Precyzyjne i niezawodne sterowanie ciężkim sprzętem przemysłowym w trudnych warunkach środowiskowych

Projektanci ciężkiego sprzętu budowlanego, przemysłowego, zrobotyzowanego, morskiego i lotniczego poszerzają jego funkcjonalność, jednocześnie szukając sposobów na wdrożenie coraz bardziej precyzyjnej kontroli delikatnych operacji i ruchów przy użyciu lekkich, kompaktowych systemów sterowania. Cele te muszą być realizowane również w wymagającym środowisku stanowiącym wyzwanie zarówno pod względem fizycznym, jak i elektrycznym.

Aby temu sprostać, projektanci muszą zapewnić precyzję, elastyczność kierunkową i wyczuwalne potwierdzenie w interfejsach użytkownika, konieczne do dokładnego sterowania, jak również wytrzymałość i niezawodność w ekstremalnych temperaturach oraz cyklach użytkowania.

Wprawdzie ekrany dotykowe są już powszechne, jednak brakuje im niezbędnego wyczuwalnego potwierdzenia i wytrzymałości. Ponadto klasyczne dżojstiki X/Y są zwykle zbyt nieporęczne oraz nie posiadają wystarczających opcji sygnalizacji i liczby osi potrzebnych do maksymalnego zakresu sterowania kierunkowego. Zamiast nich projektanci mogą stosować niskoprofilowe i wytrzymałe dżojstiki lub manipulatory kciukowe, które obecnie pozwalają uzyskać dokładniejszą kontrolę. Te małe urządzenia obsługiwane kciukiem lub palcami oferują łatwy dostęp do wielu sygnałów wejściowych, nawet w ciasnych miejscach.

W tym artykule omówiono krótko, dlaczego nowoczesny sprzęt przemysłowy i inny ciężki sprzęt wymaga bardziej precyzyjnych elementów sterujących oraz w jaki sposób niskoprofilowe manipulatory kciukowe rozwiązują określone problemy. Następnie dokonano przeglądu głównych kryteriów projektowych i wdrożeniowych, w tym doboru czujników, wytrzymałości oraz fizycznych i elektrycznych opcji projektowych. Jako przykłady wykorzystano niskoprofilowe manipulatory kciukowe firmy APEM Inc.

Bardziej zaawansowany sprzęt wymaga większej precyzji sterowania

Potrzeby w dziedzinie lepszej kontroli rosną z powodu dwóch głównych trendów: rosnącej złożoności wymagań w miejscu pracy i wdrożenia zaawansowanych technologii. Trendy te generują zapotrzebowanie nie tylko na bardziej precyzyjne, ale też bardziej złożone elementy sterujące, często z większą liczbą osi ruchu.

Aby to zilustrować, przyjrzyjmy się morskim suwnicom bramowym używanym do załadunku i rozładunku kontenerowców. Statki stają się coraz większe, dlatego suwnice muszą umożliwiać szybszą pracę, aby osiągnąć akceptowalny czas w porcie (co bezpośrednio przekłada się na zyski). Jednocześnie zaostrzone przepisy wymagają poprawy bezpieczeństwa pracy i wpływu na środowisko.

Całe środowisko portowe również przechodzi zmiany. Statki, pociągi, ciężarówki i inny sprzęt w tych portach został wyposażony w technologie wymagające precyzyjnej koordynacji. Na przykład pojazdy kierowane automatycznie (AGV) wykorzystywane do transportu ładunków w porcie wymagają ich precyzyjnego umieszczania.

Aby poradzić sobie z tymi czynnikami, hydrauliczne napędy suwnic zastąpiono elektrycznymi. Zwiększa to nie tylko szybkość i precyzję, ale także wszechstronność, umożliwiając bardziej złożone kombinacje ruchu poziomego, pionowego i obrotowego.

Dopasowanie elementów sterujących do możliwości sprzętu

Sterowanie coraz bardziej zaawansowanym sprzętem wymaga równie zaawansowanych wieloosiowych elementów sterujących zapewniających precyzję, niezawodność i łatwość obsługi.

Jedną z opcji są ekrany dotykowe. Są one łatwe w użyciu i mogą z łatwością obsługiwać wiele sygnałów wejściowych jednocześnie. Ekrany dotykowe są jednak czułe i podatne na przypadkowe dotknięcia. Brud, wilgoć i ekstremalne temperatury również mogą powodować nieprawidłowe działanie, ekranów dotykowych, które są również wrażliwe na uszkodzenia fizyczne i zakłócenia elektromagnetyczne. Co najważniejsze, nie oferują one wyczuwalnego potwierdzenia, dlatego nie nadają się do nie wymagającej patrzenia obsługi sprzętu ciężkiego.

