12 xu hướng đáng chú ý trong điều khiển chuyển động (Motion Control)

Tương lai của điều khiển chuyển động là khả năng kết nối. Các cuộc trò chuyện tiếp tục xoay quanh khái niệm nhà máy thông minh - một nhà máy mà trong đó hoạt động sản xuất kết hợp giữa dữ liệu và sản xuất một cách liền mạch và tích hợp là yếu tố then chốt dẫn đến thành công lâu dài. Mặc dù chúng ta chưa đạt được mục tiêu đó nhưng các khái niệm, công nghệ và tiềm năng của nhà máy thông minh chắc chắn đang hình thành trong lĩnh vực sản xuất ngày nay.

Mọi thách thức mà các nhà chế tạo máy phải đối mặt, câu trả lời rất có thể sẽ đến ở việc tối ưu hóa và số hóa hoàn toàn các sản phẩm và dịch vụ. Thiết bị truyền động, bộ truyền động servo, bộ mã hóa, động cơ servo và phần mềm cung cấp các giải pháp cho nhiều ứng dụng công nghiệp ngày nay. Những thành phần này sẽ đóng vai trò then chốt trong việc thúc đẩy công nghệ cần thiết để vận hành nhà máy thông minh trong tương lai. Đây là cách ngành điều khiển chuyển động đang tận dụng các sản phẩm và công nghệ mới nhất:

1. Tạo ra những cỗ máy dạng mô-đun, linh hoạt hơn

Ông Daniel Repp, giám đốc ngành tự động hóa tại Lenze, tin rằng nó không còn là kết nối thiết bị truyền động và truyền dữ liệu đến các hệ thống cấp dưới mà nó còn là cung cấp phần mềm để hỗ trợ OEM trong việc phát triển các máy mô-đun linh hoạt.

Điều này có thể đơn giản như cung cấp các chức năng máy được sử dụng thường xuyên dưới dạng mô-đun công nghệ được tiêu chuẩn hóa hoặc thêm các mô-đun phần mềm đã được cấu hình và kiểm tra trước thông qua mẫu ứng dụng và điều chỉnh cài đặt tham số.

“Các chuyên gia tự động hóa nên làm việc theo cách họ đã quen với kiến ​​trúc cơ bản. Các chức năng được đính kèm trong các mô-đun riêng lẻ. Các mô-đun này có tính tự trị và có thể dễ dàng trao đổi cũng như kiểm tra hoàn toàn độc lập. Hộp công cụ phần mềm cung cấp các mô-đun phần mềm tiêu chuẩn để định vị, lập hồ sơ cam, phối hợp nhiều băng tải và các nhiệm vụ điều khiển chuyển động được đồng bộ hóa khác, bao gồm các mô-đun để cấp liệu, tháo cuộn, niêm phong, niêm phong chéo và robot chọn và đặt,” ông Repp cho biết.

“Điều này giúp người chế tạo máy có nhiều thời gian hơn để tập trung vào phát triển các tính năng hiệu suất đặc biệt của máy. Nó cũng cho phép tiết kiệm chi phí kỹ thuật, đồng thời đẩy nhanh quá trình thiết kế máy,” ông Repp nói thêm.

2. Nhiều tùy chọn mô-đun Servo hơn

Do chi phí của các bộ phận điện tử công suất và động cơ đang giảm dần mỗi năm (so với các lực lượng kinh tế), AMK đang nỗ lực thay thế nhiều chuyển động hơn trên máy bằng các mô-đun servo. Những thứ trước đây phải sử dụng khí nén, giờ đây nằm trong phạm vi điều khiển của động cơ servo, mang lại cho nhà OEM khả năng tạo ra máy móc mà không cần bộ hẹn giờ,  bây giờ họ biết hoàn toàn về cơ chế hoạt động của máy mọi lúc.

 "Do sức mạnh của bộ xử lý tín hiệu số (DSP) mà chúng tôi đang sử dụng, giờ đây chúng tôi có thể tạo ra các hệ thống chuyển động không cần bộ điều khiển tập trung", ông Tom Jensen, tổng giám đốc tại AMK Automation cho biết. Ông Jensen nói: "Điều này làm cho các máy móc chúng ta đang sử dụng các "mô-đun máy" thực tế và làm cho những thứ như robot, tích hợp băng tải có thể ở trong một tủ nhỏ - hoặc có khả năng không cần dùng tủ.

