Neues

SPS-basier­te Wickelapplikation

Überaus erfolgreich hat Aaron Laufs im Rahmen seiner Bachelorarbeit die Auslagerung einer Regelung für Wickelanlagen auf eine speicherprogrammierbare Steuerung umgesetzt.
Aufbau der Wickelapplikation

Über­aus erfolg­reich hat Aaron Laufs im Rah­men sei­ner Bache­lor­ar­beit die Aus­la­ge­rung einer Rege­lung für Wickel­an­la­gen auf eine spei­cher­pro­gram­mier­ba­re Steue­rung umge­setzt. Zur Ana­ly­se und Anwen­dung der ent­wi­ckel­ten Soft­ware dient ein Wickel­mo­dell mit Tän­zer- und Zug­kraft­re­ge­lung, das mit Sys­tem­kom­po­nen­ten unse­res Pre­mi­um-Sys­tem­part­ners Mitsu­bi­shi Elec­tric aus­ge­stat­tet wurde.

Moti­va­ti­on und Hintergrund

In einer vor­an­ge­gan­ge­nen Bache­lor­ar­beit wur­de bei uns das Modell der Wickel­an­la­ge mit SPS-basier­ter Rege­lung ent­wor­fen und umge­setzt. Das vor­han­de­ne Test­mo­dell wur­de nun umge­baut und mit Soft- und Hard­ware der Fir­ma Mitsu­bi­shi Elec­tric aus­ge­stat­tet. „Gemein­sam mit Mitsu­bi­shi habe ich eine Steue­rungs­ba­sis für Wickel­ap­pli­ka­tio­nen erar­bei­tet, die in Zukunft fle­xi­bel für ver­schie­de­ne Moto­ren- und Anla­gen­grö­ßen ein­ge­setzt wer­den kann“, berich­tet Aaron.

Aaron Laufs hat mit die­ser Bache­lor­ar­beit sein Stu­di­um an der Fach­hoch­schu­le Aachen im Fach­be­reich Auto­ma­ti­sie­rungs- und Antriebs­tech­nik sum­ma cum lau­de abge­schlos­sen. Nach sei­ner Aus­bil­dung und ers­ter Berufs­er­fah­rung ent­schied Aaron sich zum Voll­zeit­stu­di­um, das ihn Mit­te letz­ten Jah­res zu QA geführt hat. Nach sei­nem Pra­xis­se­mes­ter und sei­ner Bache­lor­ar­beit bei QA star­tet Aaron im kom­men­den Semes­ter mit dem Mas­ter­stu­di­um. Wir wün­schen ihm an die­ser Stel­le viel Erfolg und freu­en uns schon jetzt auf eine span­nen­de Masterarbeit.

Der Test­auf­bau

Das Modell aus Fischer­tech­nik-Kom­po­nen­ten simu­liert annäh­rend rea­le Bedin­gun­gen. Eine Vor­schub­ein­heit in der Mit­te zwi­schen den bei­den Wickel­ein­hei­ten gibt die Geschwin­dig­keit vor. Auf der lin­ken Sei­te ist eine Tän­zer­re­ge­lung rea­li­siert. Bei die­sem Ver­fah­ren wird das Mate­ri­al hin­ter dem Wick­ler über einen ver­ti­kal frei beweg­li­chen Tän­zer geführt. Der Tän­zer soll­te mög­lichst immer in einer mitt­le­ren Posi­ti­on blei­ben, die Rege­lung reagiert auf Abwei­chun­gen von die­ser Posi­ti­on. Die Weg­mes­sung erfolgt durch ein Schie­be­po­ten­tio­me­ter. Für das zwei­te Ver­fah­ren, die Zug­kraft­re­ge­lung, kommt eine fes­te Umlenk­rol­le zum Ein­satz, an deren Fun­da­ment Kraft­sen­so­ren ange­bracht sind. Hier defi­niert der Zug auf die Rol­le die Regelgröße.

