در مواجهه با فشارهای فزاینده هزینه و تقاضا برای بهبود عملکرد، سازندگان ماشین به طور فعال به دنبال راه حل های اتوماسیون جدید با نسبت هزینه/عملکرد بهبود یافته هستند. در پاسخ به این خواسته‌ها، فروشندگان اغلب باید از اجزای تجاری خارج از قفسه و سایر فن‌آوری‌ها استفاده کنند تا عملکرد بیشتری را با هزینه‌های کمتر در فاکتورهای شکل کوچکتر ارائه دهند.
این مقاله نشان می‌دهد که چگونه سازندگان ماشین و فروشندگان می‌توانند برای ارائه سیستم‌های اتوماسیون مورد نیاز با یکدیگر کار کنند و چگونه می‌توانند با موفقیت چندین زیرسیستم و اجزای قدرت و کنترل را یکپارچه کنند.
سیستم اتوماسیون یک ماشین در درجه اول از اجزای قدرت و کنترل تشکیل شده است. برای یک ماشین کوچکتر، اینها ممکن است در یک پانل قرار گیرند. در حالی که ماشین‌های بزرگتر ممکن است به چندین پانل نیاز داشته باشند، اغلب یکی برای کنترل و دیگری برای قدرت. زیرسیستم ها و اجزای اصلی یک سیستم اتوماسیون ماشین عبارتند از:
زیرسیستم توزیع توان برق را به اجزایی مانند موتورها، درایوها (پیشتر پیرامون اینورتر یا همان درایوها صحبت کردیم) و کنترلرها تغذیه می کند. زیرسیستم کنترل عمدتاً از سیستم های ایمنی، کنترل کننده های قابل برنامه ریزی، ورودی/خروجی گسسته و آنالوگ، سیستم های ارتباطی و HMI ها تشکیل شده است. بیایید هر یک از این زمینه ها را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم.
کد ملی برق (NEC، همچنین NFPA 70) در مورد استفاده صحیح از برق برای محافظت از افراد و اموال حرف های زیادی برای گفتن دارد. این کد قبل از اینکه منبع تغذیه از طریق دوشاخه، قطع و وصل یا بلوک ترمینال به محفظه کنترل دستگاه متصل شود، وارد عمل می شود. در این دستگاه، NFPA 79: استاندارد الکتریکی برای ماشین‌های صنعتی معیاری برای ایمنی ماشین‌های صنعتی مرتبط با آتش‌سوزی و خطرات الکتریکی است. برخی از الزامات اصلی در توزیع توان کنترل ماشین که در این استانداردها مورد بحث قرار گرفته اند عبارتند از: استفاده از وسایل قطع اتصال مناسب، محافظت از پرسنل در برابر تماس با خطرات الکتریکی، و محافظت از تجهیزات در برابر جریان اضافی و اضافه بار.
برای هر محفظه کنترلی که با ولتاژ 50 VAC یا بیشتر تغذیه می شود، قطع کننده - چه کلید، قطع کننده مدار، یا سیم دارای دوشاخه باشد. باید به درستی اندازه، موقعیت، سیم کشی، برچسب گذاری و در برخی موارد به درب محفظه قفل شود.
محافظت از پرسنل در برابر تماس با خطرات الکتریکی، هم در داخل و هم در خارج از برق دستگاه یا پانل کنترل، همیشه مورد نیاز است. همه هادی ها باید از تماس پرسنل محافظت شوند. اکثر دستگاه‌های توزیع برق برای تسهیل این سطح از حفاظت طراحی شده‌اند، اما اجزای فعال مانند گذرگاه‌های برق، بلوک‌های توزیع و سایر پایانه‌های برق باید با یک پوشش نارسانا و شفاف پوشانده شوند.
حفاظت از تجهیزات در برابر جریان بیش از حد برای کاهش احتمال آتش سوزی بسیار مهم است. هادی ها و اجزای الکتریکی باید از جریان اضافه ناشی از اتصال کوتاه محافظت شوند. وسایل حفاظت در برابر جریان بیش از حد، مانند فیوزها و قطع کننده های مدار، باید بر اساس ظرفیت حمل جریان هادی، رتبه بندی وقفه دستگاه، حداکثر جریان خطا، ولتاژ سیستم، ویژگی های بار و سایر عوامل اندازه گیری شوند.
برای مدارهای قدرت، دستگاه‌های دارای مدار انشعاب باید برای برآورده کردن الزامات حفاظت از خطای زمین و محدود کردن جریان استفاده شوند. دستگاه های محافظ اضافی جریان اضافی برای استفاده در این مدارها مناسب نیستند اما در مدارهای کنترل پایین دستی که از سمت بار مدار انشعاب گرفته شده اند، به خوبی کار می کنند.
موتورها در کنترل ماشین نیازهای خاصی دارند. برای هر موتور، شکل مناسبی از کنترل الکتریکی مورد نیاز است، از روشن/خاموش ساده تا کاربردهای پیچیده‌تر سرعت متغیر. دستگاه های کنترل موتور شامل استارت های موتور دستی، کنتاکتورهای موتور و استارت های با اضافه بار ، درایوها و استارت های نرم می باشد.
