基于运动位置的快速数字输出

显示全部楼层 · 2024-1-24 09:59:19

标题中所描述的这种运控应用，在圈里面也常被称为“高速凸轮输出控制”，有时也叫做“SOE”数字输出功能，指的是根据轴的运动位置，对设备中某些部件的动作（主要是开关量动作，如：阀的开闭），进行实时控制。

最常用到“高速凸轮输出”的应用之一，就是日常各种各样的包装箱了。

如上图所示的这个“纸板”内侧面，是我刚拆开的纸质包装盒，可以看到在包装纸板左侧有几个明显的“胶水”的痕迹，在进行纸箱包装时，为了能够将纸板折成纸箱，需要在纸板内“涂抹”胶水，而这些胶水“涂抹”的位置都是预先就已经设计好的。

事实上，在高速运行生产的包装设备上，这些“胶水”并非被“抹”上去的，而是在纸板高速输送过程中，通过专门的设备“喷涂”上去的。

如上图所示，电机带动两根上下对称的压辊，推动灰色纸板向右运动，在纸板上有三处（a、b、c）需要涂胶，相应的在其上方有 3 个涂胶用的“喷嘴”－通常称为“胶枪”，分别通过各自的“胶管”连接到后面的“胶机”，胶机通过高压向前端的“胶枪”输送胶水，而其向纸箱“喷胶”的动作，是通过胶枪上的“阀门” （V1、V2、V3）来控制的。

要能够实现上图这种在纸板输送过程中对 a、b、c 三处进行喷胶，看上去貌似并不难，只需要在控制器程序中对纸板输送距离加以判断，当输送位置达到某个“喷胶区域”时，控制器通过其数字量输出的状态变化，即可实现对相应的阀门进行喷胶的控制。

接下来我们就来看看，这样的“喷胶”控制是否真的像说的那么容易做到。

首先，以目前我们掌握的技术，从运动设备采集实时位置数据的确已经很容易了，无论是通过伺服电机内部的位置反馈，还是通过外部编码器，控制系统基本可以做到对上述的纸板传输位置和速度进行实时的读取。

但我们要知道，在这个应用中，不是将纸板传输位置读取上来就结束了，而是要对传输位置与设定的“喷胶”区域进行实时比较的，实时反馈并不意味着“区域”位置识别也是实时的。如果把这个区域识别的位置比较逻辑放到普通的控制器（如 PLC 或 PC）的顺序逻辑里去处理，那么在喷胶输出的位置判断上，将会因为这些控制器的扫描时间而出现一定程度的延时。

以 100m/分钟的线输送速度为例，假设控制器扫描周期为 5ms，那么每个扫描周期，纸箱将被输送 8.33mm，也就是说，从纸箱进入“喷胶区域” 到控制器判断到需要喷胶时，纸箱可能已经又向前运动了 8mm 之多，这个误差貌似有些大，而且，每次扫描产生的延时也有很大差别。

那么如果通过中断逻辑（EventTask）去处理这样的数字输出呢？

中断程序（EvenTask）比较适合间隔时间较长、执行频次相对不高的事件型任务，而我们在这里说的“喷胶”的应用任务，通常往往是需要反复快速执行的，想象一下现在产线的速度，很多都是每分钟上百件产品，而且每件产品上要进行多次喷胶，那么意味着这种数字输出的 ON/OFF 状态需要每几个毫秒就要触发一次，如果用中断方式来处理此类任务，那设备主程序逻辑基本上就不用执行了。

Indramat PowerPC

所以，通常这种高速凸轮输出的运动位置判断，都是需要单独运动控制任务来处理的，需要能达到微秒级的运算周期。比如早期很多控制器和运控系统还不具备这种快速处理能力时，这种任务都是由单独的“凸轮控制器”实现的，通过将编码器反馈到一个小型单任务处理的单片机上，进行位置判断和控制输出。后来开始出现一些驱动器或运动控制器内置集成此功能，比如早些年的 Indramat Diax04/EcoDrive 以及其 PowerPC（简称 PPC）。

近几年，随着集成运动控制的发展，一些设备自动化控制器也已经能够实现这种基于运动位置的快速数字输出功能了。比如：罗家的 ControlLogix，Indra 家的 IndraControl XM21，倍家的 CX 系列控制器... ... 当然，应用逻辑处理仍然不能使用通用的顺序控制方式，而需要使用专门的“高速凸轮输出”的指令和功能块，比如在 Logix 控制软件中的这条 MAOC 指令，数字量输出的 ON/OFF 状态与运动位置关系，需要在这条专用运控指令中预设，而这条指令一旦在程序中激活运行，其任务逻辑是独立于设备通用顺序逻辑单独运行的，可以理解为在设备控制器中有另一个运控的 CPU 单独处理此类运控任务。

