Utiliser des systèmes DAQ pour atteindre une précision haute vitesse dans le contrôle de mouvement industriel

Les systèmes industriels modernes, tels que les robots et les convoyeurs automatisés, s'appuient sur des données synchronisées et haute vitesse pour optimiser les performances, améliorer le rendement et faciliter la maintenance prédictive. Cependant, la capture et la coordination des données de position et de mouvement avec une précision de l'ordre de la milliseconde représentent un défi de taille. Les systèmes d'acquisition de données (DAQ) standard ne disposent souvent pas des fonctions spécialisées nécessaires pour interfacer avec précision avec les temporisateurs et les codeurs en temps réel, ce qui peut compromettre la fiabilité du système et détériorer les performances.

Cet article décrit les exigences liées à la mise en œuvre de mesures de temporisation et de position haute vitesse dans les applications industrielles exigeantes. Il présente ensuite un module de compteur/temporisateur codeur d'Advantech et montre comment ses multiples modes de codeur et ses quatre canaux haute vitesse peuvent être utilisés pour relever des défis de synchronisation complexes dans les applications de robotique et de contrôle de mouvement. Une configuration système typique, ainsi que des outils logiciels compatibles, offrent un chemin clair pour l'intégration.

Importance d'un mouvement et d'une temporisation de précision dans les processus industriels

Les systèmes industriels modernes reposent sur des mouvements complexes et séquencés, où la coordination est cruciale. Imaginez un bras robotisé chargé de prélever des composants sur un convoyeur en mouvement. Pour que le système fonctionne, le mouvement du robot doit être synchronisé avec la vitesse et la position du convoyeur. Cela implique la capture et la coordination de données provenant de plusieurs sources avec une précision de l'ordre de la milliseconde, une exigence technique complexe.

Un système DAQ joue un rôle central dans la résolution de ce problème. Le système capture les données de codeur du moteur d'entraînement du convoyeur et des articulations du bras robotisé, et synchronise ces mesures sur plusieurs canaux afin de calculer le moment exact de l'interception.

À mesure que la vitesse du convoyeur augmente pour accélérer le débit, le système DAQ doit échantillonner les données de position et de temporisation rapidement pour éviter les erreurs. Une lecture de capteur retardée ou manquée peut entraîner des opérations désynchronisées, voire des collisions entre les composants mécaniques, se traduisant par des temps d'arrêt imprévus et une perte de productivité.

Les systèmes DAQ de précision prennent également en charge la maintenance prédictive. Par exemple, des anomalies de vitesse ou des erreurs de position peuvent indiquer des problèmes tels que des roulements usés ou une courroie qui patine. En analysant ces signaux, les concepteurs peuvent identifier les défaillances potentielles avant qu'elles ne perturbent les opérations.

Exigences DAQ haute vitesse

Pour répondre aux besoins de ce type d'application, un système DAQ doit présenter plusieurs caractéristiques de performances exigeantes :

• Échantillonnage à haute vitesse et haute résolution : La capture de détails de mouvement fins, tels que des changements de position submillimétriques, exige à la fois des fréquences d'échantillonnage élevées et une résolution précise. L'échantillonnage dans la gamme des mégahertz (MHz) garantit qu'aucun événement critique n'est manqué, même dans les environnements haute vitesse.
• Échantillonnage multicanal simultané : Pour coordonner un bras robotisé et un convoyeur, leurs données de position et de temporisation respectives doivent être capturées simultanément, et non séquentiellement. Tenter de corréler des flux de données capturés séquentiellement peut entraîner des erreurs, où un article incorrect est sélectionné ou omis complètement.
• Prise en charge flexible des codeurs : Les systèmes industriels utilisent souvent des composants de différents fournisseurs, résultant en un mélange de types de signaux de codeurs. Un système DAQ doit prendre en charge un large éventail de modes de codeur pour éliminer le recours à une logique d'interface supplémentaire.
• Robustesse : Les dispositifs électroniques sont exposés aux interférences électromagnétiques, aux vibrations et à la chaleur dans les environnements industriels. Le matériel DAQ doit être spécifié pour un fonctionnement fiable dans de telles conditions afin d'éviter toute défaillance des systèmes.
• Évolutivité : Le système DAQ doit être modulaire, afin que les concepteurs puissent facilement l'étendre en ajoutant des canaux supplémentaires ou différents types d'entrées. Cela permet l'intégration de nouveaux robots, capteurs et lignes de production à mesure que l'automatisation de l'usine progresse.

