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Regeln statt nur steuern

(Computer & Automation, Ausgabe 02/2011)

Herkömmlichen Positioniersteuerungen für Kransysteme fehlt es an einer automatischen Störgrößenbehandlung. Dies macht sie anfällig für äußere Einflüsse. Durch den Umstieg auf eine Regelung ließen sich die Störungen um bis zu 60 % reduzieren.

Auch heute basieren Positioniersteuerungen vielfach noch auf Antriebssteuerungen und externen Steuerungen, die über Bussysteme oder per Analogwert den Antrieb eines Krans ansprechen. Zur Positionsrückgabe kommen hier meist Näherungsschalter, Laserdistanzmesser, Drehgeber oder Linear-Encoder zum Einsatz. Kurzum: Die Kransysteme werden in der Regel durch reine Steuerungsmaßnahmen positioniert. Die Positioniersteuerung nutzt also ein Wegmesssignal als Eingangsgröße, um in einem Antrieb zum Beispiel voreingestellte Rampenfunktionen anzusprechen, die ein Kransystem zu einer bestimmten Position navigieren sollen.

Dass Störgrößen nicht automatisch erkannt und ausgeglichen werden können, ist der größte Nachteil einer gesteuerten gegenüber einer geregelten Positionierung, bei der die gesteuerte Größe nach einem Soll-Ist-Vergleich auf sich selbst zurück wirkt. Ergo sind zur Detektierung von Störungen bei gesteuerten Anwendungen immer Hilfsmaßnahmen notwendig, wie etwa das Einlesen zusätzlicher Sensorik zur Überwachung der Bewegung oder Endpositionierung. Hinzu kommt, dass ein schlecht eingestellter und damit schwingender Antriebsregler den Positioniervorgang beeinflusst, ohne dass diese Schwingung durch Hilfsmaßnahmen korrigiert wird.

Was ist steuern, was ist regeln?

Nach DIN 19226 Teil 1 ist der Steuerungsvorgang wie folgt beschrieben: "Das Steuern, die Steuerung ist ein Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Kennzeichen für das Steuern ist der offene Wirkungsweg oder ein geschlossener Wirkungsweg, bei dem die durch die Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst wirken."

Der Regelungsvorgang ist in der DIN 19226 Teil 1 wie folgt beschrieben: "Das Regeln, die Regelung ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (die zu regelnde Größe), erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst."

Das Prinzip der Steuerung ist allerdings nicht der einzige Nachteil gängiger Positionierlösungen. Oft kann nur eine speziell darauf geschulte Fachkraft die aufwendigen und meist komplizierten Programmierwerkzeuge anwenden. Außerdem sind antriebsspezifische Lösungen nicht modular austauschbar und führen deshalb zur Abhängigkeit von bestimmten Herstellern.

Im Gegensatz dazu bietet eine gut eingestellte Regelung verschiedene Vorteile: Zum einen erfasst sie die Störgrößen sofort und regelt sie aus. Zum anderen hält sie den vorgegebenen Wert genauer ein. Darüber hinaus ermöglicht ein geregelter Ansatz, länger anhaltende Störungen zu behandeln und auch auftretende dauerhafte Systemabweichungen zu detektieren. Das Stichwort heißt hier Störungsfrüherkennung. Dazu ist jedoch eine Modellierung der zu regelnden Maschine notwendig. Eine Steuerungsmaßnahme - so ausgereift sie auch sein mag - kann das nicht leisten!


Die Voraussetzungen für die Regelung

Um eine geregelte Kranspositionierung realisieren zu können, darf die Reglereinstellung nicht ausschließlich empirisch erfolgen, sondern sollte durch Simulation beziehungsweise Parameteridentifikation optimiert werden. Dazu muss die Regelstrecke bekannt sein und als Modell existieren. Durch eine automatische Systemeinstellung lässt sich eine solche Technik einfach handhaben. Neben einer automatischen Reglereinstellung sind weitere physikalische Eckdaten der Maschine wichtig und müssen zur vereinfachten Anwendung ebenfalls automatisch ermittelt werden. Diese Eckdaten sind zum Beispiel die Offsetspannung, die richtungsabhängigen minimalen Totpunkte des Antriebs, die maximale Geschwindigkeit sowie die maximale Beschleunigung der Anlage.

Eine weitere Voraussetzung ist, dass das Wegmesssystem den physikalischen Eigenschaften und dynamischen Anforderungen der Maschine genügt. Optische Laserdistanzmesser sind hierfür ideal geeignet, da sie Absolutwerte als Rückgabe liefern (bezogen auf den Nullpunkt im Messsystem). Auch besteht bei ihnen im Gegensatz zu Drehgebern keine Notwendigkeit, einen Nullpunkt einzustellen und es existiert zudem nicht die Gefahr, dass durchrutschende Führungsrollen eine Fehlmessung erzeugen. Nicht zuletzt erlauben optische Laserdistanzmesser eine leichte Montage und Ausrichtung durch einen sichtbaren Messfleck.

