אופטימיזציה בביצועי בקרי סרוו תוך הטמעה של פונקציות בטיחות (Safety Functions) חכמות ושמירה על סביבת עבודה בטוחה
בעשור האחרון, כניסתן של טכנולוגיות סרוו מתקדמות לשוק העולמי הן הכוח העיקרי שמניע את מהפכת התעשייה האוטומטית. בפרט, אחראיות הטכנולוגיות הללו על פריצות דרך בתחום הבטיחות של בקרת ההינע (Functional Safety).
בעבר, מערכות ההגנה והבטיחות של המכונה (Machine Safety) כללו התקנים אלקטרו-מכאניים פשוטים (Relays), שהפסיקו כליל את פעילות המכונה בכל פעם בו אחד או יותר מתנאי הבטיחות הופרו. למשל, מפעיל מכונה שנכנס לטווח האסור של זרוע רובוטית.
גישה זו אמנם מאפשרת הפרדה מוחלטת בין המפעיל לבין המכונה או האפליקציה, אך במקביל גם פוגעת בביצועי המכונה ובתחזוקה השוטפת שלה. בנוסף, השבתות תכופות של המכונה יוצרת עומס (Strain) על הרכיבים החשמליים, ובמקרי קיצון בהם פס הייצור עובר אדפטציה – נדרש תכנון (Design) מחודש של כל מערכת הבטיחות גם כן.
בשנים האחרונות, תעשיית האוטומציה התקדמה, ועמה גם היכולת להטמיע מערכות בטיחות חכמות יותר.
בהשראת התהליכים הללו, השיגה אלמו פריצת דרך המאפשרת להטמיע טכנולוגיות בקרה מתקדמות מבוססות functional safety. אלו מספקות פתרונות סרוו גמישים הרבה יותר עבור הלקוח, ומעל הכל מבטיחות פעילות אמינה ובטוחה יותר, לצד הגדלת ה- :OEE Operational Equipment Effectiveness.
בבסיסם של פתרונות ה- Functional Safety נמצאים רכיבי בטיחות ((Safety-Rated Components שמנטרים את מכלול הפרמטרים של המכונה. בניגוד לדור הישן של מערכות הבטיחות, מדובר בבקרה חכמה שמגבילה את התנועה בכל פעם שתנאי הבטיחות הופר, ולא משביתה את המכונה לחלוטין. בנוסף, הדרייבר מסוגל לטפל בתקלות בזמן אמת וליידע את המפעיל על ההתרחשות באמצעות מערכת דיאגנוסטיקה עצמאית ששולחת התראות אוטומטיות.
בבקרי הנע מהדור החדש, המבוססים על Functional Safety, פתרונות ברמת התוכנה והאלגורתמיקה מחליפים את רכיבי החומרה. גישה זו מגדילה באופן משמעותי את יעילות המכונה ואת האמינות שלה, ומבטיחה מינימום עצירות ותחזוקה.
דוגמא אחת לכך היא השימוש ב- פונקציית SLS – Safe Limited Speed הפועלת כחלק מזרוע רובוטית של קובוט (Collaborative Robot), ומאפשרת בקרה יעילה על המהירות תוך שמירה על הבטיחות של המפעיל הנמצא בסביבת הרובוט.
הטמעה של מערכות מבוססות Functional Safety
תהליך ההטמעה של מערכות הסרוו אינו קבוע, והוא תלוי בעיקר בצרכים של הלקוח: מאפייני המכונה/אפליקציה, הרכיבים בהם נעשה שימוש, וכמובן התקציב.
באופן כללי, מערכות אוטומציה המשלבות בתוכן פתרונות בטיחות מתקדמים כוללות ארבעה מרכיבים הכרחיים:
- רכיבי פידבק (סנסורים): אנקדורים, וילונות אופטיים ועוד
- Safety PLC
- בקר רב צירי
- סרוו דרייבר עם Functional Safety מובנה
במישור “הסטדנרטי” של מערכת ההינע, הבקר הרב צירי מחשב את אופי התנועה, שולח את הפקודות לדרייבר, והאחרון מפקד על הקומוטציה של המנוע ועל פרמטרים נוספים כמו מהירות, מיקום, ותאוצה.
במקביל, רכיבי ה- Safety של המערכת מעבדים כל העת מידע בזמן אמת מהסנסורים (Safe Encoders).
כך, במקרה שתנאי קצה מסוים הופר (חריגה ממומנט מקסימלי מותר, למשל), פונקציות הבטיחות פועלות בזמן אמת על מנת לתקן את החריגה (על ידי הקטנת הזרם ושליטה על גודל המומנט, למשל).
במקרים רבים, סרוו דרייברים עם פונקציות בטיחות מובנות, מאפשרים להטמיע שלל קונפיגורציות על גבי ארכיטקטורה פשוטה, וללא שימוש בבקרים נוספים. יכולת זו עשויה לחסוך בכבלים, ובמחיר, ולהפוך את פתרון ההינע לגמיש ויעיל יותר.
