Jak dosáhnout přesného a spolehlivé ovládání těžkých průmyslových zařízení v drsném prostředí

Konstruktéři těžkých stavebních, průmyslových, robotických, námořních a leteckých zařízení zvyšují funkčnost a zároveň hledají způsoby, jak implementovat stále přesnější ovládání jemných operací a pohybů pomocí lehkých kompaktních řídicích systémů. Těchto cílů musí být dosaženo také v drsném a nelítostném prostředí, které je fyzicky i elektricky náročné.

K tomu, aby konstruktéři tyto požadavky splnili, musí zajistit, aby uživatelské rozhraní mělo úroveň přesnosti, směrové flexibility a hmatové zpětné vazby požadovanou pro přesné ovládání a zároveň aby bylo robustní a spolehlivé při extrémních teplotách a cyklech používání.

Dotykové displeje sice mají své místo, ale chybí jim potřebná hmatová odezva a robustnost. Také klasické joysticky X/Y bývají příliš objemné a postrádají množství možností signalizace a osu potřebnou pro maximální směrové ovládání. Místo toho mohou konstruktéři použít nízkoprofilové joysticky nebo palcové joysticky, které jsou nyní schopny poskytovat jemnější ovládání v robustním provedení. Tato malá zařízení ovládaná palcem nebo prsty uživatele nabízejí snadný přístup k více vstupům, a to i ve stísněných podmínkách.

V tomto článku je stručně pojednáno o tom, proč moderní průmyslová a jiná těžká zařízení vyžadují vyšší přesnost ovládání a jak příslušné problémy řeší nízkoprofilové palcové joysticky. Poté se článek zaměřuje na klíčová kritéria návrhu a implementace, včetně výběru senzoru, odolnosti a fyzických a elektrických možností návrhu. Jako příklady z reálného světa jsou zde uvedeny nízkoprofilové palcové joysticky od společnosti APEM Inc.

Sofistikovanější zařízení vyžadují přesnější ovládací prvky

Potřeba lepších ovládacích prvků obsluhy se zrychlila kvůli dvěma hlavním trendům: rostoucí složitosti požadavků na pracovišti a zavádění pokročilých technologií. Tyto trendy vyvolávají potřebu nejen přesnějších, ale také složitějších ovládacích prvků, často s více osami pohybu.

Pro ilustraci tohoto bodu vezměme v úvahu námořní portálové jeřáby, které nakládají a vykládají kontejnerové lodě. S tím, jak se lodě zvětšují, musí jeřáby pracovat rychleji, aby dosáhly přijatelné doby v přístavu (což má přímý vliv na zisky). Přísnější předpisy zároveň vyžadují zlepšení bezpečnosti a dopadu na životní prostředí.

Změnou prochází i celé prostředí přístavu. Lodě, vlaky, nákladní auta a další zařízení v těchto přístavech mají všechny přidané technologie, které zvyšují potřebu vysoce přesné koordinace. K přepravě nákladu kolem přístavu se například používají automaticky řízené vozíky („automated guided vehicle“, AGV) a tyto AGV vyžadují přesné umístění nákladu.

K tomu, aby se jeřáby se všemi těmito faktory vypořádaly, přecházejí z hydraulického na elektrický provoz. Nejenže to zvyšuje rychlost a přesnost, ale také zlepšuje všestrannost tím, že je tak možná složitější kombinace horizontálního, vertikálního a rotačního pohybu.

Přizpůsobení ovládacích prvků obsluhy možnostem zařízení

K ovládání tohoto stále sofistikovanějšího zařízení potřebuje obsluha stejně schopné víceosé ovládací prvky, které musí být přesné, spolehlivé a snadno použitelné.

Jednou z možností jsou dotykové obrazovky. Snadno se používají a mohou snadno pojmout více vstupů současně. Dotykové obrazovky jsou však citlivé a náchylné k náhodným dotykům. Nečistota, vlhkost a extrémní teploty mohou způsobit poruchy a obrazovky jsou náchylné k fyzickému poškození a elektromagnetickému rušení. A co je nejdůležitější, nenabízejí hmatovou odezvu, takže se špatně hodí pro pohotové operace s těžkým zařízením.