Am Beispiel des Positioniersystems ARATEC der Firma PSI Technics, mit dem bis zu drei Achsen gleichzeitig positionierbar sind, lassen sich Funktionsweise und Handhabung des geregelten Lösungsansatzes sowie erweiterte Funktionen wie Gleichlaufregelung und Energieoptimierungs-Maßnahmen näher erläutern:

Das System besteht aus einer Kontrolleinheit, in der Regel einem Laser als Distanzmessgerät und den Schnittstellen zur Prozess-Steuerung sowie zum Antrieb der Maschine. Per Wegmessung erhält es den Absolutwert der Maschinenposition, verarbeitet diesen in der internen Regelung und spricht die Aktorik (Antrieb) mit dem entsprechenden Ausgabewert an, um die Mechanik des Systems an die gewünschte Position zu bringen. Die Befehle zur Positionierung werden zum Beispiel per Feldbus oder seriell per ASCII-Protokoll von einer Prozess-Steuerung an das ARATEC gerichtet. Die Kommunikationsschnittstelle liefert eine transparente Darstellung aller Systemzustände über Status-Codes.

Sobald die Prozess-Steuerung einen Zielbefehl gibt, übernimmt das System die Positionierung des Krans. Neue Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Zielwerte lassen sich jederzeit während einer Bewegung eingeben und werden sofort berücksichtigt, ohne die Endpositionierung zu beeinflussen. Auch Positioniertoleranzen, Entfernungs-Offsets oder Strahlunterbrechungswerte lassen sich im laufenden Betrieb zu jeder Zeit ändern oder abfragen. Nicht zuletzt können sogar Stationstabellen in der Betriebsphase angepasst werden. Was die Wegmessung an sich betrifft, so lässt sich grundsätzlich jeder Distanzmesser einsetzen, solange er per SSI einlesbar ist und seine Messdynamik für Kranapplikationen ausreicht.


Die Komponenten der geregelten Kransteuerung lassen sich in bestehende Architekturen integrieren und in Betrieb nehmen, ohne dass in das Gesamtsystem eingegriffen werden muss. Die Schnittstellenkonfiguration bezieht sich auf eine Achse.

Die Kontrolleinheit basiert auf einem 1,6-GHz-Pentium-M-Prozessor von Intel und verfügt über 1 GByte RAM und 2 GByte Flash. Als Betriebssystem kommt Linux mit Echtzeiterweiterung zum Einsatz. Dies unterstützt zum einen eine einfache Portierung der Software, zum anderen wird dadurch der Modul-Gedanke konsequent umgesetzt. Für einfache I/Os und zur seriellen Kommunikation dienen Module der 750er-Serie von Wago.

Die in der Kontrolleinheit implementierte Regelungs-Software ist in der Lage, hochdynamische Schwingungen - speziell Seilschwingungen -  auszugleichen und ein physikalisch zum Schwingen neigendes System zu stabilisieren. Das gilt beispielsweise für Seilschwingungen bei Hub-Anwendungen. Darüber hinaus wurde der Gedanke der Prädiktion (Beschreibung der Vorhersagbarkeit von Prozessen) konsequent umgesetzt, um Simulationsmaßnahmen im laufenden Betrieb zu ermöglichen. So kann die Positionierung der Anlage bei einer definierten Unterbrechungsdauer des Lichtstrahls vollkommen unbeeinflusst von dieser Störung ablaufen. Durch eine zeitlich optimierte Trajektorienplanung in Kombination mit einer Vorsteuerung, die der Regelstrecke angepasst ist, werden die optimalen Sollwerte für die Positionierung der Anlage vorgegeben. Diesen Sollwerten kann die Regelung nahezu ohne Schleppfehler zwischen der Vorsteuerung und der Maschine - sprich bis auf wenige Millimeter - folgen. So wird gleichzeitig die Mechanik des Krans geschont, da nur dem System angepasste Vorgabewerte erzeugt werden.


Das Web-Interface des Positioniersystems ARATEC: Dargestellt ist die Seite, auf der die Lernfahrt (Charakterisierung des Systems) gestartet werden kann.