3. Dễ dàng cài đặt

Về mặt lắp đặt, ông Craig Nelson, giám đốc sản phẩm cấp cao của Siemens Industry, Inc., cho biết hiện nay việc chỉ sử dụng một cáp duy nhất giữa động cơ servo và bộ truyền động trên hệ thống servo là điều rất phổ biến, giúp giảm thời gian lắp đặt và khay cáp. Kết quả là một cài đặt đơn giản sẽ giúp tăng năng suất và hiệu quả.

Ông Nelson cho biết: “Điều này có thể thực hiện được nhờ thực tế là tín hiệu bộ mã hóa hiện được gửi qua giao tiếp nối tiếp, sau khi được bảo vệ đúng cách, có thể chạy trong cùng một cáp lai với dây dẫn điện động cơ và dây dẫn phanh”.

4. Những đổi mới trong chẩn đoán từ xa

“Ví dụ, ô tô ngày nay có đủ thông tin trên bảng điều khiển (HMI) để người lái biết chuyện gì đang xảy ra (áp suất lốp, nhiên liệu, dầu, v.v.). Những gì kết nối này mang lại là bước tiếp theo trong quy trình – tìm trạm dịch vụ, nhiên liệu ở đâu. Sự kết hợp này có thể làm cho máy móc của nhà máy thực hiện một hành động khi có cảnh báo (gọi nhân viên bảo trì phù hợp, nhưng máy cũng có thể giảm tốc độ và quay vòng máy móc dựa trên điều kiện môi trường của nhà máy, điều kiện nguồn điện đầu vào và các biến số bên ngoài khác để duy trì hoạt động của máy, người vận hành và máy hoạt động hiệu quả ngay cả khi không có mặt trực tiếp tại hiện trường.” ông Jensen nói.

Ông Repp cho biết Lenze đang tiến xa hơn việc bảo trì từ xa đơn giản bằng cách cho phép khách hàng của mình sẵn sàng cho IIoT - một yếu tố quan trọng để phát triển máy móc trong tương lai. “Chúng tôi nhận thấy rằng khi các hệ thống IIoT giao tiếp với nhau, giá trị của chúng sẽ được nhân lên. Điều này làm cho khả năng tương tác trở nên cần thiết và tăng lợi ích theo cấp số nhân. Khi các phân khúc công nghệ xích lại gần nhau hơn và cùng nhau phát triển thông qua số hóa, những đổi mới đa chức năng này sẽ có nhiều khả năng xảy ra hơn,” ông Repp nói.

5. Tin tưởng kinh nghiệm kỹ thuật

Theo ông Jensen, một điều mà AMK đang tập trung vào ở Hoa Kỳ là việc loại bỏ các khuôn mẫu. Trong nhiều năm, ngành tự động hóa đã tập trung vào các mẫu để che giấu sự phức tạp của lập trình máy, với mục tiêu làm cho việc đào tạo và áp dụng trở nên đơn giản hơn.

“Chiến lược này chỉ hiệu quả nếu nhóm phát triển mẫu có thể tạo ra một mẫu mà mọi kỹ sư đều hiểu. Do đó, chiến lược này đã hoạt động tốt ở các thị trường ngách (robot), nhưng lại khiến quá trình tự động hóa nói chung trở nên phức tạp hơn nhiều (đó là lý do tại sao bạn không (nhưng có thể) sử dụng bộ điều khiển robot trên băng chuyền,” ông Jensen nói.

Thay vào đó, AMK đã tạo ra chương trình đào tạo và công cụ dựa trên thực tế là các kỹ sư tự động hóa Hoa Kỳ là những người giỏi nhất và có thể xử lý các môi trường lập trình IEC 1131 như hiện tại. Ông Jensen cho biết: “Chúng tôi đặt cược rằng việc đào tạo trước một chút sẽ cho phép các kỹ sư tạo ra những cỗ máy tuyệt vời vượt xa quá trình đào tạo ban đầu với sự hỗ trợ chỉ cần cho các khái niệm máy móc mới hướng tới tương lai”.

6. Luôn kết nối với đám mây (Cloud)

Ông Nelson tại Siemens Industry, Inc. cho biết khả năng kết nối ngày càng tăng của các hệ thống servo với truyền thông dựa trên Ethernet để kiểm soát và tích hợp vào các phân tích dựa trên đám mây thể hiện một xu hướng chắc chắn trong tương lai với khả năng hoàn vốn ngay lập tức vì thường phát sinh ít hoặc không có chi phí bổ sung. “Giao diện Ethernet công nghiệp tích hợp phổ biến cho hầu hết tất cả các động cơ servo hiện nay, một số cung cấp khả năng kết nối với nhiều giao thức Ethernet công nghiệp như Profinet hoặc EtherNet/IP.”