Mnohé z těchto problémů řeší joysticky. Montáž joysticku do konzoly loketní opěrky nebo do boxu-dálkového ovládání s nošením na břiše umožňuje pohodlné a ergonomické ovládání. Ve správném provedení mohou odolat i náročným podmínkám prostředí. Mohou také poskytovat fyzickou zpětnou vazbu obsluze a udržovat vizuální pozornost na pracovním prostoru.

Tradiční joysticky však mohou ve stísněných prostředích zabírat mnoho místa a mohou vyčnívat způsobem, díky kterému jsou náchylné k nechtěnému ovládání. I když je místa dostatek, skutečnost, že joysticky vyžadují, aby operátoři prováděli relativně velké pohyby, omezuje jejich přesnost.

Palcové joysticky řeší tyto problémy zmenšením joysticků na lépe ovladatelnou velikost. Tato nízkoprofilová zařízení ovládaná palcem nebo prstem minimalizují riziko náhodného spuštění. Umožňují přesné a plynulé ovládání a obsluha může snadno manipulovat se dvěma palcovými joysticky najednou, čímž se řeší problém více vstupů.

Nízkoprofilové joysticky jsou zvláště vhodné pro přenosné ovladače, jako jsou boxy-dálkové ovládání s nošením na břiše nebo ruční zařízení. Ale těžit z jejich menší velikosti může každá aplikace s omezeným prostorem.

Výběr správného senzoru

Samozřejmě, že ne všechny palcové joysticky jsou stejné. Pro začátek mohou využívat různé senzory polohy, včetně potenciometrických (tj. odporových), indukčních, fotoelektrických nebo s Hallovým efektem (tj. magnetických). Každá z těchto možností má své výhody a nevýhody:

• Potenciometrické senzory jsou jednoduché a levné, ale mají omezenou životnost.
• Indukční senzory jsou spolehlivější, ale jsou citlivé na změny teploty a elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI).
• Fotoelektrické senzory jsou přesné, ale jsou náchylné na prach, vlhkost a fyzické poškození.
• Senzory s Hallovým efektem jsou přesné a odolné, ale mohou být ovlivňovány silnými magnetickými poli.

S ohledem na všechny tyto kompromisy je pro vysoce přesné snímání v drsném prostředí často nejlepší volbou senzor s Hallovým efektem. Senzory s Hallovým efektem, které pracují se standardním stejnosměrným proudem („direct current“, DC) 3,3 nebo 5 V a jsou implementovány ve spojení s robustní mechanikou, vedou k zařízení, které vydrží očekávanou životnost 10 milionů cyklů.

U senzorů s Hallovým efektem je mezi dvěma elektrodami umístěn tenký pásek vodivého materiálu (obrázek 1). Když páskem protéká proud (I) a kolmo na něj působí magnetické pole (B), generuje se v pásku rozdíl napětí (U_H). Tento rozdíl napětí se nazývá Hallovo napětí, které je úměrné síle a směru magnetického pole.

Obrázek 1: Hallovo napětí (U_H) se generuje, když vodivým páskem protéká proud (I) a hustota magnetického toku (B) je umístěna kolmo na pásek. (Zdroj obrázku: web Wikipedia)

Některé výhody senzorů s Hallovým efektem oproti jiným typům senzorů v průmyslových aplikacích s joystickem jsou následující:

• Jsou bezkontaktní a časem se neopotřebovávají.
• Jsou odolné vůči prachu, špíně, vlhkosti a vibracím.
• Mohou měřit lineární a úhlové posunutí s vysokou přesností a rozlišením.
• Mohou pracovat v širokém rozsahu teplot a napětí.
• Lze je snadno integrovat s digitální elektronikou a mikrokontroléry.

Senzory s Hallovým efektem jsou zvláště užitečné, protože dokážou detekovat polohu i úhel. Díky tomu se dobře hodí pro víceosé ovládací prvky, jako jsou joysticky s ovládacími prvky nejen v osách X/Y, ale také se středovým tlačítkem v ose Z.

Senzor je však pouze jedním z parametrů konstrukce, které je třeba brát v úvahu. Úspěšná implementace palcového joysticku s Hallovým efektem vyžaduje pečlivé zvážení několika fyzických a elektrických parametrů.

