Návrh PLC očima vývojáře – 14. část (Kalibrace a korekce výrobních tolerancí)

S programovatelnými automaty se můžeme setkat prakticky na každém „průmyslovém“ kroku. Aby je však mohli jedni zapojit a obsluhovat, musí je druzí nejdříve vymyslet, navrhnout a odladit. A právě takovému tvůrčímu přístupu se nyní budeme věnovat. Zároveň také představíme celou řadu doporučených polovodičových řešení.

V dalším pokračování našeho rozboru PLC systémů z pohledu vývojáře se po krátké odmlce budeme dále věnovat náležitému přístupu v otázce

trimování,
přizpůsobení a také
kalibrace.

Jako cíl si totiž stanovíme nápravu systémových tolerancí s ohledem na

bezpečnější,
přesnější a
cenově ještě dostupnější

průmyslová zařízení. Setkáváme se zde s kompenzací tolerancí jednotlivých součástek za přispění kalibrace během závěrečného testování, zvýšením spolehlivosti prostřednictvím testování sebe sama ihned po zapnutí napájecího zdroje nebo nepřetržité, jindy zase jen periodické kalibrace, takže nechybí přesné, automatizované nastavení, prakticky vylučující mechanické nastavovací prvky (trimry, potenciometry) z titulu jejich číslicových ekvivalentů a hojně využívaných, precizních napěťových referencí, podporujících digitální kalibrace. Otázce přesných zdrojů referenčního napětí jsme se na hw.cz podrobněji věnovali v dosud 6dílném

Úvodu do světa napěťové reference.

Elektronické systémy kalibrace a jejich podpora přesných, bezpečných a cenově dostupných průmyslových zařízení

Ve výrobních závodech bývá vyžadována poměrně vysoká míra zajištění. Zákazníci očekávají kvalitní produkty, které budou logicky poplatné přesným výrobním postupům a jejich systémům. Zároveň jsem však tlačeni požadavky na cenovou dostupnost a konkurenceschopnost. Jak ale mohou výrobci dodávat „ideální“ zařízení za rozumnou cenu? Vše se skrývá v kouzelném slůvku

kalibrace.

Elektronické systémy dnes podporují kalibrace „na dálku“ včetně testování prvků v samotných provozech, např. snímačů, ventilů, akčních členů apod. Protože provozní prvky spolu s PLC (Programmable Logic Controller) již v současné době nemusí (a vlastně ani nemohou) zbytečně plýtvat místem, budou rozhodně těžit z malých rozměrů součástek, určených k moderním kalibračním postupům.

Všechny prvky používané v praxi, ať již mechanické nebo čistě elektronické, vykazují určité výrobní tolerance. Můžeme přitom říci, že s větším tolerančním pásmem zároveň klesá také cena. Zapojíme – li nyní naše součástky do konkrétního systému (mimochodem, z hlediska návrhu a konstrukce elektronických systémů se na „přírodě“ dopouštíme docela velkého, vysoce organizovaného násilí, takže se nelze divit, že nově vzniklý celek bude mít snahu zpětně „degradovat“ do výchozího stavu – hmoty), jednotlivé tolerance se začnou sčítat a vytvářet tak celkovou chybu systému (odchylku). Na scénu tedy nastupuje již zmíněné, pečlivé trimování, přizpůsobení a také kalibrační postupy, takže můžeme systémové chyby opravit a podpořit tím bezpečnost, přesnost i cenovou dostupnost celého zařízení.

Náležitou kalibrací lze snížit náklady hned v několika směrech. Hovoříme zde totiž o

vyloučení výrobních tolerancí,
přesném vymezení levnějších součástek,
zkrácení času, potřebného k testování,
zvýšení spolehlivosti,
rostoucí míře spokojenosti koncového odběratele,
menším počtu reklamací,
nižších nákladech na poskytovanou záruční dobu a také
rychlejším dodání na trh.

