Centralna jednostka sterowania – charakterystyczna dla systemów PLC/SCADA – pozwala znacznie obniżyć stopień rozbudowania architektury systemu, ale jednocześnie mocno ogranicza jego dostępność. Dlatego w tzw. produkcji procesowej, która składa się z szeregu powiązanych ze sobą cykli tworzących jeden ciągły, nieodwracalny proces, zamiast tradycyjnych systemów scentralizowanych stosuje się zwykle sterowanie rozproszone (ang. Distributed Control System, DCS). W architekturze tego typu systemów w miejsce jednostki centralnej wprowadza się szereg stacji operatorskich i inżynierskich połączonych ze sobą modułami magistrali. Dzięki temu awaria jednej części systemu nie ma wpływu na funkcjonowanie pozostałych komponentów, a sam system cechuje się znacznie szybszym czasem reakcji na niekontrolowane zdarzenia.

Co więcej, otwarty charakter architektury umożliwia teoretycznie jej nieograniczoną rozbudowę – pod warunkiem dysponowania odpowiednią ilością wolnej przestrzeni montażowej w szafie sterowniczej. A ta w czasach rosnącego nasycenia elektroniką przemysłową i rozwoju specyficznych aplikacji o szczególnych wymaganiach względem gabarytów i wagi (np. turbin wiatrowych) stanowi towar deficytowy. Rozwiązaniem może być zastosowanie serwonapędów przeznaczonych do pracy w systemach rozproszonych, które dzięki specjalnym rozwiązaniom konstrukcyjnym wymagają mniej miejsca w szafie sterowniczej przy zachowaniu kompaktowych wymiarów samego urządzenia.

Mechanika i elektronika w jednej obudowie

Technologia OCA opracowana przez firmę Beckhoff umożliwia dystrybucję energii i sygnałów komunikacyjnych za pomocą jednego standardowego przewodu Ethernet

Jednym z tego typu serwonapędów jest system AMP8000 firmy Beckhoff, w którym komponenty mechaniczne i elektronika zostały zintegrowane w jednej obudowie. Dzięki przemyślanej konstrukcji producentowi udało się przy tym zachować kompaktowe wymiary urządzenia: AMP8000 jest jedynie nieznacznie dłuższy od bliźniaczej jednostki AM8000 bez zintegrowanej elektroniki. Jak twierdzi firma, różnica ta jest na tyle niewielka, że napęd można z powodzeniem zabudować w niemal każdej maszynie modułowej. Oprócz serwonapędu na system AMP8000 składa się moduł sprzęgający oraz moduł rozdzielacza (AMP8805). Pierwszy z nich zlokalizowany jest w szafie sterowniczej, a jego rola sprowadza się do dostarczania energii elektrycznej i sygnałów komunikacyjnych. Drugi, zabudowany bezpośrednio na maszynie i połączony zarówno z modułem sprzęgającym, jak i serwonapędami, ma za zadanie dystrybuować sygnały do poszczególnych jednostek napędowych.

Serwonapędy BX4 CxD firmy Faulhaber dostępne są w dwóch wariantach: z kontrolerem zabudowanym bezpośrednio w napędzie oraz z osobnym kompaktowym modułem kontrolera podłączanym do jednostki napędowej

Rozwiązanie firmy Beckhoff nie jest jedynym tego typu dostępnym na rynku: serwonapędy zintegrowane z elektroniką ma w swojej ofercie chociażby Faulhaber. Oferowane przez niego jednostki BX4 CxD dostępne są w dwóch wersjach: z kontrolerem zabudowanym bezpośrednio w napędzie (podobnie jak ma to miejsce w przypadku serwonapędu firmy Beckhoff) oraz z osobnym, kompaktowym modułem kontrolera podłączanym do jednostki napędowej. Niezależnie od wariantu każdy z napędów wyposażony jest w dwa typy złączy: RS232 umożliwiające łatwe programowanie urządzenia na ekranie komputera (w programie Motion Manager) oraz CANopen do integracji z siecią firmową.

Wyróżnikiem produktów oferowanych przez obu producentów są przy tym kompaktowe wymiary układów: serwonapędy ze zintegrowaną elektroniką w większości przypadków cechują się bowiem większymi gabarytami, które mogą utrudniać ich zabudowę w maszynie. Warto też wspomnieć o ciekawym przykładzie niemieckiej firmy Nanotec, której napędy nie należą co prawda do najmniejszych, ale za to cechują się bogatym zestawem interfejsów umożliwiających podłączenie do całego szeregu sieci, w tym EtherCAT, CANopen, Ethernet/IP oraz Modbus.

Jeden kabel, a może bez kabla?

