Servoregelaars centraal in motion control
Systemen worden sneller, nauwkeuriger, goedkoper en compacter
Een servoregelaar bestuurt de beweging van een servomotor (ook lineaire en direct-drive-motoren) door snelheid, positie en koppel zeer precies te regelen. Hij vormt hiermee het hart van elke geavanceerde aandrijftoepassing en draagt zo bij aan een snelle, foutloze productie én duurzaamheid in het productieproces. Trends met betrekking tot sensoren, rekenkracht en AI maken steeds nauwkeuriger en snellere toepassingen mogelijk én leveren een bijdrage aan een kleinere ecologische voetafdruk en voorspellend onderhoud.
Nauwkeurige, dynamische en gecoördineerde bewegingen
De werking van een servoregelaar berust op het vergelijken van een bepaald setpointsignaal, zoals een gewenste positie, snelheid of koppel, met de huidige werkelijke waarde van de motor. Deze werkelijke waarde wordt gedetecteerd door sensoren zoals encoders of resolvers.
Vervolgens berekent de regelaar het verschil tussen deze waarden, de zogenaamde regelfout, en verwerkt deze met behulp van een regelalgoritme. Op basis hiervan genereert hij een regelsignaal dat de motor aanstuurt met het oog op minimalisering van de afwijking. Dit regelproces verloopt continu waardoor de motor dynamisch en nauwkeurig kan reageren op veranderingen.
Door deze eigenschappen zijn servoregelaars te vinden in alle toepassingen waar nauwkeurige, dynamische en gecoördineerde bewegingen nodig zijn. Denk hierbij aan verpakkings-, textiel- en drukmachines, robotsystemen of transportsystemen, maar ook CNC-machines of camerastabilisatiesystemen.
Meerassige motion control
Enkelvoudig of meervoudig nauwkeurig? De vraag naar dynamische, synchroon lopende bewegingen – meerassige motion control – neemt toe. Met behulp van elektronische CAM’s en gearing is het mogelijk synchronisaties die voorheen mechanisch werden uitgevoerd nu zowel nauwkeurig als flexibel met elektrische servosystemen uit te voeren.
Dat biedt voordelen. Door synchrone bewegingen zijn productieprocessen immers te versnellen en takttijden te verkorten. Door de integratie van meerdere assen in één systeem wordt de energievoorziening bovendien efficiënter wat onder meer de ecologische voetafdruk verkleint. Ook in complexe mechatronische systemen wordt steeds meer gebruik gemaakt van MIMO (Multiple Input Multiple Output)-servoregelingen wat meer vrijheid biedt in het ontwerp van de machine.
Met behulp van elektronische CAM’s en gearing is het mogelijk synchronisaties die voorheen mechanisch werden uitgevoerd nu zowel nauwkeurig als flexibel met elektrische servosystemen uit te voeren
Deze trend vraagt echter wel het nodige van de servoregelaar waaronder een hoge verwerkingssnelheid, nauwkeurige feedbackverwerking, realtime communicatie, flexibele motionbibliotheken voor CAM-profielen, electronic gearing, events en sequentiële bewegingen en stabiele tuning.
Brede systeemarchitecturen
Servoregelaars passen daarbij naadloos in bredere systeemarchitecturen. De componenten zijn hierin allang geen 'black box' meer, maar steeds vaker een strategisch onderdeel van de totale systeemarchitectuur. Zij vormen als het ware de interface tussen de machinebesturing en het mechaniek, vertalen digitale commando’s naar spanning en stroom en beschikken bij een decentrale besturingsarchitectuur bovendien over een vorm van intelligentie.
Bijvoorbeeld een motion-controlsysteem, de motionprofielgeneratie, flexibele programmeermogelijkheid (PLC-functies), veiligheidsfuncties, IO-opties en eventueel een bussysteem voor externe communicatie zoals CANOpen, ProfiNet, Ethernet en VARAN.
Bij een decentrale aansturing draaien bewegingsfuncties lokaal in de regelaar terwijl de centrale PLC zich focust op proceslogica. Dit leidt tot snellere en modulair opgebouwde machines. Bij een centrale besturingsarchitectuur beschikt de servoregelaar vaak over minder intelligentie maar voorziet wel in de benodigde veiligheidsfuncties en een aantal IO-kanalen.
Veiligheidsfuncties
De huidige generatie servoregelaars kent een groot aantal veiligheidsfuncties. Hieronder een overzicht. De eisen van de eindgebruiker volgen vaak vanuit een risicoanalyse vanuit de Machinerichtlijn.
Moderne servoregelaars bevatten geïntegreerde basisfuncties zoals:
- Safe Torque Off (STO)
- Safe Stop (SS1/SS2)
- Safe Brake Control (SBC); niet bij iedereen standaard beschikbaar; soms ook als speciale optie.
Geavanceerde machineveiligheidsfuncties die ook een veiligheidsfunctie in de servomotoren vereisen zoals:
- Safe Operating Stop (SOS)
- Safely Limited Speed (SLS)
- Safe Speed Monitoring (SSM)
- Safe Direction (SDI)
- Safe Limited increment (SLI)
- Safe CAM (SCA)
- Safe Limited Acceleration (SLA)
Eindgebruikers eisen korte herstarttijden, minimale stilstand bij veiligheidsstops en integratie in hun bestaande veiligheidsconcept.
De motionprofielgeneratie is in dat geval ondergebracht in de centrale besturing terwijl de aansturing zelf via een softmotionsysteem verloopt dat vanuit de centrale besturing communiceert. Dit gebeurt via Ethernet-gebaseerde veldbussen en open communicatiestandaarden. Deze vorm bevordert schaalbaarheid en modulariteit maar ondersteunt ook bij het ontwerpen, de inbedrijfstelling en het onderhoud van machines.
