הִיסטוֹרִיָה

שנות ה-1700

יש הסכמה כללית שתחילתה של המהפכה התעשייתית החלה בסביבות 1760. כמובן שזה תלוי באיזו התייחסות משמשת. בסופו של דבר, הדחף לבצע אוטומציה של משימות שחוזרות על עצמן החל בערך כשבני אדם עשו זאת. "הסופה" של המהפכה התעשייתית התרחש כביכול לפני כ-100 שנה, אם כי במבט סביב היום זה כמעט לא נראה גמור. רמת התעשייה והאוטומציה של היום עולה בקלות על החלומות של ממציאים מוקדמים. ממציאים שבמהלך שנות ה-1700 וה-1800 הביאו התקדמות בטכנולוגיית המכונות והובילו את יצירת תעשיית בקרת התנועה של ימינו.

שנות ה-1800

בקרת תנועה לא הייתה קיימת ואוטומציה לבשה צורה של מנועים גולמיים עם רכבות הנעה של רצועות וגלגלות. הפעלת בניין תעשייתי הצריכה גלגל מים גדול בחוץ או מנוע קיטור שיושב במרתף.

בדרך כלל רכבת הנעה אנכית עברה בבניין ממנוע קיטור במרתף כדי להעביר כוח מכני לכל קומה. במפלס הרצפה, הילוך המיר כוח מהרכבת ההנעה האנכית לרכבת אופקית שנפרשה על פני הרצפה.

כל מחלקה הזקוקה לכוח מכני ניתקה מהקו הראשי עם מנגנון מצמד. מפעילי מכונות תפירה, למשל, השתמשו במצמד רגלי כדי לחבר מכונות תפירה בודדות למקור הכוח.

שנות ה-1900

מהנדסים השתמשו במומנטום של סוף המאה ה-19 כדי להביא לצרכנים מכשירים המופעלים באמצעות חשמל. המצאת גנרטור DC בשנות ה-70 של אדיסון, החשמל הציבורי ומנוע ה-AC של טסלה בשנות ה-80, והמקדחה הידנית החשמלית הראשונה בשנות ה-90 פינו את מקומם למכונות כביסה ומקררים חשמליים בסביבות 1915. בשלב זה הנרי פורד הבין רק לאחרונה קו ייצור נייד שבו חלקים היו סטנדרטיים ויעילות המפעל זינקה.

גילוי המשוב

זה היה 1927 כאשר הרולד בלאק חולל מהפכה בתקשורת עם הרעיון של משוב שלילי במגברים. הוא לא היה הראשון שסגר לולאת משוב, מכיוון שתרמוסטטים ותנורים מווסתים את טמפרטורת החדר באמצעות משוב מאז סוף המאה ה-19. ג'יימס וואט עבד על לולאת משוב מכנית עבור מנוע הקיטור שלו עוד לפני כן. בסיפור כמו אופנה היה להרולד בלאק התגלות בדרך הביתה מהעבודה ערב אחד שהפעלת חלק מהפלט של המגבר בחזרה לכניסה יכולה להפחית באופן משמעותי את עיוות האות. זמן קצר לאחר גילויו של בלאק, מוצרי בקרת התנועה הפנאומטיים הראשונים הגיעו בשנות ה-30 של המאה ה-20 תוך שימוש במשוב לבקרת לולאה סגורה.

בשלב זה, שליטה פרופורציונלית-אינטגרלית-נגזרת (PID) רק עלתה כמחשבה מודעת עבור רוב העולם. JC מקסוול כתב ניתוח מתמטי מפורט על PID בשנת 1886, אך לקח בערך 50 שנה עד שהגיעו מוצרים שמשתמשים בכוונון PID בכוונה. שנות ה-40 וה-50 סימנו את תחילתם של צעדים גדולים בבקרת PID. אנשים הבינו סוף סוף את החשיבות של ניתוח מתמטי והחלו לפתח את תורת הבקרה כמדע. זו הייתה, כמובן, תקופה גסה מאוד של בקרת PID.

