Промышленное управление серводвигателем

Когда говорят про промышленное управление серводвигателем, многие сразу думают про EtherCAT, PROFINET, да прошивки всякие. Но это лишь вершина. На деле, часто упираешься в вещи куда прозаичнее — в механику, в тепловые режимы, в качество сети в цеху, которое в спецификациях не опишешь. Или вот, например, когда сервопривод стоит в связке с гидравликой — тут уже свои нюансы, про которые в учебниках по автоматизации редко пишут. Кажется, что управляешь двигателем, а на самом деле управляешь целой системой, где электрическая часть — только один из элементов.

Связка с гидравликой: где кроются подводные камни

Вот возьмём опыт с интеграцией сервоконтуров в линии, где основная силовая часть — гидравлика. Частая ошибка — считать, что если поставил серводвигатель на насос, то сразу получил ?сервогидравлику?. На деле, если насос не рассчитан на быстрое и точное изменение рабочего объёма или давления, сервопривод будет просто крутить его вхолостую, без отклика системы. Тут важно смотреть на динамические характеристики самого гидроагрегата.

К примеру, работали мы с прессом, где нужно было обеспечить плавный подъём и точное позиционирование плиты. Поставили серводвигатель на шестерённый насос. Вроде бы, насос хороший, высоконапорный, серия VG, давление до 40 МПа. Но при резком сигнале на изменение скорости от контроллера, система ?задумывалась?, была задержка. Оказалось, проблема в инерции массы жидкости и в конструкции самого насоса внутреннего зацепления — для точного позиционирования его динамики не хватало. Пришлось пересматривать связку, рассматривать вариант с сервопластинчатым насосом, например, ABT серии, у которых как раз заявлены лучшие показатели по управляемости.

Это к слову о том, что выбор компонента — это не только по каталогу давление и литраж посмотреть. Нужно понимать, как он поведёт себя в замкнутом контуре с сервоприводом. Иногда данные по времени отклика в каталогах не указаны, и это выясняется только на стенде, что дорого и долго.

Практические аспекты настройки и отладки

Настройка контура управления — это отдельная история. Часто инженеры выставляют коэффициенты ПИД-регулятора по умолчанию или методом ?тыка?, а потом удивляются, почему система вибрирует на определённых скоростях или при изменении нагрузки. Особенно это чувствительно, когда серводвигатель управляет, например, плунжерным насосом. У того же A4VSO или A10VSO — масса подвижных частей, своя жёсткость. Если не учесть механическую резонансную частоту всей сборки (двигатель-муфта-насос), можно попасть в неприятную ситуацию с автоколебаниями.

Один из запомнившихся случаев — настройка системы подачи смазочно-охлаждающей жидкости на станке. Там использовался серводвигатель с мотор-редуктором, который приводил в действие плунжерный насос. Всё работало, но при определённой частоте вращения начинался сильный шум, вибрация. Долго искали причину в программном обеспечении, меняли параметры фильтров. В итоге оказалось, что механическая муфта между валами была немного разбалансирована, и на определённой скорости этот дисбаланс входил в резонанс с частотой работы ПИД-регулятора. Исправили балансировку — проблема ушла. Вывод простой: прежде чем часами сидеть в софте, стоит проверить ?железо?.

Ещё момент — тепловой режим. Серводвигатель в продолжительном режиме работы с частыми пусками/остановами и изменением крутящего момента греется. Если он установлен в закрытом шкафу рядом с гидроагрегатом, который тоже тепло выделяет, может сработать защита по перегреву. Приходится продумывать охлаждение на этапе проектирования, а не после, когда всё смонтировано.

Интеграция с системами верхнего уровня и сетевыми протоколами

Сейчас почти везде требуют интеграцию в общую сеть завода. EtherCAT стал де-факто стандартом для динамичных задач. Но здесь есть нюанс, о котором мало говорят. Когда у тебя в одном контуре и сервопривод, и, допустим, пропорциональный гидрораспределитель с собственным контроллером, общающиеся по одной сети, могут возникать задержки из-за конфликтов в цикле обмена данными. Особенно если сеть перегружена или длина сегментов большая.