مدار موتور باید شامل حفاظت از اضافه جریان (اتصال کوتاه) و اضافه بار باشد. این معمولاً شامل حفاظت مدار انشعاب، مانند فیوزهای دارای درجه بندی مناسب، و استارت موتور با وسایل حفاظت از اضافه بار، مانند اضافه بارهای حرارتی است، اما ممکن است حفاظت اضافی مورد نیاز باشد.
حفاظت اضافی که برای اجزای کنترل ماشین باید در نظر گرفته شود شامل از دست دادن سرمایش و دمای غیرعادی است. حفاظت از خطای زمین نیز مورد نیاز است، بنابراین اتصال زمین مناسب مهم است. بیش از حد، کمتر و از دست دادن ولتاژ نیز باید در نظر گرفته شود. حفاظت در برابر صاعقه، سرعت بیش از حد، و از دست دادن فاز ولتاژ در منابع سه فاز ملاحظات اضافی برای کنترل مناسب ماشین است.
برخی از کنترل کننده های موتور مانند درایوها و کنترل کننده های ترکیبی از خود محافظت می کنند. در این صورت، رتبه بندی دستگاه یا دستورالعمل های سازنده به وضوح نشان می دهد که برای محافظت از هادی خروجی مناسب است.
ارزیابی ریسک، طراحی سیستم ایمنی را در صورت لزوم برای حذف انرژی های ایجاد کننده حرکت، از جمله نیروی الکتریکی و سیال، به منظور توقف ایمن تجهیزات برای محافظت از پرسنل و ماشین آلات، هدایت می کند. بسیاری از استانداردهای ایمنی برای کنترل مناسب ماشین در سطح مکانیکی و الکتریکی وارد عمل می شوند. نگهبانی مکانیکی مناسب ماشین آلات و نقاط دسترسی و همچنین حذف خطرات شناسایی شده نقطه شروع است. رله‌های ایمنی یا کنترل‌کننده‌های دارای رتبه ایمنی باید برای نظارت بر کلیدهای ایمنی، سوئیچ‌های حد ایمنی، پرده‌های نور و تشک‌ها و لبه‌های ایمنی استفاده شوند.
در برنامه‌های کنترل ماشین‌های کوچک، رله ایمنی احتمالاً ساده‌ترین راه برای یکپارچه‌سازی عملکرد ایمنی برای توقف اضطراری، نظارت بر درب محافظ یا محافظت از اپراتور است که از طریق یک پرده نوری می‌رسد. در ماشین‌های پیشرفته‌تر، کنترل‌کننده‌های دارای رتبه ایمنی عملکردهای یکسانی را ارائه می‌کنند، اما می‌توانند ادغام چندین دستگاه ایمنی را ساده کنند. کنترل‌کننده‌های دارای رتبه ایمنی با ارائه بستری برای برنامه‌ریزی عملکردهای ایمنی مورد نیاز برای کنترل صحیح و ایمن ماشین، منطق ایمنی سخت‌افزاری را کاهش می‌دهند.
کنترل کننده ماشین که به صورت فاکتورهای کوچک تا بزرگ موجود است، می تواند یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC)، یک کنترل کننده اتوماسیون قابل برنامه ریزی (PAC) یا یک رایانه شخصی باشد. پیچیدگی برنامه کنترل ماشین، مشخصات کاربر نهایی و انتخاب کنترل کننده درایو ترجیحی شخصی. بسیاری از فروشندگان خانواده کنترلرهایی برای پوشش طیف وسیعی از برنامه های کاربردی از ساده تا پیچیده دارند که به سازنده ماشین اجازه می دهد تا حدی استانداردسازی کند. اغلب سه یا چند پیکربندی فیزیکی - فاکتورهای شکل کوچک، متوسط و بزرگ - از سازنده کنترلر در دسترس هستند.
استفاده از همان پلتفرم نرم افزاری برای برنامه نویسی خانواده ای از کنترلرها در حال تبدیل شدن به یک امر عادی است. این به طراح اجازه می‌دهد ابتدا سیستم را برنامه‌ریزی کند و سپس کنترل‌کننده مناسب را بر اساس ظرفیت آن برای رسیدگی به تعداد نقاط ورودی/خروجی مورد نیاز، و همچنین توابع ویژه مانند کنترل متناسب، انتگرال، مشتق و مدیریت داده‌ها انتخاب کند. قابلیت های مورد نیاز مانند ارتباطات گسترده و کنترل سرعت بالا باید به دقت ارزیابی شوند، زیرا اینها اغلب عوامل اصلی انتخاب کنترلر هستند.
ورودی ها و خروجی های گسسته و آنالوگ، کنترل کننده را به سنسورها و محرک های دستگاه متصل می کند. این سیگنال‌ها می‌توانند از طریق یک نوار ترمینال با سیم‌کشی به دستگاه‌های میدانی از پانل کنترل اصلی منشأ بگیرند، اما معماری I/O توزیع شده اغلب راه‌حل بهتری است. ورودی/خروجی توزیع شده سیم‌کشی را با نزدیک‌تر کردن نقطه ورودی یا خروجی به دستگاه میدانی، و با چندگانه‌سازی سیگنال‌های ورودی/خروجی متعدد روی یک کابل واحد که از مؤلفه ورودی/خروجی راه دور به صفحه کنترل اجرا می‌شود، کاهش می‌دهد.