Dżojstiki rozwiązują wiele z tych problemów. Zamontowanie dżojstika w konsoli podłokietnika lub skrzynce zawieszanej w pasie zapewnia wygodę i ergonomię sygnałów wejściowych. Dzięki odpowiedniej konstrukcji mogą one wytrzymać trudne warunki środowiskowe. Mogą również dostarczać operatorowi fizyczne informacje zwrotne, pozwalając mu na utrzymywanie koncentracji wzrokowej na obszarze roboczym.

Jednak tradycyjne dżojstiki mogą zajmować dużo miejsca w ciasnych przestrzeniach i odstawać, przez co są podatne na niezamierzone uruchomienie. Nawet gdy miejsca jest pod dostatkiem, dżojstiki wymagają od operatorów wykonywania stosunkowo dużych ruchów, co ogranicza ich precyzję.

Manipulatory kciukowe rozwiązują te problemy, dzięki zmniejszeniu dżojstika do bardziej poręcznych rozmiarów. Te niskoprofilowe urządzenia obsługiwane kciukiem lub palcem minimalizują ryzyko przypadkowego użycia. Pozwalają one uzyskać precyzyjne i płynne sygnały wejściowe oraz łatwą obsługę dwoma kciukami jednocześnie, co rozwiązuje problem wielu sygnałów wejściowych.

Niskoprofilowe dżojstiki szczególnie dobrze nadają się do stosowania w kontrolerach przenośnych, takich jak skrzynki zawieszane w pasie lub urządzenia ręczne. Jednak ze względu na zmniejszony rozmiar, ich stosowanie w ograniczonej przestrzeni zawsze przynosi korzyści.

Wybór odpowiedniego czujnika

Oczywiście nie wszystkie manipulatory kciukowe są sobie równe. Mogą one zawierać różne czujniki pozycji, np potencjometryczne (tj. rezystancyjne), indukcyjne, fotoelektryczne lub hallotronowe (tj. magnetyczne). Każdy z nich ma swoje wady i zalety:

• czujniki potencjometryczne są proste i niedrogie, ale ich żywotność jest ograniczona;
• czujniki indukcyjne są bardziej niezawodne, ale wrażliwe na zmiany temperatury i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI);
• czujniki fotoelektryczne są precyzyjne, ale podatne na kurz, wilgoć i uszkodzenia fizyczne;
• czujniki hallotronowe są dokładne i trwałe, ale ich działanie może być zakłócane przez silne pola magnetyczne.

Biorąc pod uwagę wszystkie te kompromisy, czujnik hallotronowy jest często najlepszym wyborem do precyzyjnego wykrywania w trudnych warunkach. Zastosowanie czujników hallotronowych działających przy standardowym napięciu 3,3 lub 5V prądu stałego (DC) w połączeniu z wytrzymałymi elementami mechanicznymi daje urządzenie, które może wytrzymać oczekiwany okres eksploatacji wynoszący 10 milionów cykli.

Czujniki hallotronowe zawierają cienki pasek materiału przewodzącego umieszczony między dwiema elektrodami (ilustracja 1). Gdy prąd (I) przepływa przez pasek, a pole magnetyczne (B) jest przyłożone prostopadle do niego, na pasku generowana jest różnica napięć (U_H). Ta różnica nazywana jest napięciem Halla, które jest proporcjonalne do siły i kierunku pola magnetycznego.

Ilustracja 1: napięcie Halla (U_H) jest generowane, gdy prąd (I) przepływa przez pasek przewodzący, a gęstość strumienia magnetycznego (B) jest prostopadła do paska. (Źródło ilustracji: Wikipedia)

Niektóre zalety czujników hallotronowych w porównaniu z innymi typami czujników w przemysłowych zastosowaniach dżojstików:

• działają bezkontaktowo i nie zużywają się z upływem czasu;
• są odporne na kurz, brud, wilgoć i drgania;
• umożliwiają pomiar przemieszczenia liniowego i kątowego z wysoką dokładnością i rozdzielczością;
• mogą być stosowane w szerokim zakresie temperatur i napięć;
• umożliwiają łatwą integrację z elektroniką cyfrową i mikrokontrolerami.

Czujniki hallotronowe są szczególnie praktyczne, ponieważ mogą wykrywać zarówno położenie, jak i kąt. Dlatego dobrze nadają się do stosowania w kontrolerach wieloosiowych, takich jak dżojstiki z elementami sterującymi w osiach X/Y, jak i w osi Z za pomocą środkowego przycisku.