מאחורי טכנולוגייה זו עומדת לא רק אלגוריתמיקה מתקדמת שמוטמעת ברמת רכיבי הדרייב. מערכות ה-Safety מבוססות על עיקרון היתירות (Redundancy): הדרייבר מכיל שני מעבדים נפרדים עם יחידות זכרון נפרדות. בנוסף, כל אחת מהיחידות מיוצרת על ידי יצרן אחר, זאת על מנת למנוע מקרים כשל ברכיבי החומרה או התוכנה.
מערכות מן הסוג הזה פועלות על גבי רשת תקשורת מהירה. סביבת העבודה של פונקציות הבטיחות דורשת פרוטוקול נפרד המכונה FSoE – Functional Safety over EtherCAT. הפרוטוקול מכיל אלמנטים לבדיקה עצמית על מנת לזהות מראש כשלים בתקשורת.
פונקציות הבטיחות של Elmo Motion control
פונקציות הבטיחות אשר מוטמעות בדרייברים של אלמו מוגדרות על ידי סט של סטנדרטים בינלאומיים. ביניהם ניתן למצוא את תקני IEC EN 61508, שעוסקים בדרגת הבטיחות (SIL) של הדרייבר, IEC 62061, שעוסקים שעוסקים ברכיבי בטיחות עבור מערכות אלקטרוניות, ו- ETG-6100 שמתמקדים ברמת תקשורת ה- EtherCAT.
משתמשי הקצה וספקי המכונות הם אלו שמגדירים, בסופו של דבר, את רמת הבטיחות (SIL) של כל אפליצקיה בהתאם לצרכים שלהם ולפונקציות הבטיחות שהלקוח מבקש. תהליך התקינה הוא למעשה חלק בלתי נפרד מהתכנון הכולל של מערכת האוטומציה.
כל פונקציות הבטיחות המוטמעות בסדרת ה-Platinum באות על מנת לתת פתרון מתקדם לתנאי עבודה מסוכנים. לדוגמא: Safe Operating Stop ()- הדרייבר “מחזיק” את המנוע במהירות 0, מבלי להסיר את המומנט. כך, הפעילות של המכונה יכולה להתחדש באופן מיידי, מבלי לאתחל מחדש את המערכת.
דוגמא נוספת היא פונקציית Safety Limited Position (SLP) – הדרייבר מגביל את המעטפת אליה העומס יכול לנוע על ידי ניטור של השטח באמצעות אנקודרים. במידה והאנקודר בזרוע הקובוט מתריע על חריגה מהמיקום המותר, מופעלות פונקציות בטיחות נוספות שמפסיקות את פעילות הזרוע: SS1/STO או SS2/SOS. כך נוצרת בועת הגנה ששומרת על המפעיל שנמצא בסביבת העבודה וגם על הציוד עצמו.
פונקציות הבטיחות הללו לא כוללות שימוש בעצירת חירום (STO), כך שאספקת הזרם לא נפסקת באופן פתאומי וגורמת לפגיעה ברכיבים האלקטרוניים.
Smart Safety
חברת Elmo Motion Control מתמחה בייצור של בקרי סרוו קומפקטיים עם טווח הספקים רחב, מבוססים על פונקציות STO (איור 1). בקרים אלו מתאפיינים ברמות ביצועים גבוהות, ומעניקים פתרון הינע מתקדמים לקשת רחבה של לקוחות.
איור 1: פונקציית STO (Safety Toque Off)
עם זאת, סדרת המוצרים מבוססי STO הן רק חלק קטן מהתמונה הכוללת. Elmo מחוייבת להמשיך ולקחת חלק במהפכת התעשייה 4.0, ולספק פתרונות מתקדמים לכלל תהליכי הייצור האוטומטיים. לאחר מאמצי פיתוח רבים, חברת Elmo Motion Control השיקה לפני מספר שנים את סדרת מוצרי הפלטינום שמבוססת Functional Safety.
משפחת מגברי הפלטינום מבוססת על מעבד 400 MHz עם זיכרון פלאש 32 MB וזיכרון LPDDR.
הדרייברים כוללים 3 יציאות לפידבק ו- I/O, בנוסף לתמיכה באנקודרים מסוג dual absolute. כל הכניסות בסדרת הפלטניום מאושרות על ידי סטדנרטים IEC 61800-5-2, Cat4 PL-e.
איור 2: דרייבר מסוג Platinum Twitter
אל אף גודלם המזערי, הדרייברים בעלי הספקים גבוהים במיוחד, וניתן להטמיע אותם בליבת המכונה. כך למשל, Platinum Twitter (איור 2) , אחד ממוצרי הדגל של הסדרה (35X30X14.4 mm) מסוגל לספק 5.5 KW, ומוטמע במגוון אפליצקיות, בהן זרועות רובוטיות, Pick & Place, רחפנים אוטונומיים ועוד.
מוצרי ה-Safety של Elmo מאפשרים לכל לקוח להשיג יותר, תוך חיסכון משמעותי ברכיבי החומרה, הכבלים, והתקציב.