برای I/O توزیع شده در مقیاس کوچکتر، IO-Link یک پروتکل ارتباطی سریال نقطه به نقطه است که در آن یک دستگاه دارای IO-Link به یک ماژول اصلی IO-Link متصل می شود. این پروتکل داده ها را از یک حسگر یا محرک به طور مستقیم به یک کنترل کننده ماشین مخابره می کند. با ارائه عیب‌یابی و وضعیت دقیق دستگاه به کنترل‌کننده، زمینه بیشتری را به داده‌های گسسته یا آنالوگ اضافه میکند.
یکی دیگر از بخش های مهم کنترل ماشین در حال حاضر و برای آینده، قابلیت ارتباط گسترده است. داشتن چندین پورت اترنت و سریال برای ادغام با انواع تجهیزات، کامپیوترها، HMI ها، و سیستم های تجاری و سازمانی، تمرین خوبی است.
چندین پورت اترنت پرسرعت ارتباط HMI پاسخگو و همچنین شبکه های همتا به همتا و سیستم های تجاری را تضمین می کند. پشتیبانی از پروتکل های اترنت صنعتی، از جمله EtherNet/IP و Modbus TCP/IP نیز برای اتصالات اسکنر/کلاینت و آداپتور/سرور مهم است. این اتصالات اترنت کارکردهای ارتباطی ایمیل خروجی، وب سرور و دسترسی از راه دور را فعال می کنند - همه گزینه های مهم برای کنترل ماشین.
کنترل ماشین اغلب از در دسترس بودن روش های ارتباطی قدیمی مانند سریال RS-232 و RS-485 سود می برد. کنترل‌کننده‌های مدرن اغلب شامل گزینه‌های ارتباطی و ذخیره‌سازی USB و MicroSD هستند.
بخش بزرگی از ارتباطات کنترل ماشین، امنیت سایبری است. یک دفاع لایه ای را در نظر بگیرید که در آن حفاظت شامل عملکردهای راه دور است که فقط به عنوان بخشی از پیکربندی سخت افزار فعال می شوند. برای محافظت بیشتر، همه برچسب ها باید از دسترسی از راه دور محافظت شوند، مگر اینکه برچسب به صورت جداگانه برای این منظور فعال شده باشد.
اچ ام آی (HMI) اطلاعات حیاتی در مورد شرایط ماشین را با استفاده از نماهای گرافیکی و متنی نشان می دهد. HMI ها می توانند به شکل پانل های لمسی، پانل های متنی، نمایشگر پیام یا نمایشگرهای صنعتی باشند. آنها برای نظارت، کنترل، گزارش وضعیت و بسیاری از عملکردهای دیگر استفاده می شوند.
هدف HMI باید به وضوح تعریف شود. برخی از ماشین‌ها ممکن است فقط به نمایش پیام خطا با چند عملکرد کنترل نیاز داشته باشند. سایر ماشین‌ها ممکن است نیاز به مشاهده دقیق وضعیت ماشین، دسترسی به پارامترهای سیستم و عملکرد دستور غذا داشته باشند. تعریف واضح نیاز دستگاه به تعیین اندازه و قابلیت های HMI کمک می کند و این باید در مراحل اولیه طراحی انجام شود.
اچ ام آی ها همچنین می توانند با اتصال به چندین دستگاه شبکه به عنوان هاب داده عمل کنند. در برخی از برنامه های کاربردی کنترل ماشین، ممکن است از چندین پروتکل استفاده شود و اغلب می توان از HMI برای تبدیل پروتکل استفاده کرد. این قابلیت می تواند برای تبادل داده ها، مانند وضعیت و نقاط تنظیم، بین کنترلرهای مختلف و سایر دستگاه های هوشمند استفاده شود.
برخی از HMI ها همچنین می توانند داده ها را به ابر ارسال کنند یا عملکرد دسترسی از راه دور را از طریق اینترنت فعال کنند، با توجه به احراز هویت نام کاربری و رمز عبور مناسب.
یکی دیگر از اجزای مهم که خیلی در اتوماسیون صنعتی استفاده دارد مقاومت ترمز است. اما نمی توانیم آن را جز اجزای اصلی اتوماسیون بدانیم بلکه یک تجهیز ضروری است که باید در کنار درایو(اینورتر) استفاده شود تا از آسیب دیدگی آن جلوگیری کند. روند کار به این شکل است که موتور به تمام توان در حال کار کردن است و ناگهان دستور توقف صادر می شود که توقف موتور گرمای زیادی تولید میکند و این گرما به سمت درایو منتقل می شود و اگر مقاومت ترمز وجود نداشته باشد در اولین توقف درایو آسیب می بیند. بنابراین مقاومت ترمز وظیفه دارد تا انرژی برگشتی از موتور را دریافت کند و آنرا به صورت انرژی گرمایشی خارج کند.
