高速 CNC フライス盤や複雑な切削加工を行う精密旋盤の隣に立ったことがあれば、プロセスのすべての部分がどのようにしてこれほどシームレスに並ぶのか不思議に思ったことがあるでしょう。工作機械メーカー、メンテナンス技術者、生産管理者から寄せられる最も一般的な質問の 1 つは、「工作機械スピンドル用の VFD は PLC と通信できますか?」というものです。これらの特殊なドライブのサプライヤーとして、私はこれらのコンポーネントを毎日扱っています。簡単な答えは「はい」です。しかし、通信の信頼性を高めるには多くの努力が必要です。だからこそ、通信は現代の工作機械のパフォーマンスにとって非常に重要な部分なのです。
舞台を設定するために、これらの各部分が何を行うかから始めましょう。工作機械スピンドル用の VFD (可変周波数ドライブ) は、基本的なコンベアやファンに使用される VFD と同じではありません。 20,000 RPM を超える高速、重切削用の正確なトルク制御、工具の磨耗や部品の欠陥を避けるための厳格な速度制御など、機械加工の極端な要求に対応するように設計されています。一方、PLC (プログラマブル ロジック コントローラー) は機械の「頭脳」であり、軸の移動、工具の交換、送り速度の調整、そして主軸の制御をいつ行うかを機械に指示するプログラムを実行します。この 2 つが連携して作業するには、加工プロセスの要求がどれほど高くても、常に相互に「対話」する必要があります。
私がこの業界に入り始めたとき、多くのスピンドル VFD は単純なオン/オフ信号、またはスピンドルに加速または減速を指示するアナログ電圧で動作していました。基本的なアプリケーションではこれで機能しましたが、切削中に速度を調整したり、主軸速度をねじの送り速度に同期したり、主軸の温度や負荷に関するリアルタイム データを取得したりする必要がある場合、アナログ信号では十分ではありませんでした。アナログは他の機械コンポーネントからの電気ノイズの影響を受けやすいため、速度が不安定になったり、ジョブの途中で機械がシャットダウンするエラー メッセージが表示されたりすることがあります。ここでデジタル通信プロトコルが登場し、VFD と PLC が接続されるときに本当の魔法が起こります。
現在、工作機械アプリケーションで使用される一般的なプロトコルがいくつかありますが、すべての VFD がそれらをサポートしているわけではありません。私はサプライヤーとして、当社が提供する工作機械スピンドル用 VFD が、PROFINET、Modbus RTU/TCP、Ethernet/IP など、最も広く使用されている PLC 通信規格で動作することを確認しています。これらのプロトコルを使用すると、PLC は単なる速度コマンド以上のものを送信できるようになります。スピンドルにミリ秒単位で速度を 1000 RPM から 15,000 RPM に変更するように指示したり、切断する材料に基づいてトルクを調整したり、スピンドルの負荷、温度、アラーム コードなどのリアルタイム データを取得したりすることができます。たとえば、長時間の稼働中にカッターが摩耗し始めた場合、PLC はそれをスピンドル VFD に伝達して速度をわずかに調整して補償し、生産を停止することなく部品の品質を一定に保つことができます。
これが実際の工作機械のセットアップでどのように機能するかについて話しましょう。昨年、高精度アルミニウム マシニング センターを構築する顧客から、古いスピンドル VFD が新しい PLC と確実に通信できず、部品の廃棄やダウンタイムが頻繁に発生するという理由で問い合わせがありました。彼らの古いドライブはアナログ信号のみを使用しており、施設では電気的干渉を引き起こす他の多くの機械が稼働しており、それが速度信号のジッターを引き起こしていました。ノイズの影響を受けにくく、データ転送が速いため、産業オートメーション用に設計されたプロトコルである PROFINET をサポートする工作機械スピンドル用 VFD を推奨しました。古いドライブを交換し、それと通信するように PLC をプログラムしたら、問題は解決しました。現在、PLC は軸の動きと同期して主軸速度を調整できるため、サイクル タイムが 12% 短縮され、スクラップ部品が 8% 削減されます。良好なコミュニケーションがもたらす違いは、このようなものなのです。
もう 1 つ考慮すべき点は互換性です。すべての PLC がすべての VFD 通信プロトコルで動作するわけではないため、購入する前に両方を確認することが重要です。たとえば、工場で Allen-Bradley PLC を使用している場合、Ethernet/IP をサポートする VFD を選択すると、シームレスに連携するように設計されているため、統合がはるかに簡単になります。これは、当社の 380v CNC スピンドル周波数インバーターのような特殊なドライブが輝く場所でもあります。これらのドライブは、一般的な PLC で動作するように事前に構成されているため、インストール中に通信の問題のトラブルシューティングに何週間も費やす必要はありません。独自のプロトコルでのみ動作する VFD を購入し、PLC に互換性がないため、顧客が数千ドルを無駄にしているのを見てきました。事前に時間をかけてプロトコルを一致させると、後で多くの問題が発生しなくなります。
工作機械では精度がすべてであり、この点でデジタル通信が古いアナログ方式よりも際立っています。アナログの場合、速度信号は通常 0 ～ 10 V または 4 ～ 20 mA 信号です。つまり、速度は電圧降下やノイズに基づいてわずかに変化する可能性があります。デジタル プロトコルでは、データはバイナリ コードとして送信されるため、電気的干渉によって実際のコマンドが変更されることはほとんど不可能です。つまり、PLC が指示すると、スピンドルは正確に 10,000 RPM で動作し、それ以上でもそれ以下でもありません。ダイカストや金型製造などのアプリケーションでは、1% の速度変動でも部品が破損する可能性があるため、その精度レベルは交渉の余地がありません。