Číslicově řízené, kalibrační prvky a potenciometry v případě celé řady továrních nastavení nahrazují své mechanické předchůdce. Tímto způsobem zároveň dosáhneme vyšší míry spolehlivosti (vše co se fyzicky „hýbe“ bude o to dříve odsouzeno k předčasnému zániku – viz např. tradiční pevné disky a proto s takovou oblibou zálohujeme, zálohujeme a ještě jednou zálohujeme) a také bezpečnosti zaměstnanců. Navýšení spolehlivosti rovněž minimalizuje starosti, související s výrobkem a jeho zárukou. Další výhoda pak spočívá ve zkrácené době testování a nižších výdajích z titulu vyloučení lidského faktoru. Díky tzv.

ATE (Automatic Test Equipment)

testujeme rychle, přesně a v případě potřeby i opakovaně. Číslicově řízené prvky rovněž tolik neohrožuje

prach,
nečistoty (dirt – rovněž ve smyslu „svinstvo“) a
vlhkost,

tj. vlivy, které jinak „děsí“ nejeden mechanický trimr včetně jeho provozovatele. Sluší se však zdůraznit, že výše zmíněné vlivy obecně raději netolerujeme. Jaké škody mohou jinak zdánlivě neškodné nečistoty napáchat se můžete dočíst např ZDE v části Nejdříve si ukliďte před (i pod) vlastním čipem (Board Leakage).

Testování včetně kalibrací spadá do tří, relativně širokých oblastí. Jedná se o

závěrečné testování na výrobní lince (Production-line Final Testing),
pravidelnou bezpečnostní sebekontrolu (Periodic Self-testing) a rovněž
nepřetržité monitorování včetně nezbytného přizpůsobení parametrů (Continuous Monitoring and Readjustment).

V praxi se pak u konkrétních produktů setkáme s některými nebo dokonce se všemi, výše zmíněnými postupy.

Výstupní testy / kalibrace a dorovnání výrobních tolerancí součástek

Výstupní kalibrací napravujeme chyby, způsobené společnými tolerancemi celé řady součástek. Pro kalibraci testované jednotky

DUT (Device Under Test)

a zajištění výrobních specifikací pak můžeme vyžadovat jedno nebo více nastavení.

Mějme konkrétní příklad, ve kterém řekneme, že zařízení na několika místech využívá rezistory s tolerancí 5 %. V našem návrhu nyní budeme simulovat konkrétní zapojení, přičemž využijeme testování ve stylu

MC (Monte Carlo).

Jinými slovy, náhodným způsobem změníme velikosti odporu v rámci našich tolerančních limitů a vyvodíme z toho možný dopad na výstupní signál. Dostáváme tak soubor křivek, popisujících chyby, které mohou tolerance odporu v nejhorších případech způsobit. S touto znalostí se pak vývojář rozhoduje o dalším použití obvodů „tak jak jsou“ a také pouhém dostavení offsetu nebo rozpětí (zisku) během výstupního testu, kterým zajistí konkrétní systémové specifikace. Provedli jsme tedy výstupní měření a technik otáčením dvou mechanických trimrů definoval zesílení a offset našeho systému. Kalibrace je u konce, ale máme zde několik zásadních otázek:

Vyřešili jsme vůbec náš problém?
Nedošlo pouze k jeho zamaskování?
Nevyrobili jsem zároveň další a ještě „zákeřnější“ neznámou (neznámé)?

Zkušení inženýři, pracující ve výrobě, vědí, že vliv lidského faktoru představuje skutečnou hrozbu. Náhodná chybička totiž může „pohřbít“ i ty nejlepší záměry! Požádáme – li nějakého člověka aby opakovaně vykonával stejné, relativně nezáživné a hlavně dlouhodobé úkoly bez dostatečné motivace (ale někdy i s ní), říkáme si o malér. Je sice pravda, že v mnoha případech bude zásah konkrétního člověka velmi důležitý a na svém místě, v našem příkladu se však jako lepší varianta jeví automatizovaná úloha. Elektricky nastavitelné kalibrační prvky totiž