7. Giải pháp phần mềm đơn lẻ

Ông Jensen cho biết câu hỏi về phần mềm không đơn giản như việc chỉ vào trình soạn thảo dựa trên PC mà hầu hết các kỹ sư đều thấy, bởi vì phần mềm tồn tại ở mọi cấp độ (trong mọi bộ xử lý) của hệ thống chuyển động - từ firmware trong mô-đun động cơ cho đến môi trường PC. “AMK có một giải pháp phần mềm duy nhất dựa trên IEC61131 và các công cụ trong môi trường của chúng tôi cực kỳ hiệu quả nhờ sự hài hòa từ khối điều khiển chuyển động duy nhất ở cấp độ IEC đến firmware trong ổ đĩa. Với một số khối chức năng và các công cụ tích hợp, chúng tôi thực sự có thể tạo ra bất kỳ máy nào một cách nhanh chóng và theo phương pháp của OEM,” ông Jensen nói thêm.

Ông Repp cho biết Lenze đã tích hợp tất cả chức năng an toàn vào các công cụ phần mềm lập trình hiện có của họ. “Chúng tôi cung cấp một công cụ lập trình đáp ứng mọi nhu cầu lập trình. Cho dù đó là lập trình chuyển động hay logic hay triển khai an toàn, tất cả đều được bao phủ bởi một sản phẩm,” ông Repp nói. “Các chức năng an toàn cũng được triển khai trong các mô-đun phần mềm tự động hóa NHANH CHÓNG của chúng tôi. Điều này cho phép người chế tạo máy tuân theo tiêu chuẩn lập trình mô-đun không chỉ cho chương trình ứng dụng máy mà còn cho phần an toàn.”

8. An toàn trong nhà máy

Theo ông Jensen, an toàn máy móc là yếu tố then chốt trong quá trình hoạt động. Nếu không hoàn thành phân tích rủi ro cho từng thiết kế máy, máy sẽ khó được bảo vệ, khiến việc bán hàng cuối cùng trở nên khó khăn. Ông Jensen nói: “Các nhà cung cấp công nghệ sau đó phải có khả năng chỉ ra cách sử dụng hệ thống của họ để loại bỏ các tình trạng rủi ro theo cách tốt nhất”. Vì con người bắt buộc phải tương tác thường xuyên hơn với máy móc  và đặc biệt là robot, an toàn của máy móc càng trở thành ưu tiên cao hơn.

Chúng tôi đã cân nhắc điều này và tích hợp trực tiếp các chức năng an toàn vào các phần khác nhau trong danh mục bộ biến tần servo, động cơ servo, bộ điều khiển và công cụ kỹ thuật của chúng tôi,” ông Repp cho biết. “Bởi vì chúng tôi hiểu rằng những xu hướng này không ngừng phát triển nên chúng tôi cung cấp giải pháp an toàn dựa trên bộ điều khiển và truyền động nhằm hỗ trợ tối ưu cho khách hàng và giúp máy móc của họ sẵn sàng đáp ứng các yêu cầu an toàn trong tương lai.”

9. Thích ứng với những thay đổi trên sàn nhà máy

Chức năng an toàn cho hệ thống servo và máy móc mà chúng điều khiển đang trải qua sự thay đổi căn bản trên sàn nhà máy. Ở đây, công nghệ đang thay đổi nhanh chóng khi robot, hệ thống tự động và phương tiện dẫn đường tự động (AGV) trở thành tiêu chuẩn. Ông Nelson tin rằng đã đến lúc phải thích ứng với những thay đổi này nhanh hơn và hiệu quả hơn.

“Đã không còn những tủ rơle và contactors an toàn với khả năng thích ứng linh hoạt và đã được chứng minh cho các chức năng truyền động tích hợp an toàn với các tín hiệu an toàn hiện đến từ giao thức an toàn dự phòng qua Ethernet Công nghiệp. Các chức năng an toàn mới dành cho điều khiển chuyển động như Vị trí giới hạn an toàn, CAM an toàn và Mô-men xoắn an toàn là những công cụ thay đổi cuộc chơi nhằm tăng cường độ an toàn và năng suất hiện nay,” ông Nelson nói.

10. Tích hợp với thị trường tiêu dùng

Không có gì bí mật khi nói đến tự động hóa và điều khiển chuyển động, cộng đồng công nghiệp đang tụt hậu so với thị trường tiêu dùng rất nhiều. Ông Jensen cho biết: “Trong tương lai gần, ngành công nghiệp tự động hóa có thể mong đợi dòng công nghệ tiếp tục tràn vào danh mục đầu tư của họ từ thị trường tiêu dùng”. “Các khái niệm được tìm thấy trong thiết bị di động và ô tô như Wi-Fi, camera, v.v. sẽ trở nên rẻ tiền và được phát triển đủ để các kỹ sư tự động hóa bắt đầu sử dụng chúng.”