有了实时的位置反馈和基于运控的喷胶位置识别，接下来当然就是控制输出了。

与控制器的位置识别一样的道理，普通的 I/O 数字输出也是基于控制器顺序逻辑扫描的，所以，在这种“喷胶”应用的高速输出中，需要数字量输出也必须是基于运控逻辑的。

早期还没有集成运动控制时，此类高速输出都是从驱动器或者运动控制器自带 I/O 接口直接输出的，比如上面提到的 Indramat PPC 和 DIAX/EcoDrive，后来在集成自动化控制器系统中，可以通过基于控制器背板总线通讯的高速模块实现实时数字量输出，比如 ControlLogix 系统中的 1756-OB16IS 模块，其全名为 “16 点隔离计划输出模块”，这里的计划就是指其输出不是基于控制器扫描周期，而是与运控处理器时钟同步的；相类似的还有 IndraControl MLC 的 Fast IO。

这两年随着 I/O 总线技术的发展，此类高速数字输出的系统架构也变得越来越灵活。

比如我们去年曾经介绍过的罗家新款 5069 Compact I/O，它可以作为新型 CompactLogix 5380 控制器的扩展 I/O，5380 集成运动控制器可以通过 5069 I/O 扩展总线直接驱动 5069-OB16F 模块，实现 ±10 μs 精度/ 1 ns 分辨率的高速数字输出。（当然在控制逻辑上，仍然必须使用运控逻辑）

不仅如此，由于 5380 控制器本身具备 1GB 带宽的以太网端口扩展能力，并且是基于运控同步时钟的，所以，5069 I/O 不仅可以实现本地扩展，还可以通过工业以太网实现远程、且基于运动位置的高速数字输出功能。

这种远程运控 I/O 的扩展能力，使高速凸轮输出这种特殊应用不再受限于本地中央控制器的输出模块，数字 I/O 模块可以更加靠近执行设备本体，极大的减少了设备布线，可以节省不少集成、使用和维护的成本。

再比如，新一代的 IndraControl XM 系列基于其 S20 I/O 总线的 I/O，也可以实现同等级别的高速数字量输出，并且在 S20 的输出模块选择上，已经不需要像原来 MLC 的 InLine 总线一样使用专门的 Fast I/O 了，在 S20 上的任何数字输出已经可以达到快速输出的水平。

同样的，S20 的 I/O 不仅可以在本地扩展，也可以通过 SERCOS III 以太网总线与 IndraControl XM 控制器连接，实现远程的高速凸轮输出控制。

由于运控网络的扩展能力，尤其是在网络带宽和运控时钟精度上的提升，在 I/O 模块的选择上也更加灵活，不仅可以使用类似上述 5069 和 S20 式的普通 IP20 柜内式 I/O 模块，还可以使用 IP 67 的现场布置 I/O 模块。比如罗家的 1738 系列和 IndraControl S67 系列现场 I/O模块。

经过前面的实时位置反馈、输出位置判断和快速控制输出，接下来就是设备动作执行了，这里需要注意的是尽量使用可以快速动作的部件，以确保动作的实时性，比如在本期例子中关于快速喷胶的应用中，V1～V3 的电磁阀，如果需要继电器控制，尽量选用固态继电器，而不是动作时间较长的普通机械式继电器。

当然我们知道，现场设备再快都是一定是有其动作时间的，不过通常这些执行元件的动作时间都是相对固定的，在高速凸轮应用的运控指令中，往往都有“动作时间补偿”的参数可以设定，因此若需要确保控制精度，在选用现场设备执行部件时，应尽量选用动作时间误差较小的产品。

篇幅比较长，最后总结下本期的内容。

若要实现基于运动位置的实时快速数字量输出控制，也就是高速凸轮输出控制，需要：

⚠️ 关于应用

除了本期着重提到的“喷胶”应用，基于运控位置的快速数字输出功能还有很多其它各种应用场合，比如生产线上的“废品剔除”（剔废）应用等等。

⚠️ 关于产品

除了本期提到的罗家和 Indra 家的运控产品，很多运控产品都可以实现高速凸轮输出功能，比如：倍家的 CX 系列、贝家的 X20 系列 ... 等等。

mcrazy

以上内容纯属作者本人观点，若有雷同，纯属巧合。

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