Umístění palcového joysticku na ovládací panel

Někdy lze palcový joystick namontovat na chráněné pevné místo, jako je ovládací panel. Obsluha však musí být častěji blízko k práci, což omezuje možnosti na snadno dosažitelná místa, jako jsou konzoly, loketní opěrky vozidel, přenosné ovládače a boxy-dálková ovládání s nošením na břiše.

Pokud se palcový joystick používá v pouzdře do ruky, je třeba dbát na jeho ochranu před poškozením pádem. Pro dlouhodobou spolehlivost by měla být zavedena základní opatření, jako je montáž na nejlehčí konec krytu, aby nenarazil na zem jako první, nebo jeho ochrana ochranným krytem.

Další rizikovou situací jsou vozidla. Ovládací prvky na palubě zmítající se lodi nebo vozidla mohou sloužit jako neuvážené držadlo, takže je důležité palcové joysticky držet v minimální možné výšce, aby se zabránilo potenciálně nebezpečnému náhodnému ovládání.

V žádné z těchto situací by palcové joysticky neměly přesahovat více než asi 50 mm (2 palce). nad plochu panelu. Mezi palcovým joystickem a jakýmikoli jinými ovládacími prvky na panelu musí být také dostatečná vzdálenost s větším odstupem, kdyby obsluha musela nosit objemné rukavice.

Zpevnění nízkoprofilového joysticku

Průmyslové joysticky jsou často vystaveny padající nebo nasměrované vodě, takže tato zařízení musí mít krytí alespoň IP66. Toho lze dosáhnout pomocí spirálového ochranného návleku, tj. flexibilní botičky, která se může při pohybu joysticku roztahovat a stahovat (obrázek 2).

Joystick lze zapustit do výřezu v panelu nebo jej namontovat zezadu. V obou případech nesmí být spodní strana panelu vystavena stříkající vodě, nadměrné vlhkosti nebo prachu, protože tato část joysticku není chráněna návlekem.

Obrázek 2: Zapuštěná montáž nízkoprofilového palcového joysticku (vlevo) pomocí rámečku a šroubů se zápustnou hlavou. Při montáži zezadu (vpravo) se používají strojní šrouby a doprovodné matice, ale bez rámečku. Spirálový ochranný návlek poskytuje krytí IP66. (Zdroj obrázku: autor, ze zdrojového materiálu společnosti APEM)

K maximalizaci odolnosti by se měli konstruktéři poohlédnout po zařízení s hřídelí z nerezové oceli spolu s podobně odolným kovovým závěsem a mechanikou základny a omezovači. Jak již bylo uvedeno výše, ruční zařízení jsou náchylná k pádu, takže joystick by měl být testován, aby vydržel volný pád z výšky 1 m. Konstruktéři by také měli zkontrolovat, zda jsou v souladu s platnými normami IEC splněny příslušné jmenovité hodnoty ochrany před vibracemi, elektromagnetické kompatibility („electromagnetic compatibility“, EMC) a ochrany před elektrostatickým výbojem („electrostatic discharge“, ESD).

V drsném prostředí je kriticky důležitá také odolnost vůči extrémním teplotám. Jako příklad lze uvést nízkoprofilové joysticky řady XS společnosti APEM, které jsou dimenzovány pro provozní teplotu −30 °C až +85 °C a skladovací teplotu −40 °C až +110 °C.

A konečně, pokud se má palcový joystick používat v aplikacích kritických z hlediska bezpečnosti (což je častý případ), hledejte hodnocení úrovně integrity bezpečnosti („Safety Integrity Level“, SIL) SIL2 nebo lepší.

Aspekty návrhu týkající se použitelnosti člověkem

Významný vliv na použitelnost může mít výběr správných materiálů a ergonomický design. Konstruktéři musí mít na paměti, že ovladač může být mokrý nebo špinavý a obsluha na sobě může mít tlusté rukavice. Takže kryt joysticku by měl využívat materiál jako nylon, aby nabízel odolný, ale snadno uchopitelný povrch.