Ông Repp cho rằng người tiêu dùng yêu thích những sản phẩm mang tính cá nhân hóa. Các công nghệ như bộ cấu hình ô tô dựa trên web, hộp đựng đồ uống cá nhân hoặc giày thể thao đã được chứng minh là thành công trên thị trường. Repp cho biết: “Do đó, tính linh hoạt của hệ thống sản xuất để sản xuất các sản phẩm được tùy chỉnh riêng lẻ có thể so sánh với Chén Thánh của công nghệ sản xuất”. “Sự tiến bộ của công nghệ kỹ thuật số như hiệu năng CPU cao và rẻ, hay bộ nhớ nhỏ và rẻ có nghĩa là giấc mơ công nghệ lâu dài về hệ thống sản xuất linh hoạt, tự chủ và tiết kiệm chi phí, giờ đây đã rất gần trở thành hiện thực. Điều này không chỉ đúng với hàng tiêu dùng mà còn đúng với sản xuất công nghiệp”.

Nói tóm lại, tự động hóa tiêu dùng có thể nắm giữ chìa khóa cho các sản phẩm và công nghệ trong tương lai tiếp cận thị trường công nghiệp với một cảnh báo cực kỳ lớn các giải pháp kỹ thuật cần có thời gian. Một chiếc iPhone, Fitbit hoặc một đôi giày chạy bộ sẽ không đi kèm với những lo ngại về an ninh, yêu cầu an toàn, thách thức về môi trường hoặc nhu cầu năng lượng như trong nhà máy sản xuất máy bơm hoặc tua-bin gió. Đây là nơi nghiên cứu và phát triển sẽ là chìa khóa để hình dung lại các công nghệ điều khiển chuyển động. Ông Jensen nói thêm: “Chúng tôi cần tận dụng các chương trình học việc và cố vấn để tích hợp và thử nghiệm các sản phẩm tiêu dùng với danh mục đầu tư của mình để xem điều gì có thể thực hiện được”. “Những ý tưởng như tự động hóa không cần bộ điều khiển là những đổi mới xuất phát từ quá trình này.”

11. Cách tiếp cận kỹ thuật số đầu tiên

Ông Repp tự tin rằng xu hướng điều khiển chuyển động trong 5 năm tới là số hóa các quy trình công nghiệp. “Để cải thiện chất lượng của những phát triển mới, đồng thời giảm thời gian và chi phí phát triển, nhiều hoạt động sẽ được gia công vào các quy trình kỹ thuật số - một xu hướng đang diễn ra. Với sự phát triển liên tục của IIoT và Công nghiệp 4.0, máy móc ngày càng được kết nối nhiều hơn. Các nhà chế tạo máy sẽ được hưởng lợi từ việc tối ưu hóa từng máy đơn lẻ vì chúng có thể dễ dàng được điều chỉnh cho toàn bộ hệ thống máy. Bản sao kỹ thuật số của máy móc sẽ giúp giảm thời gian phát triển và chi phí liên quan. Môi trường thực tế ảo sẽ cải thiện việc kiểm tra và hoàn thiện các máy mới.”

12. Học hỏi, thích ứng và đổi mới

Mỗi khái niệm mới về điều khiển chuyển động đều bắt đầu bằng cuộc trò chuyện với khách hàng hiện tại. Những sản phẩm và công nghệ này được đưa vào sử dụng như thế nào và tính hiệu quả của chúng sẽ quyết định hướng hành động cho sự phát triển trong tương lai. Phản hồi nhận được từ bộ truyền động servo ngày nay sẽ ảnh hưởng đến cách các bộ phận này được điều chỉnh cho phù hợp với các ứng dụng công nghiệp mới trong tương lai.

Hệ thống điều khiển chuyển động bao gồm bộ điều khiển, bộ truyền động servo, động cơ servo quay và tuyến tính, bộ truyền động tuyến tính và phần mềm sẽ tiếp tục phát triển miễn là các nhà chế tạo máy, kỹ sư và chuyên gia sản phẩm tiếp tục cố gắng làm cho các hệ thống này nhanh hơn và hiệu quả hơn. 

 Khái niệm về nhà máy thông minh có thể vẫn chưa được khám phá đầy đủ, nhưng nó đang được mở ra một cách chậm rãi và có phương pháp để hé lộ một tương lai đầy hứa hẹn cho lĩnh vực sản xuất thông minh.