבאים:
גרף ניקולס
גרף בודה (Bode)
מסנני תדר נמוך ומסנני תדר גבוהה
מגברי ומחתי תדר ספציפי (Notch & Anti Notch)
מסנני קידום ופיגור פאזה
מסננים קבועי תדר ומסננים תלויי מיקום או מהירות.

תאימות לתקשורת  סטנדרטית
Elmo Motion Control מחויבת לפיתוח בקרי סרוו ובקרי תנועה רב ציריים התואמים באופן מלא לפרוטוקולים הסטנדרטיים הקיימים בעולם. מימוש תאימות זו דורשת השקעות פיתוח משמעותיות ביותר אבל תאימות מלאה לתקנים מאפשרת  שימוש אופטימלי ויעיל ביותר ברשת התקשורת, מאפשרת גמישות עתידית מירבית של הוספה, החלפה, והרחבה של יחידות קצה נוספות לרשת המבוזרת (גם של יצרנים אחרים התואמים לתקן). כמו כן מאפשרת ממשק מהיר ויעיל עם מחשב ה-HOST.
הינעי הסרוו Gold Line תומכים בפרוטוקולי התקשורת הבאים:
EtherCAT
CANopen
Ethernet (פרוטוקולים שונים:Ethernet-IP/Modbus/TCP IP/UDP/Telnet וכו’)
USB
RS-232
תקשורת ישירה עם המארח ביציאת
ה- Ethernet ו/או USB.
ההתקנה של EtherCAT מאפשרת את הגמישות הבאה עם פרוטוקולי רשת אחרים:
CANopen על גבי EtherCAT : תקשורת זמן אמת באמצעות EtherCAT.
Ethernet על גבי EtherCAT : בקרה מרחוק.
קובץ על גבי EtherCAT : הורדת קבצים.

שימוש חכם ביעילות הרשת
מימוש מלא של פרוטוקול ה EtherCAT מאפשר את פונקציות הרשת הבאות:
הורדת קושחה מרחוק (FoE).
הורדה אוטומטית של קובצי תצורה (FoE).
הגדרה אוטומטית של הכתובת של EtherCAT אחרי שהינע הוחלף ברשת.
גישה מרחוק אפשרית בזמן שהמערכת פועלת:
ניטור ושינוי פרמטרי צירים (EoE).
עדכון הגדרות תוך כדי עבודה (EoE).
הערכת משתני דיאגנוסטיקה.

מכונת האנרגיה הירוקה אמנם חריגה בגודלה וברמת המורכבות שלה, אבל מייצגת היטב את היתרונות הגלומים בבקרת תנועה באמצעות רשת תקשורת של אלמו.
בשילוב עם בקרי סרוו תואמים כל מכונה המכילה 4 צירים ויותר תמומש יעיל וטוב יותר בטופולוגיה מבוזרת זו.