Jak je znázorněno na obrázku 3, pro různé scénáře jsou k dispozici různé kryty joysticku. Například prstový joystick XS140SCA12A62000 společnosti APEM je vybaven krytkou ve tvaru věže (vlevo). Tato krytka usnadňuje obsluze cítit hlavní osu X a Y, což může pomoci udržet přímou trajektorii. Naproti tomu joystick XS140SDM12A62000 využívá krytku pro konečky prstů, která je vhodná pro libovolný pohyb.

Obrázek 3: Horní část ve tvaru věže u modelu XS140SCA12A62000 (vlevo) a plochá krytka u modelu XS140SDM12A62000 (vpravo) jsou vhodné pro lineární a libovolný pohyb. (Zdroj obrázku: autor, ze zdrojového materiálu společnosti APEM)

Joysticky mohou být vybaveny také pocitem navádění. Takový joystick se snadněji pohybuje směrem k hlavním osám a oddálení od těchto os vyžaduje větší sílu. Podobně může být joystick vybaven středicí silou, která zvyšuje celkový odpor joysticku. Například nízkoprofilový joystick řady XS společnosti APEM může být odpružen do středu silou pouhého 1 N nebo silou 2,5 N.

V neposlední řadě lze joystick nakonfigurovat s řadou funkcí souvisejících se středovou polohou:

• Přidání funkce středového tlačítka umožňuje použití joysticku jako tlačítka, což může zjednodušit ovládací panel a umožnit složitější akce.
• Případně lze středové tlačítko použít pro test napětí, aby se zajistila správná funkce napájení.
• U aplikací, které potřebují indikátor aktivního/neaktivního stavu, může funkce detekce středu určit, zda je joystick používán (tato funkce by se neměla používat pro bezpečnostní nebo zabezpečovací účely).

Všimněte si, že tyto možnosti se vzájemně vylučují. Je důležité určit, která funkce je pro implementaci na joysticku nejvhodnější a které další funkce lze namapovat na jiné ovládací prvky.

Aspekty návrhu týkající se elektřiny

K zajištění maximální spolehlivosti hledejte joystick s redundantními senzory s Hallovým efektem. Dále je třeba pečlivě regulovat napájení. Pokud se napájení změní mimo specifikované tolerance, může dojít k trvalému poškození senzorů, čímž se zabrání výhodám redundance.

Promyšlené provedení vyžadují také napěťové výstupy joysticku. Jako první krok by měl být zvolen typ výstupního signálu (např. analogová nebo pulzně šířková modulace („pulse width modulation“, PWM)) a napětí by mělo být upraveno tak, aby odpovídalo očekávaným vstupům mikrokontroléru („microcontroller unit“, MCU), který bude tyto signály číst. Obrázek 4 znázorňuje příklad takových možných výstupních napětí. Rovněž je třeba vzít v úvahu výstupní impedanci. Nízký odpor zátěže (např. < 10 kΩ) vytváří riziko vysokých proudů, které by mohly poškodit senzor.

Obrázek 4: U víceosých joysticků by měla být dvě výstupní napětí (X/Y) škálována tak, aby odpovídala vstupům MCU. (Zdroj obrázku: společnost APEM)

Jak již bylo uvedeno dříve, senzory s Hallovým efektem jsou citlivé na magnetické rušení. Dobře navržený joystick proto obsahuje vnitřní magnetické stínění. Je třeba dbát na správné oddělení napájení a použití dostatečného EMC stínění. I přes tato opatření by joystick neměl být namontován nebo provozován v blízkosti silných magnetických polí.

Závěr

S rostoucí složitostí průmyslových zařízení potřebují konstruktéři robustnější ovládací prvky, aby zajistili, že uživatelské rozhraní bude mít požadovanou úroveň přesnosti, směrové flexibility a hmatové zpětné vazby pro přesné ovládání a zároveň že bude robustní a spolehlivé při extrémních teplotách a cyklech používání. Jak je ukázáno, vynikajícím řešením může být nízkoprofilový joystick. S náležitým zvážením senzoru polohy, krytí IP, elektromagnetické izolace a použitelnosti lidmi, podpořeným pečlivou implementací návrhu, může takový palcový joystick poskytnout mnoho výhod pro širokou škálu aplikací.