また、このコミュニケーションは双方向なのかという質問も受けますが、それが重要なポイントです。多くの人は、PLC が VFD にコマンドを送信しているだけだと考えていますが、VFD はデータを PLC に送信することもできます。これは「デバイス状態の監視」と呼ばれるもので、メンテナンスと生産性にとって大きなメリットとなります。たとえば、ベアリングの磨耗によりスピンドルが熱くなりすぎた場合、VFD は警告信号を PLC に送り返すことができ、PLC はスピンドルの速度を低下させてスピンドルを冷却したり、致命的な故障が発生する前にメンテナンスをスケジュールするようオペレータに警告したりすることができます。この予知保全機能により、計画外のダウンタイムが削減されます。これは、稼働時間を常に増やしたいと考えている生産管理者にとって大きな意味を持ちます。
もちろん、VFD と PLC が同じプロトコルを使用している場合でも、VFD と PLC 間の通信に影響を与える可能性のある要因がいくつかあります。配線は重要です。産業環境ではモーター、溶接機、その他の機器からの EMI (電磁干渉) が多く発生するため、シールド付きイーサネット ケーブルを使用し、電源ケーブルから遠ざけることが重要です。配線が高圧線に近すぎると信号が歪み、通信エラーが発生する可能性があります。もう 1 つの要因は PLC プログラミングです。速度コマンドの送信またはデータの読み取り命令が正しく設定されていない場合、最適な VFD とプロトコルであっても機能しません。だからこそ、セットアップとプログラミングのサポートを提供するサプライヤーと協力することが重要です。私たちは、お客様が通信が最初から正しく構成されていることを確認できるよう支援します。
また、よくある誤解についても触れておきます。VFD と PLC は異なるメーカーによって製造されているため、通信できないと考える人もいます。一部の独自プロトコルが互換性を制限していることは事実ですが、最も一般的な産業用プロトコルはオープン標準であるため、どのメーカーもそれらをサポートするデバイスを構築できます。そのため、当社が提供するようなオープン プロトコルを使用する VFD を選択することが非常に重要です。当社のチームは顧客と協力して特定の PLC モデルとの互換性を確認するため、問題が発生することを心配する必要はありません。
小規模な機械工場にとって、このレベルのコミュニケーションは過剰だと思われるかもしれませんが、小規模な CNC ミルや旋盤であっても、メリットは積み重なります。昨年私が協力した小さなショップでは、地元メーカー向けのカスタム パーツを扱っていました。その古いセットアップではスピンドルに単純なオン/オフ スイッチが使用されていたため、ドライブ上のポテンショメータを回して手動で速度を調整する必要がありました。小型 PLC と通信する工作機械スピンドル用の VFD に切り替えることで、アルミニウムとスチールなど、さまざまな材質の複数の速度プロファイルを保存できるようになり、仕事を変えるたびにドライブを調整する必要がなくなりました。これにより、部品の実行ごとに転職時間が 20 分短縮され、月あたり最大数百ドルの節約につながりました。
さて、工作機械スピンドル用の新しい VFD を購入しようとしている場合、または PLC との通信を改善するために現在のセットアップをアップグレードしようとしている場合は、単なる汎用 VFD ではなく、工作機械専用のドライブを探すことが重要です。汎用 VFD はファンやポンプには機能するかもしれませんが、精密加工に必要な速度調整機能や通信機能がありません。当社の 380v CNC スピンドル周波数インバータのようなスピンドル用の特殊な VFD は、機械加工の高い動的負荷を処理し、必要な通信プロトコルをサポートし、PLC とシームレスに統合するように設計されています。
通信エラー、一貫性のないスピンドル速度、または VFD と PLC 間の統合不良による計画外のダウンタイムにうんざりしている場合は、変更を加える時期が来ています。私たちは、何百もの工作機械製造業者やオペレータがシステムを確実に動作させるのを支援してきました。また、あなたもお手伝いできます。新しい機械の構築に取り組んでいる場合でも、既存のセットアップのアップグレードに取り組んでいる場合でも、当社のチームは、お使いの PLC に適合する工作機械スピンドル用の適切な VFD の選択、通信プロトコルの設定、あらゆる段階でのサポートの提供をガイドします。当社のソリューションの詳細と、工作機械のパフォーマンスを向上させる方法について知りたい場合は、今すぐお問い合わせください。
参考文献
- 「工作機械アプリケーションのための産業通信プロトコル」、IEEE Transactions on Industrial Informatics、Vol. 2021 年 17 号、第 3 号
- 「精密機械加工のための可変周波数ドライブ: 互換性とパフォーマンス」、Machining Science and Technology、Vol. 2022 年 25 号、第 4 号
- 「PLC とスピンドル ドライブの統合: 産業オートメーションのベスト プラクティス」、産業オートメーション マガジン、2023 年第 2 四半期
- 「産業用ドライブ通信における電磁両立性」、Journal of Electromagnetic Engineering and Science、Vol. 2022年22号2号