Была ситуация на испытательном стенде, где серводвигатель управлял насосом, а по той же EtherCAT сети шло управление клапанами и сбор данных с датчиков давления. При увеличении частоты цикла испытаний начались сбои, потеря пакетов. Пришлось оптимизировать топологию сети, выносить часть менее критичных по времени устройств на отдельный сегмент. Это к вопросу о том, что расчёт сетевой нагрузки — это не абстрактная задача для IT-шника, а прямая обязанность инженера-наладчика такой системы.

И конечно, софт. Производители сервоприводов предлагают свои среды конфигурирования. Иногда они удобные, а иногда — настоящая головная боль, с неочевидной логикой параметров. Особенно когда нужно тонко настроить связку с внешним энкодером или реализовать сложный закон управления, отличный от стандартного позиционного или скоростного режима. Тут без глубокого изучения мануала и, зачастую, проб и ошибок не обойтись.

Вопросы надёжности и обслуживания в промышленных условиях

Промышленная эксплуатация — это пыль, вибрация, перепады температур. Серводвигатель, даже с высоким IP-рейтингом, требует внимания. Например, разъёмы силовые и сигнальные. В условиях вибрации они могут разбалтываться, окисляться. Были прецеденты, когда непонятные сбои в работе устранялись простой протяжкой всех разъёмов и очисткой контактов.

Ещё один важный момент — качество питающей сети. Импульсные помехи от включения мощных соседних приводов (тех же гидравлических насосов с асинхронными двигателями) могут влиять на работу сервоусилителя. Хорошо, если в нём есть встроенные фильтры, но иногда приходится ставить дополнительные сетевые дроссели или помехоподавляющие фильтры. Это, опять же, то, о чём часто забывают на этапе проектирования.

Что касается гидравлической части в такой системе, то её надёжность напрямую влияет на работу сервопривода. Износ плунжерной группы в насосе A10VSO или засорение фильтра тонкой очистки приводит к изменению характеристик — падает давление, появляются пульсации. Серводвигатель, пытаясь компенсировать это, работает на пределе, перегревается, может выйти из строя. Поэтому грамотное техническое обслуживание гидросистемы — залог стабильной работы всего сервоконтура. Компании, которые специализируются на компонентах, например, ООО Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо), часто акцентируют на этом внимание, предлагая не просто продать насос, а подобрать решение под конкретную задачу с учётом условий эксплуатации. Их сайт (https://www.vickshyd.ru) как раз демонстрирует широкий спектр решений — от высоконапорных шестерённых насосов серии VG до инновационных сервопластинчатых насосов ABT и целых линеек моторов, что важно для формирования сбалансированной системы.

Размышления о выборе компонентов и экономике проекта

В конце концов, всё упирается в экономику. Сервопривод — дорогое решение. Его применение должно быть технически и экономически обосновано. Иногда достаточно хорошего частотного преобразователя с асинхронным двигателем и пропорциональным клапаном. Но когда нужна именно высокая динамика, точность позиционирования и повторяемость — без сервопривода не обойтись.

Выбор конкретной модели двигателя и усилителя — это поиск компромисса между требуемым моментом, скоростью, точностью и бюджетом. Часто переплачивают за момент, который никогда не будет использован, или, наоборот, экономят и берут привод на пределе возможностей, что снижает его ресурс. Здесь очень помогает опыт, в том числе негативный. Зная, как ведёт себя, скажем, пластинчатый мотор серии M4 в продолжительном режиме работы под нагрузкой, можно точнее подобрать его для задачи.

И последнее. Мир промышленной автоматизации не стоит на месте. Появляются новые интерфейсы, алгоритмы управления. То, что было оптимальным решением год назад, сегодня может быть уже не самым эффективным. Поэтому важно не только иметь практический опыт, но и следить за тенденциями, общаться с коллегами, с поставщиками компонентов. Иногда простая консультация со специалистом, например, от компании, которая занимается гидравлическими компонентами глубоко, позволяет избежать дорогостоящих ошибок на старте проекта и создать действительно работоспособную и надёжную систему промышленного управления серводвигателем.