Répondre à ces diverses exigences représente un défi de conception important. Bien que de nombreux systèmes DAQ soient bien adaptés à la capture de données à usage général, les applications impliquant un mouvement synchronisé haute vitesse requièrent du matériel spécialisé.

Mesure avancée de position et de temporisation pour les systèmes de contrôle de mouvement

Le module de compteur/temporisateur codeur haute précision iDAQ-784 (Figure 1) d'Advantech est spécialement conçu pour répondre à ces exigences. Ce module comporte quatre canaux de codeur 32 bits à usage général qui prennent en charge les mesures de position et de temporisation synchrones dans un système industriel. Il accepte une fréquence d'entrée maximum de 10 MHz pour une temporisation précise des signaux de codeur.

Figure 1 : Le module de compteur/temporisateur codeur iDAQ-784 permet l'acquisition simultanée de données sur quatre canaux 32 bits pour des applications de mouvement industriel complexes. (Source de l'image : Advantech)

Le filtrage numérique intégré permet au module iDAQ-784 d'offrir une clarté de signal et une précision de mesure améliorées. Cela permet une caractérisation système de haute précision pour des applications d'automatisation avancées telles que la robotique industrielle, le contrôle de mouvement et les systèmes de convoyeurs haute vitesse.

Modes d'entrée, de mesure et de sortie des codeurs

L'iDAQ-784 prend en charge plusieurs types de signaux d'entrée et modes de mesure, répondant à diverses exigences de contrôle de mouvement industriel. Chacun des quatre canaux de compteur accepte les entrées asymétriques et différentielles, avec une plage de mode commun de ±15 VCC. Le module accepte trois types de codeurs standard pour la mesure de position :

• Quadrature (phase A/B) : Deux canaux déphasés (A et B) sont utilisés pour déterminer à la fois la position et la direction. Le codage spécifique (X1, X2 ou X4) détermine la résolution en comptant les fronts montants et/ou descendants, X4 fournissant quatre fois la résolution de X1.
• Deux impulsions (CW/CCW) : Des lignes d'entrée séparées sont utilisées pour les impulsions dans le sens horaire (CW) et antihoraire (CCW). Le compteur incrémente sur les impulsions CW et décrémente sur les impulsions CCW.
• Direction de l'impulsion (impulsion avec signe) : Un signal est utilisé pour les impulsions et un deuxième signal indique la direction. Le compteur incrémente ou décrémente en fonction de l'état du signal de direction.

Chaque entrée de codeur peut être câblée en mode asymétrique ou différentiel, et une entrée de signal Z est disponible pour la réinitialisation de position. Chaque canal de compteur prend également en charge plusieurs modes fonctionnels pour la temporisation et la génération d'impulsions :

• Comptage d'événements : compte les fronts montants ou descendants d'un signal d'entrée, optionnellement transmis par porte
• Mesure de fréquence : mesure la fréquence du signal à l'aide de méthodes d'inversion de période ou de comptage d'impulsions
• Mesure de largeur d'impulsion : mesure la durée des états haut et bas d'un signal numérique
• Mesure de position : suit la position du codeur à l'aide des modes d'entrée pris en charge ci-dessus
• Comparaison continue (comparaison de position) : déclenche une impulsion de sortie ou une interruption lorsqu'un seuil de position est atteint
• Non récurrent (génération d'impulsion retardée) : génère une seule impulsion après une impulsion de déblocage et un délai spécifié
• Temporisateur/génération d'impulsions : génère un train d'impulsions continu avec prise en charge des interruptions
• Modulation de largeur d'impulsion (PWM) : génère une forme d'onde avec des durées haut et bas programmables ; prend en charge la génération finie ou continue

Ce large éventail de modes garantit la compatibilité avec les différents dispositifs fréquemment utilisés dans les systèmes industriels.

