在机控制

发布时间：2010-04-06 作者：C.G. Masi

　　对恶劣环境的适应能力增强，使得在机控制有了更多应用。

　　把机械控制设备安装在机械上不是一个新主意。机械控制系统曾经一度都安装在它们所控制的机械上。当时必须如此，因为控制通过机械方式实现。而电动机械的手动控制至今都安装在机械上以方便操作员操作，我们也找不到理由不这样做。
　　对于自动化工业机械，特别是数控金属成形设备，60年代开始出现了把控制设备从危险的机械环境（如切割头以及其他快速移动机械周围）中移开。后来，由于电子控制技术的逐渐成熟，机械设计师们延续了把控制设备从机械上移到分离控制箱里的趋势，以保护控制设备不受极端温度、灰尘、流体等的破环。
　　“在机控制在控制市场中有自己的份额，” 倍福自动化的总裁Graham Harris说，“这种把控制设备移到机械上以减少甚至舍弃控制柜及其接线的概念已经有很多年了。然而受限于IP65/67防护等级外壳组件的设计技术，这个概念一直未能得到快速的发展。诸如电源、调制解调器和安全继电器等设备通常还无法达到这个防护等级。
　　IEC 60529标准中定义的IP等级将防护固体、灰尘、意外接触和液体的能力分级。其中，IP65定义为防尘，意味着能完全防止灰尘进入、完全防止直接接触以及水的溅射。IP67与之类似，而且能适用于1m的水下。　　

　　紧凑型IP67等级的机柜，使得在机器上加载控制电子设备成为可能。来源：安川电机

　　如今，倍福和其它一些自动化供应商开始逆转这个趋势，它们通过坚固耐用的电子封装，将控制设备移回机器上。于是，系统集成商成了最大的获益群，因为这样可以减少大量的电缆长度，并将原先像意大利面一样交叉环绕的线团整理顺畅。
　　举个例子，西门子能源与自动化集团的ET 200pro CPU，就是一款具有IP65/67防护等级的、能在机运行的控制器，能被安装在直接接受冲洗的环境下而不需要额外的保护措施，它还能在零下25℃到55℃的环境下工作。另一个近期研发的产品，丹佛斯驱动的FCD Qdrive驱动解决方案，是一个完全满足IP66/NEMA 4X防护等级的方案，可以安装在墙面、导轨等任何位置，或直接安装在电机的顶上。
　　博世力士乐正在致力于将驱动装置集成于电机上的研究，该公司的IndraDrive Mi把伺服电动机和驱动装置结合在一起。得益于细致的散热设计，他们成功地将一个电子封装的全封闭驱动装置直接安装于电机外壳之上。驱动装置运行产生的热量通过热传导系统传导到电机外壳，与此同时，热量也可通过装置顶部的散热器直接散发到空气中。　　

　　得益于细致的散热管理，驱动装置可以直接加载到伺服电机外壳上，这样极大的简化了系统布线。
而环形电源和控制电缆也进一步减少了电线。来源：博世力士乐

　　驱动装置安装在电机上之后就自然而然地成为了机器的一部分，也大大地减少了接线。同时，IndraDrive Mi通过防水连接器将电机一个个串接到电源和控制器上，此举既减少了铜的损耗，也降低了系统的复杂程度，并使整个装置彻底地防尘防水。
　　

将电子控制设备直接安装到机械设备上会使它们暴露在冲击和震动之下。
而增加橡胶保护圈是解决问题的方案之一。

　　优势和劣势
　　“在机控制器与常规控制柜内的控制器最大的区别在于它们的环境防护等级，” 西门子能源与自动化集团的PLC市场经理Jim Wilmot说，“直接安装在机器上的模块必须增加额外的液体喷射保护和能适应更大的温度范围。此外，如果这些在机控制器是分布式控制系统的一部分，它们同样需要具有简单快速连接到网络的能力。”
　　安川电机美国公司的驱动产品市场主管Mike Massie将在机控制的优势归结如下：接线更少，成本更低，由于更短的接线距离而减少的EMI/RFI屏蔽，以及更简单的设备维护。
　　“一个最大的好处是减少了投资，” Wilmot说，“使用在机控制方式就不用安装控制柜了。”
　　“在机控制最常见的应用在于远程I/O方面。”倍福的Harris指出。在大型的机械上，可以将I/O模块安置在传感器和执行器附近来节省接线，再通过网络电缆连接到主控制器。
　　“在传统的PLC市场，”他继续说，“最初采用在机控制技术的是自带一定数量I/O的小型控制器，以及具有少量扩展能力以及低能耗的控制器。然而，这类只需要小控制系统的机械本身对减少接线的需求并不高。
　　Wilmot说：“达到IP65/67防护等级的控制器能在恶劣的、直接受冲洗的环境下工作而不需要控制柜，其中的多数亦能在更大的温度范围内工作。它们通常也能简单地通过以太网连接入网，因此再也不存在必须将控制器集中安置在一个地方的约束了。
　　取消分离的控制柜同时也解放了工程师们，因为从此，系统规划可以更加的灵活。对于更大的控制系统，负责对厂内众多单独物理区域的控制，如果使用分布式的在机控制器进行组态、试运行、诊断以及对各个区域的分别控制，就能更快的完成这些工作。
　　安川的Massie指出，更强烈的震动、冲击以及更高的温度会降低在机控制的可靠性。IP65/67防护等级可能无法完全达到要求。保护外壳还需要安装缓冲装置。
　　“把控制装置直接安装在机器上的一个缺点是，即使你不需要柜子来放置设备，但还是要小心把设备放置到不易损坏的地方。” Wilmot指出。叉车的意外碰撞和员工将控制器外壳当作阶梯使用都有可能会破坏这些就地安装的控制器。
　　“你可以在就地安装的设备周围设置保护，”他继续说，“不过这会使在机设备的成本优势减少。”
　　另一个缺点是如果在机控制器只是柜装大控制系统的一小部分，那么它的与众不同会使之成为额外的麻烦。这会使在机控制的成本优势减少，同时也会降低它在维护和维修方面的优势。　　

取消用于装载控制电子设备的独立机柜，也减小了机器尺寸。在机器上加载控制电子
设备还可以提高可维护性。图片来源：西门子能源与自动化

　　维护问题
　　“对于ET 200pro CPU，” 西门子的Wilmot说，“通过一个RJ45以太网连接端口与远程编程设备实现通信，就地维护就能变得非常简便。”
　　软件的维护可以简单到：移开防水外壳，插入编程设备，结束。而如果就地安装的控制器能通过本地局域网络连接到处于安全网络中的编程设备，你甚至从不用到现场去，就能完成工作。
　　“由于在机控制器需要不断抵抗震动和温度的增加，它们的可靠性可能比不上柜内控制器，”马西说，“但是它们的维护通常要方便得多。”
　　在维护方面，在机控制的另一个优势是其更能适应环境的完善的用户界面组件。由于开关、显示和封装技术的改进，轻巧的全能显示器，紧凑的面板或其他器件都能安装在机械设备上，为维护或操作所用。例如，博世力士乐的IndraControl VCH就包含了一个三步作用按钮、一个三圈停止按钮以及一个3.8英寸的图像显示器。
　　这些技术上的改变加速了在机控制的发展。但这会使柜装的PLC和电机驱动系统退出市场吗？也许有这个可能，但是预言任何形态的消亡都是很危险的。现在，让我们着眼不远的未来，我们将会进行前所未有的方向选择。