במהלך שנות ה-50, ה-60 וה-70, טיסה בחלל ומלחמה עזרו לדרבן את המאמץ לפתח אלגוריתמי בקרה אופטימליים. התקני מצב מוצק וטכנולוגיית מנוע פותחו בשנות ה-60 עד לנקודה שבה בקרת PID נדדה לתוך מיקרו-בקרים. שיפורים ואופטימיזציות שונות נמשכו עד סוף שנות ה-70, כאשר טכנולוגיית מיתוג רוחב הדופק (PWM) הוצגה יחד עם מנועי מגנט קבוע ללא מברשות. בקרת התנועה לא הייתה אותו הדבר מאז.

בקרת תנועה דיגיטלית

במהלך 20 השנים האחרונות DSP, רשתות וטכנולוגיית מיתוג PWM יצרו עלייה אקספוננציאלית בשימוש בבקרת תנועה בלולאה סגורה. טכנולוגיית מיתוג PWM במגברים ובספקי כוח אפשרה יעילות גבוהה והעברת כוח חום נמוך. בתוך שנים ספורות, גודלו של מגבר מנוע 2kW התכווץ מ-100 פאונד או יותר, למשהו שניתן לשאת אותו ביד ולהבריג אותו ללוח.

בערך בשנת 1990, מוצרי בקרת תנועה מבוססי DSP החלו לאפשר פרופיל תנועה מתוחכם ותקשורת דיגיטלית באמצעות רשתות טוריות. שינויים מהירים כאלה בטכנולוגיה יצרו התמוטטות בסטנדרטיזציה של מוצרי בקרת תנועה. פרוטוקולי רשת כגון Profibus (1989), DeviceNet (1994) ו-Smart Distributed Systems (1994), למשל, ניסו להשתלט על שוק ה-Control Area Network (CAN). אחת הרשתות הראשונות, CAN, הייתה קיימת מאז אמצע שנות ה-80 לתקשורת לרכב; זה הוכיח את עצמו כל כך תכליתי שהוא עבר לעולם האוטומציה בשנות ה-90. Sercos יצאה בתחילת שנות ה-90 באמצעות שכבת חומרה משלה עם קווי תמסורת סיבים אופטיים בעוד רשתות קנייניות אחרות הגיעו באמצעות שכבת חומרה RS-485.

כיום התעשייה רחוקה מלהיות סטנדרטית עם זמינות מדהימה בכרטיסי בקר תנועה חכמים, מגברי סרוו, מנועים, התקני משוב והצמדות מכניות. ראה "בקרת תנועה היום" לעדכון קצר על כל האפשרויות הללו.

מתנה

כיום ישנן אפשרויות רבות בהרכבת מערכת. תיאורטית, ניתן ליצור את המערכת האידיאלית על ידי התאמת הרשת הטובה ביותר, לבקר הטוב ביותר, לכונן הסרוו הטוב ביותר, למנוע והמשוב הטובים ביותר. עם זאת, לעתים קרובות קשה ליישם את החלום הזה בגלל בעיות יכולת פעולה הדדית. הסיבה היא שיצרנים של ציוד בקרת תנועה נוטים לפתח מערכות קנייניות משלהם המגבילות את המשתמשים לחומרה המיוצרת על ידי אותו יצרן. פעמים רבות משתמשים מוצאים פתרונות ארוזים המתאימים לעבודה, אך לעתים קרובות המשתמש אינו מקבל את הביצועים הטובים ביותר האפשריים. ישנו פשרות בין נוחות לביצועים.

מתכנני מערכות בקרת תנועה דורשים יותר ויותר את הזמינות של פתרונות סטנדרטיים פתוחים. מערכות המבוססות על סטנדרטים פתוחים יאפשרו למהנדסים לחפש את הרכיבים העונים על צרכי העלות/ביצועים שלהם ולהפוך את המקור השני של רכיבים קריטיים למציאותיים יותר. CANopen פותחה במיוחד עבור בקרת תנועה ולעתים קרובות היא הרשת המועדפת בגלל האמינות המוכחת שלה בבקרת תנועה והיא תקן פתוח. Ethernet Power Link (EPL) הוא הרחבת Ethernet של CANopen המנצלת את שיעורי הקישוריות הגבוהים של Ethernet תוך שמירה על יכולות התקשורת האיתנות של CANopen. תקני רשת פתוחים כגון אלה יעזרו להגביר את פיתוח מערכת בקרת התנועה לרמה הבאה של ביצועים ונוחות. עתיד בקרת התנועה יראה אינטגרציה טובה יותר של רכיבי מערכת ואינטגרציה ותכנות קלים יותר.

