Сетевые контроллеры для управления техническим оборудованием

При разработке автоматизированного технологического оборудования приходится решать задачу размещения электронных средств управления. При этом к силовым реле, муфтам, клапанам и другим исполнительным электромеханизмам зачастую приходится прокладывать силовые кабели. При значительных протяженностях силовых интерфейсов растет их сопротивление, индуктивность и емкость, что накладывает ограничения на частоту изменения управляющего воздействия, так как при высоких частотах управляющие токи в фазах шагового двигателя не успевают достигать номинальных величин. Это ведет к потере тягового усилия, скорости перемещения. Данную проблему можно решить созданием сетевых систем управления, в которых автономные контроллеры управления размещаются вблизи или прямо в конструкциях электромеханических механизмов и с верхним уровнем управления связаны логическими интерфейсами (рис. 1).

Рис. 1. Архитектура сетевой системы управления: СК — сетевой контроллер, ИЭ — исполнительный элемент (клапан, силовое реле, двигатель и др.)

Выбор сетевого контроллера

Для управления шаговыми двигателями в технологическом оборудовании микроэлектроники разработан ряд контроллеров, имеющих характеристики, указанные в таблице 1.

Дополнительные характеристики контроллера PCI-8102:

• 30 каналов аналогового ввода;
• гальваническая изоляция 2500 В;
• по 16 каналов дискретного ввода и вывода;
• коммутируемый ток 20 мА;
• коммутируемое напряжение 30 В.

Важно понимать, что на структурном уровне управление шаговыми двигателями обычно состоит из:

• логической части, обеспечивающей обмен с устройством управления верхнего уровня (например, ПК) и формирование закона движения (например, T- или S-профиль скорости);
• силовой части, обеспечивающей подачу токов в обмотки ШД.

Обычно эти две части разграничены интерфейсом STEP, DIR, представляющим собой две линии дискретного вывода: например, смена состояния из «0» в «1» на линии STEP означает «выполнить шаг», а состояние линии DIR в этот момент определяет направление движения («+» или «–»). В качестве логической части из готовых решений на рынке можно применить, например, PCI-8102. В качестве силовой части из готовых решений на рынке можно использовать TA8435, SMD-1.8 или PSD6056-2p 2-Phase Electric Stepper Motor. Обе части интегрированы в OSM-17RA. Особенностью применения кон- троллеров в современных условиях является то, что при реализации новых проектов зачастую необходимо вносить изменения в программное обеспечение (ПО) нижнего уровня. Например, после выхода шагового двигателя на участок линейной скорости необходимо выдать на отдельную линию дискретного вывода определенное количество импульсов с определенной частотой. Очевидно, что приведенный пример требует синхронизации с процессом движения, и его проще реализовать тем же контроллером, что управляет движением ШД.

Рис. 2. Линейка контроллеров сетевых систем управления:
слева — MSCD-64D — контроллер микрошаговый двухфазный двухосный;
по центру —  MSDC-256 — контроллер микрошаговый двухфазный;
справа — CSTL-035 — контроллер периферийных устройств

Однако все производители в мире предпочитают отдавать только то ПО (драйверы), которое управляет их контроллером, и не рассматривают возможность модификации ПО нижнего уровня самим потребителем. И вариант No 5 здесь не исключение. При изменении ПО нижнего уровня изделие из серийного превращается в единичное с увеличением стоимости.

Рис. 3. Селектор адреса

Поэтому, используя свой контроллер, можно обеспечить бoльшую гибкость за счет использования собственных интеллектуальных ресурсов при разработке ПО нижнего уровня. В ОАО «КБТЭМ-ОМО» разработана линейка контроллеров для управления шаговыми двигателями (рис. 2). Контроллер микрошаговый двухфазный двухосного привода MSCD-64D показан на рис. 3, а технические характеристики контроллеров приведены в таблице 2.

Применение контроллеров в авитоматизированном оборудовании

Рассматриваемая линейка контроллеров сетевых систем управления успешно применяется в ОАО «КБТЭМ-ОМО» в установках:

• Автоматизированного контроля дефектности пластин и шаблонов ЭМ-6015М (рис. 4). Данная установка предназначена для автоматизированного обнаружения дефектов и загрязнений на поверхности фотошаблонов, в том числе защищенных с двух сторон пелликлами. Контроль проводится с использованием комбинаций режимов освещения: светлое и темное поле отраженного и проходящего света. Сетевая система управления обеспечивает программное управление работой установки, возможность программирования пользователем маршрута контроля, программную обработку данных о дефектах (изображение, координаты, размеры) с сохранением в базе данных, автофокусировку и ввод с touch-screen дисплея.
  
  

  Рис. 4. Установка автоматизированного контроля дефектности пластин и шаблонов ЭМ-6015М

• Автоматизированного контроля микроразмеров ЭМ-6239 (рис. 5). Эта установка предназначена для измерения критических размеров (до 0,5 мк) и оценку размеров (до 0,35 мкм) в ультрафиолетовом диапазоне 365 нм (i-линия) на фотошаблонах, защищенных пелликлами с обеих сторон на рамке высотой до 6,5 мм.
  
  

  Рис. 5. Установка автоматизированного контроля микроразмеров ЭМ-6239

• Формирования знаков совмещения на нижнюю сторону пластины ЭМ-5186 (рис. 6). Установка позволяет изготавливать пластины с двухсторонней литографией на традиционном фотолитографическом оборудовании, а также формировать знаки на прозрачных подложках при изготовлении гибридных, оптических и оптоэлектронных приборов, МЭМС и МОЭМС.
  
  

  Рис. 6. Установка формирования знаков совмещения на нижнюю сторону пластины ЭМ-5186

Разработанная линейка контроллеров обладает следующими достоинствами:

• компактность расположения внутри механических узлов рядом с исполнительными элементами (двигателями);
• помехозащищенный интерфейс связи RS-485, обеспечивающий двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов, работу с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, большую длину линии связи, достаточно высокую скорость передачи;
• низкое энергопотребление за счет режима импульсного управления токами в обмотках шагового двигателя и режимов пониженного тока в моменты позиционирования.