Die Reglereinstellung erfolgt durch eine automatische Routine, deren Aktivierung per Web-Interface erfolgt. Während dieser Routine werden die Reglerwerte und ein Modell der Anlage ermittelt. Zudem werden die physikalischen Grundlagen der Maschine erlernt. Auch die vollständige Konfiguration und Inbetriebnahme des ARATEC s erfolgt über die Web-Oberfläche. So ist auf einfache Weise die Verbindung zur Kontrolleinheit ohne jede Zusatz-Software möglich - lediglich ein Web-Browser ist erforderlich.


Gleichlauf und Energieoptimierung

Neben der beschriebenen Funktionsweise bietet das Regelungssystem von PSI Technics noch die Erweiterungen FLP6000ASC und FLP6000EOS als optionale Software-Module. FLP6000ASC ermöglicht eine Gleichlaufregelung bei Brückenkränen, bei FLP6000EOS handelt es sich um eine Erweiterungsfunktion zur Energieoptimierung der Positioniervorgänge bei Mehrachsensystemen.


Die Kranbrücke lässt sich vor oder während einer Bewegung ausrichten. Das dient dazu, eine Parallelität zu Bewegungsbeginn herzustellen und deine eventuelle Schrägstellung zu beheben.

Eine Gleichlaufregelung hat die Aufgabe, zwei unabhängige Antriebe an einer Anlage so anzusteuern, dass die beiden Kranseiten synchron bezüglich der gemessenen Distanz laufen. Das beinhaltet eine möglichst gute Einhaltung des Gleichlaufs von Drehzahl oder Drehwinkel der einzelnen Antriebe untereinander - unabhängig von Führungs- und Störgrößenänderungen in der Arbeitsmaschine beziehungsweise der Anlage. Bei einem doppelmotorigen Brückenkran sorgt die Gleichlaufregelung dafür, den Schräglauf des Krans minimal zu halten. Für bestimmte Anwendungen kann eine Position auch bewusst schräg angefahren werden, zum Beispiel bei einer schräg darunter stehenden Montagelinie. Dies wird im Bewegungsprofil der Positionierung festgelegt. Sobald ein Schräglauf entsteht, lässt sich der Brückenkran im Stillstand wie auch während der Fahrt per FLP6000ASC neu ausrichten. Und auch bereits vor Bewegungsbeginn kann die Software jeden manuell verursachten Schräglauf durch Ausrichten der Brücke ausgleichen.


Geschwindigkeitsprofile mit FLP6000EOS und ohne FLP6000EOS

Oben die Geschwindigkeitsprofile von X- und Y-Achse einer konventionellen Bewegung ohne Energieoptimierungs-Software (FLP6000EOS).

Unten dieselbe Fahrt durch eine Positionierung mit FLP6000EOS. Nach Berechnung und Optimierung kann die Fahrt der Y-Achse verlangsamt werden. Die benötigte Endgeschwindigkeit liegt unter der Hälfte der Maximalgeschwindigkeit.

Industrielle Förderanlagen arbeiten naturgemäß mit einem ökonomischen Aufwand (Betriebskosten/Energie/Verschleiß). Um diesen Aufwand möglichst gering zu halten und damit ein Einsparpotential zu erschließen, wurde die Optimierungs-Software FLP6000EOS entwickelt. Die Software ist speziell auf Mehrachsensysteme wie Kransysteme anwendbar und spricht die einzelnen Achsen des Systems so an, dass diese in der regulären Positionierzeit - also ohne Zeitverzug - gleichzeitig an den Ziel-Koordinaten ankommen. Somit wird eine der Achsen mit reduzierter Geschwindigkeit betrieben. 

Diese Funktion lässt sich in Verbindung mit dem Positioniersystem ARATEC ohne Änderungen am Materialflussrechner, dem Lagerverwaltungssystem oder der Kransteuerung durch den Anwender integrieren. Die Verschaltung der Komponenten des Positioniersystems erfolgt analog zur Verschaltung bei FLP6000ASC.


Mit den geschilderten Eigenschaften des ARATECs wurde letztlich ein System zur Positionsregelung entwickelt, das durch seine Modularität und die konsequente Realisierung standardisierter Benutzer- und Prozess-Schnittstellen flexibel in jede Anlage integrierbar ist. Darüber hinaus bieten die optionalen Erweiterungsmodule FLP6000ASC und FLP6000EOS eine Erhöhung der Lebensdauer für die Mechanik durch den Gleichlauf der Achsen und eine Reduzierung der benötigten Energie von bis zu 15 % während der Positionierbewegungen. Eine Inbetriebnahme von zwei Achsen erfordert maximal zwei Tage, wobei der zweite Tag in der Regel der Prozessbetreuung dient.


Kontakt:
PSI Technics
Karl-Heinz Förderer
An der Steinkaul 6a
D-56333 Winningen
Tel.: +49 (0) 2630 91590-0
E-Mail: info@psi-technics.com

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