Dążenie do maksymalnego wykorzystania dostępnej przestrzeni znajduje wyraz także w popularyzacji rozwiązań ograniczających okablowanie maszyny. Ma to istotne znaczenie zwłaszcza w przypadku rozbudowanych aplikacji składających się z wielu równoległych łańcuchów jednostek napędowych. Aby zredukować liczbę stosowanych w tym przypadku kabli, producenci opracowali przewody łączące w sobie kilka różnych funkcji. Co ciekawe, są one dziś oferowane nie tylko przez przedsiębiorstwa zajmujące się wytwarzaniem kabli, ale też przez producentów samych serwonapędów.

Wspomniana już firma Beckhoff opracowała np. technologię One Cable Automation (OCA) umożliwiającą redukcję okablowania do jednego przewodu obsługującego funkcje zasilania i komunikacji. Jej podstawowym komponentem jest kabel EtherCAT P – wielożyłowy przewód w standardzie Ethernet ze złączem M8 i wstępnie skonfigurowanymi przyłączami, które znacznie przyspieszają instalację i uruchomienie systemu, a także ograniczają ryzyko błędnego podpięcia przewodów.

Ze względu na niewielką grubość przewodów miedzianych tworzących kabel maksymalne dopuszczalne napięcie przepływającego przez niego prądu wynosi do 3 A. Dlatego EtherCAT P sprawdzi się głównie jako źródło zasilania kompaktowych, cyfrowych modułów I/O lub mniejszych napędów. W przypadku większych napięć, np. w całych segmentach maszyn, zastosowanie znajdą złącza z serii ECP i ENP. Pierwsze z nich integruje w jednym kablu hybrydowym przewody EtherCAT P do przesyłu sygnałów komunikacyjnych i energii elektrycznej oraz dodatkowe, większe żyły zasilania. W odróżnieniu od niego złącze ENP, choć identyczne w budowie, do transmisji danych wykorzystuje standardową sieć EtherCAT.

Budowa hybrydowego przewodu Grupy Lapp realizującego funkcje zasilania, sterowania i komunikacji

Podobne rozwiązanie ma w swojej ofercie także Grupa Lapp – jej hybrydowy kabel został opracowany specjalnie z myślą o zasilaniu i przesyle sygnałów z serwonapędów. Wersja standardowa składa się z kabli zasilających, przewodu ochronnego, a także dodatkowych kabli do zasilania hamulca elektrycznego i przewodów sygnałowych, które oprócz przesyłu danych z serwonapędu mogą zostać wykorzystane także do transmisji danych z czujnika temperatury zlokalizowanego na uzwojeniu. Inne, indywidualnie konfigurowane wersje umożliwiają obsługę wielu różnych standardów komunikacji, takich jak przemysłowy Ethernet, światłowód polimerowy czy światłowód szklano-polimerowy.

Firma Omron z kolei oferuje możliwość bezprzewodowego połączenia poszczególnych urządzeń w ramach otwartej sieci DeviceNet. Opracowany przez nią interfejs pracujący w standardowym paśmie 2,4 GHz zapewnia bezprzewodową komunikację co najmniej dwóch segmentów magistrali DeviceNet. Zasięg sieci wynosi do 60 m, a funkcje łączności wielodrożnej i skokowych zmian częstotliwości ograniczają błędy transmisji nawet na znacznych dystansach.

Szafa sterownicza odchodzi do lamusa

A gdyby tak całkowicie zrezygnować z szafy sterowniczej? Możliwość taką oferuje nowy moduł zasilający AMP8620 firmy Beckhoff wprowadzony na rynek wiosną bieżącego roku. Urządzenie jest wyposażone we wszystkie komponenty umożliwiające przyłączenie go bezpośrednio do sieci elektrycznej, takie jak filtry sieciowe, prostowniki i układ zasilania zintegrowanych kondensatorów obwodu pośredniego. W zależności od wymagań względem mocy napędów może on sterować nawet pięcioma rozproszonymi systemami AMP8000, wykorzystując do tego technologię EtherCAT P.

Zintegrowany z AMP8620 iskrobezpieczny zasilacz sieciowy o napięciu 24 V zapewnia właściwe napięcie zasilania układu logicznego, a kondensatory obiegu pośredniego umożliwiają magazynowanie odzyskanej energii systemu, a następnie jej ponowne wykorzystanie w procesach przyspieszania, gwarantując tym samym optymalne zagospodarowanie dostarczonej do systemu energii. Moduł sprawdzi się przede wszystkim w aplikacjach, w których redukcja wagi i gabarytów systemu napędowego nabiera kluczowego znaczenia, takich jak np. systemy kierunkowania gondoli w turbinach wiatrowych, w których liczy się każdy kilogram wagi i centymetr kwadratowy objętości.