Modules conçus pour les environnements industriels

L'iDAQ-784 et l'écosystème associé sont conçus pour fournir des performances fiables dans les environnements industriels exigeants. Le module est répertorié pour une large plage de températures de fonctionnement de –40°C à +70°C et jusqu'à 90 % d'humidité relative (sans condensation).

Le module est également conçu pour contrer le bruit électromagnétique fréquent dans les environnements industriels. Il intègre un filtrage numérique pour améliorer la clarté des signaux, et chaque canal prend en charge les entrées de signaux différentiels pour une excellente réjection du bruit de mode commun.

Cette philosophie de conception s'étend aux accessoires de l'écosystème, avec des conceptions renforcées conformes aux normes de rails DIN pour une installation sécurisée dans les armoires industrielles. Cette combinaison de robustesse environnementale, d'immunité au bruit et d'intégration physique renforcée permet une caractérisation système de haute précision pour les applications d'automatisation avancées.

Créer un système DAQ haute vitesse et haute précision

La première étape de construction d'un système DAQ consiste à connecter physiquement les capteurs. Ce processus commence par la connexion des fils des capteurs à un bloc de jonction. Le module d'interface ADAM-3937-BE (Figure 2) d'Advantech est une solution prête à l'emploi à cet effet. Ce bloc à 37 positions est conçu pour le montage sur rail DIN et mesure 87,2 mm × 112,5 mm × 51 mm pour l'intégration aisée avec l'infrastructure industrielle compatible DB37 standard.

Figure 2 : Le panneau de câblage sur rail DIN ADAM-3937-BE offre une solution d'interface universelle pour le matériel compatible DB37. (Source de l'image : Advantech)

Depuis ce bloc de jonction, les signaux peuvent être routés vers l'iDAQ-784 via un assemblage de câble tel que le PCL-10137-1E (Figure 3). Ce câble D-sub à 37 broches de 1 mètre est équipé de vis de serrage pour une connexion robuste. La construction à double blindage à feuille en aluminium/mylar et cuivre tressé garantit l'intégrité des signaux dans les environnements électromagnétiquement bruyants, typiques des applications de mouvement industriel. Des variantes plus longues sont également disponibles.

Figure 3 : L'assemblage de câble PCL-10137-1E est équipé de connecteurs D-sub à 37 broches mâles pour l'interface avec l'iDAQ-784. (Source de l'image : Advantech)

L'écosystème modulaire iDAQ comprend une gamme diversifiée de blocs de jonction et de modules E/S spécialisés, permettant aux concepteurs de construire un système DAQ robuste et évolutif adapté à leurs besoins spécifiques.

Outils logiciels iDAQ

Une fois le matériel assemblé, le système iDAQ doit être programmé à l'aide du kit de développement logiciel DAQNavi (Figure 4), un environnement de développement gratuit. DAQNavi comprend un utilitaire appelé Advantech Navigator, qui permet aux concepteurs de configurer et de tester le fonctionnement des dispositifs iDAQ sans aucune programmation. Il peut également être utilisé pour la simulation de dispositifs, permettant aux concepteurs de programmer et d'exécuter des applications sans périphérique DAQ physique pour un développement système flexible.

Figure 4 : L'environnement logiciel gratuit DAQNavi est utilisé avec le système iDAQ. (Source de l'image : Advantech)

DAQNavi prend en charge les systèmes hôtes exécutant les systèmes d'exploitation Windows 32 et 64 bits, ainsi que plusieurs distributions Linux populaires. Comme les fonctions API restent identiques sur les deux plateformes, la migration ne nécessite aucune modification du programme, ce qui garantit une intégration pérenne. DAQNavi est compatible avec de nombreux langages de programmation fréquemment utilisés, y compris C#, C++, Visual Basic, Java, MATLAB et LabVIEW, afin de faciliter son adoption par les utilisateurs.

Conclusion

Une temporisation et une synchronisation précises sont essentielles pour les opérations robotiques et industrielles avancées, permettant l'optimisation des processus tout en maximisant la disponibilité des équipements et le rendement de production. Le module iDAQ-784 d'Advantech, ainsi que l'écosystème iDAQ complet, offrent une solution robuste et évolutive pour répondre à ces exigences de hautes performances.