Czujnik jest jednak tylko jednym z parametrów projektowych, które należy wziąć pod uwagę. Pomyślne wdrożenie hallotronowego manipulatora kciukowego wymaga starannego uwzględnienia szeregu parametrów fizycznych i elektrycznych.

Umieszczenie manipulatora kciukowego na panelu sterującym

Niekiedy manipulator kciukowy można zamontować w stałym chronionym miejscu, takim jak panel sterujący. Jednak częściej operatorzy muszą znajdować się blisko miejsca pracy, co ogranicza opcje stosowania manipulatorów do lokalizacji powodujących ich większe zużycie. Są to na przykład konsole, podłokietniki pojazdów, kasety sterownicze i skrzynki zawieszane w pasie.

Jeśli manipulator kciukowy jest używany w obudowie ręcznej, należy zadbać o jego ochronę przed uszkodzeniem w wyniku upadku. W celu zapewnienia jego długoterminowej niezawodności należy wdrożyć podstawowe środki ostrożności, takie jak zamontowanie go na najlżejszym końcu obudowy, aby nie uderzył o ziemię jako pierwszy, czy zabezpieczenie go osłoną.

Pojazdy to kolejne ryzykowne miejsce. Elementy sterujące na pokładzie przechylającego się statku lub pojazdu mogą zostać nierozważnie użyte jako uchwyt, dlatego aby uniknąć potencjalnie niebezpiecznego przypadkowego użycia manipulatory kciukowe powinny mieć minimalną możliwą wysokość.

W każdej z tych sytuacji manipulatory kciukowe powinny wystawać nie więcej niż około 50mm (2 cale) ponad powierzchnię panelu. Manipulatory kciukowe powinna również dzielić wystarczająca odległość od innych elementów sterujących znajdujących się na panelu, szczególnie jeśli operator nosi nieporęczne rękawice.

Wzmacnianie dżojstików niskoprofilowych

Przemysłowe dżojstiki są narażone na działanie opadów lub strumieni wody, dlatego powinny charakteryzować się co najmniej stopniem ochrony IP66. Można to osiągnąć za pomocą mieszka ochronnego, tj. elastycznej nakładki, która rozszerza się i kurczy podczas ruchu dżojstika (ilustracja 2).

Dżojstik można wpuścić w wycięcie w panelu lub zamontować od tyłu. W obu przypadkach spód panelu nie może być narażony na działanie wody, nadmiernej wilgoci lub kurzu, ponieważ ta część dżojstika nie jest zabezpieczona mieszkiem ochronnym.

Ilustracja 2: montaż wpuszczony niskoprofilowego manipulatora kciukowego (po lewej) przy użyciu koperty i śruby z łbem stożkowym; montaż tylny (po prawej) przy użyciu wkrętów maszynowych i nakrętek, ale bez koperty. Mieszek zabezpieczający zapewnia stopień ochrony IP66. (Źródło ilustracji: autor, z materiałów źródłowych APEM)

Aby uzyskać jak największą trwałość, projektanci powinni szukać urządzenia z trzonem ze stali nierdzewnej wraz z metalową oprawą, mechaniką podstawy i ogranicznikami o podobnej wytrzymałości. Jak wspomniano wcześniej, urządzenia przenośne są podatne na upadki, więc dżojstik powinien zostać przetestowany pod kątem odporności na swobodny upadek z wysokości 1m. Projektanci powinni również sprawdzić odpowiednie parametry znamionowe drgań, kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) zgodnie z obowiązującymi normami IEC.

W trudnych warunkach środowiskowych krytyczne znaczenie ma również odporność na ekstremalne temperatury. Przykładowo, niskoprofilowe dżojstiki firmy APEM z serii XS są przystosowane do pracy w temperaturach od -30°C do +85°C i przechowywania w temperaturach od -40°C do +110°C.

Natomiast jeśli manipulator kciukowy ma być używany w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym dla bezpieczeństwa (co często ma miejsce), należy stosować poziom nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) SIL2 lub wyższy.

Czynniki wpływające na praktyczność użycia przez człowieka

Wybór odpowiednich materiałów i ergonomicznej konstrukcji dżojstika może mieć znaczący wpływ na jego praktyczność. Projektanci muszą pamiętać, że kontroler może zamoknąć lub ulec zabrudzeniu, a operator może nosić grube rękawice. Dlatego nakładka dżojstika powinna być wykonana z materiału takiego jak nylon, stanowiący trwałą, ale łatwą do uchwycenia powierzchnię.