בקר

בקרי תנועה מספקים חכמה לתנועה של מכונה. הם יכולים להיות כרטיסי PCI עצמאיים או כרטיסי PCI הנכנסים ישירות למחשב. תכונות כגון יצירת מסלולים, פרופיל S-curve, פיצוי, מסנני מעבר נמוך, מסנני חריצים ואלגוריתמים אחרים הופכים פרופילים בשליטה הדוקה לקל יותר מאי פעם להשגה. בקרי תנועה יכולים לשלוט במכונות בודדות או מרובות צירים עם רשתות מבוזרות או מרכזיות. CAN ו-100Base-T הן שכבות הרשת הנפוצות ביותר. פתרונות הרשת הללו הם פופולריים, אך מקורות פקודות אנלוגיים סטנדרטיים ו-Pulse/Direction עדיין מחזיקים חלק גדול מהשוק וזמינים כמעט בכל כרטיס בקר תנועה. בקרי תנועה בדרך כלל מתממשקים למגבר או "דרייבר סרוו" שיושב בין המנוע לבקר.

נהיגה

הקו המגדיר בין כונני סרוו לבקרי תנועה החל להיטשטש מכיוון שכונני סרוו מקבלים פונקציונליות שהייתה בעבר רק לבקרי תנועה. לולאות בקרה מתוחכמות שוכנות במספר הולך וגדל של כוננים. זה טוב כי זה נותן לבקר התנועה מרווח גחון עבור אלגוריתמים ברמה גבוהה יותר. בעוד כוננים אנלוגיים מהווים אחוז גדול של מערכות סרוו, כוננים דיגיטליים הופכים לאטרקטיביים יותר בגלל I/O הניתן לתכנות ותכונות רבות הניתנות להגדרה של תוכנה. אחד מהבונוסים הרבים למעבר לדיגיטל הוא שניתן לשנות את כל הפונקציונליות של כונן סרוו דיגיטלי באמצעות הורדת קושחה פשוטה, ובכך להפוך שדרוגי שטח עם תכונות חדשות למהיר וקל.

מָנוֹעַ

מנועים מגיעים בכל גודל וצורה עם תוכניות בקרה שונות. מנועים חסיני פיצוץ פופולריים בסביבות נדיפות ומנועים חסרי מסגרת מאפשרים אינטגרציה הדוקה. תעשיות התרופות והמשקאות משתמשות במנועי "שטיפה" עבור יישומים ספציפיים שבהם המנוע יישטף בלחץ מעת לעת. יצרני מנועים יכולים ליצור מנועים עם כל סוג של מפרט כולל גודל, משקל, צורה, דירוג מומנט, דירוג מהירות, קבוע מנוע ועוד. ישנם סוגים רבים של מנועים לבחירה, כולל: מנועי צעד, מנועי אינדוקציה AC חד ותלת פאזיים, מנועים ללא מברשות למגנט קבוע, מנועים מוברשים למגנט קבוע ומנועים ללא מברשות ליניאריים. על מנת לשלוט על המיקום או המהירות של אחד המנועים הללו, נדרשים התקני משוב מתאימים.

מָשׁוֹב

ישנם כמה התקני משוב סטנדרטיים שעובדים עבור רוב היישומים. בין אלה ניתן למצוא טכומטרים, מקודדים אינקרמנטליים, מקודדים מוחלטים, רזולוברים, פוטנציומטרים אנלוגיים והול. בעוד שכל המכשירים שהוזכרו משתמשים ברכבות פולסים דיגיטליות ברמת TTL או באותות אנלוגיים, התקני משוב מוחלטים חדשים יותר מסוגלים לתקשר טורית. במקום פשוט לקרוא מתח או לספור פולסים, הכונן או הבקר חייבים לתקשר באופן פעיל עם התקן המשוב כדי לקבל חיווי דיגיטלי של מיקום הרוטור. עם מקודדים סינוסואידיים של 1Vpp, כמה יישומים בעלי דיוק גבוה משתמשים בטכניקות להשגת רזולוציות של למעלה מ-4 מיליון ספירות/מהפכה! עם זאת, הרזולוציה הניתנת להשגה בעומס תלויה במידה רבה בהצמדות מכניות ובתוכניות משוב מתקדמות כגון משוב כפול לולאה.

ראה כיצד כל החלקים מתחברים יחד בסקירת בקרת תנועה