In beide gevallen is een steeds belangrijker aspect de cybersecurity. De juiste strategie moet manipulatie en ongewenste toegang voorkomen wat in de huidige tijd een cruciale factor is om downtime te voorkomen en de beschikbaarheid van installaties te waarborgen.
Smart Industry
Bijzondere aandacht is er voor Smart Industry of Industrie 4.0 waar de integratie van Industrial Internet of Things (IIoT) centraal staat. Ontwikkelingen op dit vlak worden ondersteund door verschillende sensoren en de huidige intelligentie. Hiermee is de regelkwaliteit van servoregelaars te verbeteren en zelfs nieuwe functies te vervullen waaronder een adaptieve lastregeling.
De moderne servoregelaar is dan ook uitermate geschikt om toegepast te worden binnen het Industrie 4.0-concept. Door middel van moderne bussystemen is de regelaar digitaal verbonden met de centrale besturing. Via deze verbindingen kunnen gegevens zoals belasting, temperatuur en prestaties in real time worden uitgelezen.
Deze informatie is waardevol voor operators en onderhoudsteams om onderhoud beter te plannen en de beschikbaarheid van machines te verbeteren (OEE-analyses). Ook is het in te zetten voor condition monitoring en remote updates en configuraties. Daarnaast kunnen de gegevens worden ingezet voor analyse op systeemniveau, bijvoorbeeld via edge computing of cloudplatforms.
Een ander hoogtepunt is de inzet van servoregelaars voor het verbeteren van de engineeringefficiëntie: met functies zoals het Auto-Tuning van de regelcascade en specifieke softwaremodules zijn machines sneller te ontwikkelen en in bedrijf te nemen. Dit kan de Time-to-Market aanzienlijk verkorten.
Trends en ontwikkelingen
Zoals één van de respondenten aangaf: "Ik zit al 30 jaar in het vakgebied en ontwikkelingen gaan maar door: systemen worden sneller, nauwkeuriger, goedkoper en compacter. Bovendien intelligenter waardoor ze eenvoudiger in bedrijf zijn te stellen (zelflerend) en in complexe systemen te integreren."
Deze bevinding is inderdaad terug te vinden in een groot aantal trends en ontwikkelingen. De nieuwste technische innovaties richten zich op betere prestaties (dynamisch gedrag, nauwkeurigheid etc.), meer flexibiliteit en slimme functionaliteiten.
Voorbeelden hiervan zijn: snellere communicatieprotocollen tussen de motion controller en de servoregelaar, geïntegreerde veiligheidsfuncties (zie ook kader) en hogere PWM-schakelfrequenties van de eindtrap waardoor er onder andere een betere stroomregeling mogelijk is. Ook de functies voor voorspellend onderhoud zijn onder het kopje ‘slim’ te scharen; hieronder vallen thermische modellen en trillingsanalyse in de drive.
Veel 'prestatieverbeteringen' berusten op de toenemende rekenkracht en de eigen intelligentie (geïntegreerde motion control). De regelaar kan hierdoor zelf sneller beslissingen nemen en reduceert bovendien de afhankelijkheid van de centrale besturing. Programmeerbare varianten zijn – bij kleinere applicaties – soms zelfs standalone in te zetten zonder centrale besturing; dit biedt onder meer voordelen bij tijdkritische toepassingen.
Verder is er een trend naar het steeds compacter maken van de regelaars waarmee een hogere vermogensdichtheid ontstaat. Daarnaast de mogelijkheid om hogeresolutie absolute feedback encoders toe te passen; een one-cablesolution waarbij de motor power en de feedback door 1 kabel gaan. Tevens wordt hard realtime communicatie genoemd voor een goede integratie met PLC's en HMI's.
Toekomst
In de toekomst wordt een verdere integratie van regelaars en motoren verwacht. Nu al zijn motoren 'slim' door een digitale encoder die alle informatie van de betreffende motor bevat. In het kader van intelligentie noemt ook praktisch iedereen de toename van het gebruik van AI voor machine- en procesoptimalisatie.
Maar ook voor gebruik bij de ontwikkeling van software waarmee de regelaars in bedrijf zijn te nemen; moeilijk programmeren is bijna nergens meer nodig. Intelligentie wordt tevens ingezet voor kostenverlaging met betrekking tot onderhoud, energiegebruik en duurzaamheid. Hiervoor worden de data uit de regelaar geanalyseerd en volgens diverse algoritmes omgezet naar de benodigde informatie. Zo is hiermee bijvoorbeeld vast te stellen dat de belasting van een aandrijving in de loop der tijd toeneemt terwijl de applicatie gelijk blijft. Dit kan duiden op onvoldoende smering of slijtage.
Tot slot wordt ook de inzet van een zogenaamde digital twin genoemd als belangrijk toekomstperspectief. Met deze digitale kopie van de werkelijkheid is de werking van een machine te simuleren en te optimaliseren voordat er ook nog maar één component is ingekocht of bewerkt. Ook servoregelaars passen in deze digitale modellen en zijn zo af te stemmen op de beoogde applicatie.
Een belangrijke eindconclusie is dat niet alleen de prestaties van servoregelaars in de afgelopen jaren zijn verbeterd door onder meer een grotere rekencapaciteit en AI. Ook zijn de gegevens die de regelaar verzamelt in te zetten voor hogere doeleinden waaronder procesoptimalisatie, duurzaamheid (minder energie- en grondstofverbruik) en voorspellend onderhoud.
Met medewerking van ATB Automation, Festo, Lenze, Nidec, Parker, Schneider, SEW, Siemens, SigmaControl en VarioDrive