Jak pokazano na ilustracji 3, dostępne są różne nakładki na dżojstik, przeznaczone do różnych zastosowań. Na przykład dżojstik XS140SCA12A62000 firmy APEM jest wyposażony w nakładkę z wypustkami (po lewej). Nakładka ta ułatwia operatorowi wyczucie głównej osi X i Y, co może pomóc w ruchu w linii prostej. Z kolei w modelu XS140SDM12A62000 wykorzystano nakładkę, która jest odpowiednia do dowolnych ruchów.

Ilustracja 3: górna część z wypustkami w modelu XS140SCA12A62000 (po lewej) i płaska nakładka w modelu XS140SDM12A62000 (po prawej) nadają się odpowiednio do ruchu liniowego i dowolnego. (Źródło ilustracji: autor, z materiałów źródłowych APEM)

Dżojstiki mogą być również wyposażone w wyczuwalne prowadzenie. Taki dżojstik porusza się łatwiej w kierunku głównych osi, natomiast obsługa w innych kierunkach wymaga użycia większej siły. Dżojstik może być także wyposażony w siłę centrującą, która zwiększa ogólny opór jego działania. Przykładowo niskoprofilowy dżojstik APEM XS może być wyśrodkowany z siłą od 1N do 2,5N.

Dżojstik można również skonfigurować z różnymi funkcjami związanymi z pozycją środkową:

• dodanie do dżojstika funkcji przycisku może uprościć konstrukcję panelu sterowania i umożliwić bardziej złożone działania;
• środkowy przycisk może być także użyty do sprawdzania napięcia i określenia, czy zasilanie działa prawidłowo;
• w przypadku zastosowań wymagających wskaźnika stanu aktywnego/nieaktywnego, funkcja wykrywania środka pozwala określić, czy dżojstik jest używany (funkcja ta nie powinna być używana do celów bezpieczeństwa lub ochrony).

Należy pamiętać, że opcje te wzajemnie się wykluczają. Istotną sprawą jest określenie funkcji najlepiej nadającej się do wdrożenia na dżojstiku i innych funkcji, które można przypisać do pozostałych elementów sterujących.

Kwestie dotyczące konstrukcji elektrycznej

W celu zapewnienia maksymalnej niezawodności należy szukać dżojstika z redundantnymi czujnikami hallotronowymi. Ponadto należy starannie wyregulować zasilanie. Zasilanie wykraczające poza określoną tolerancję może spowodować trwałe uszkodzenie czujników i utratę korzyści płynących z redundancji.

Wyjścia napięciowe dżojstika również wymagają przemyślanej konstrukcji. W pierwszej kolejności należy wybrać typ sygnału wyjściowego (np. analogowy lub modulacji szerokości impulsu (PWM)) i przeskalować napięcie pod kątem oczekiwanych sygnałów wejściowych mikrokontrolera (MCU), który będzie je odczytywał. Ilustracja 4 przedstawia przykład takich napięć wyjściowych. Należy również wziąć pod uwagę impedancję wyjściową. Niska rezystancja obciążenia (np. <10kΩ) stwarza ryzyko wystąpienia dużych natężeń prądu, które mogą uszkodzić czujnik.

Ilustracja 4: w przypadku dżojstików wieloosiowych, dwa napięcia wyjściowe (X/Y) powinny być wyskalowane w celu dostosowania ich do wejść mikrokontrolera MCU. (Źródło ilustracji: APEM)

Jak wspomniano wcześniej, czujniki hallotronowe są podatne na zakłócenia magnetyczne. Dobrze zaprojektowany dżojstik będzie zatem zawierał wewnętrzne ekranowanie magnetyczne. Należy zadbać o prawidłowe odsprzęgnięcie zasilania i zastosowanie odpowiedniego ekranowania kompatybilności elektromechanicznej (EMC). Nawet przy zastosowaniu tych środków dżojstik nie powinien być montowany ani obsługiwany w pobliżu źródeł silnego pola magnetycznego.

Podsumowanie

Urządzenia przemysłowe stają się coraz bardziej złożone, dlatego projektanci potrzebują wytrzymalszych elementów sterujących, dzięki którym interfejsy użytkownika zapewnią precyzję, elastyczność kierunkową i wyczuwalne potwierdzenie wymagane do dokładnego sterowania, a jednocześnie wytrzymałość i niezawodność w ekstremalnych temperaturach oraz cyklach użytkowania. Jak wykazano, niskoprofilowy dżojstik może być doskonałym rozwiązaniem. Przy uwzględnieniu odpowiedniego czujnika pozycji, stopnia ochrony IP, izolacji elektromagnetycznej i praktyczności oraz starannym wdrożeniu projektu, taki manipulator kciukowy może zapewnić wiele korzyści w szerokim zakresie zastosowań.