Pro­zess­re­ge­lung und Softwareaufbau

Die gesam­te Pro­zess­re­ge­lung erfolgt im digi­ta­len Bereich und bringt damit gewis­se Her­aus­for­de­run­gen für eine funk­tio­nie­ren­de Rege­lung mit sich. Das Ana­log­si­gnal wird zuerst hin­sicht­lich der Abtast­zeit dis­kre­ti­siert, was eine Moment­auf­nah­me in fes­ten Zeit­ab­stän­den erlaubt. Im Anschluss erfolgt die Umwand­lung in einen digi­ta­len Wert. Ins­be­son­de­re an die Daten­ver­ar­bei­tung und ‑über­tra­gung wer­den gro­ße Anfor­de­run­gen gestellt, da hier­bei inner­halb der digi­ta­len Rege­lung eine syn­chro­ne Ver­ar­bei­tung der Daten sicher­ge­stellt wer­den muss. Nur so kann eine zeit­kon­ti­nu­ier­li­che Aus­ga­be der Stell­grö­ße erfol­gen.
Die Tän­zer- und Zug­kraft­re­ge­lung wur­de als vor­ge­steu­er­te Rege­lung rea­li­siert. Dies hat zum einen den Vor­teil, dass der Reg­ler ent­las­tet wird, da nur noch vor­han­de­ne Regel­ab­wei­chun­gen aus­ge­gli­chen wer­den müs­sen. Zum ande­ren bewirkt die Ver­bes­se­rung des dyna­mi­schen Ver­hal­tens ein schnel­le­res Reagie­ren auf Ände­run­gen in der Füh­rungs- oder Stör­grö­ße. Um die vor­ge­steu­er­te Rege­lung ein­setz­ten zu kön­nen, muss­ten sämt­li­che phy­si­ka­li­schen Zusam­men­hän­ge inner­halb der Appli­ka­ti­on ermit­telt wer­den. Dazu gehör­ten unter ande­rem der Wickel­durch­mes­ser, die Bahn­ge­schwin­dig­keit, die Zug­kraft und das Dreh­mo­ment. Für die Abbil­dung der phy­si­ka­li­schen Pro­zes­se muss­ten neue Funk­ti­ons­bau­stei­ne erstellt wer­den, die die Berech­nung der benö­tig­ten Grö­ßen rea­li­sie­ren. Dazu gehö­ren z.B. die Durch­mes­ser­be­rech­nung der Wickel, die Rei­bungs­kom­pen­sa­ti­on und die Dreh­mo­ment­vor­steue­rung. Der PI-Reg­ler wur­de mit einem Mitsu­bi­shi-Bau­stein realisiert.

Ergeb­nis­se und wei­ter­füh­ren­de Anwendungsbereiche

Die Zug­kraft­re­ge­lung weist ein sehr gutes Regel­ver­hal­ten auf, die Füh­rungs­grö­ße wird nach etwa einer Sekun­de erreicht. Die Genau­ig­keit des Füh­rungs­ver­hal­tens beträgt dabei ±(13,9 ± 8,66) mN (max. Regel­ab­wei­chung ± Genau­ig­keit Mess-Sys­tem). Die Tän­zer­re­ge­lung weist eine Genau­ig­keit von ± 3,2 mm auf. Hier­bei ist zu beach­ten, dass der Tän­zer ein trä­ges Sys­tem ist, sodass Ände­run­gen der Stell­grö­ße nur ver­zö­gert im Sys­tem erkenn­bar sind. Durch das gute Regel­ver­hal­ten wird eine schnel­le Aus­re­ge­lung von Stör­grö­ßen sicher­ge­stellt. Ins­be­son­de­re die Zug­kraft­re­ge­lung gewähr­leis­tet eine hohe Genau­ig­keit der Zug­kraft und soll­te dem­entspre­chend für sol­che Anwen­dungs­fäl­le ein­ge­setzt wer­den.
Im Hin­blick auf die SPS-basier­te Rege­lung bie­tet die ent­wi­ckel­te Appli­ka­ti­on ein brei­tes Spek­trum an Anwen­dungs­be­rei­chen. Hier­bei muss jedoch immer die Latenz­zeit des Bus­sys­tems und der SPS in Bezug auf den gefor­der­ten Pro­zess berück­sich­tigt wer­den.
Dar­über hin­aus kön­nen die ent­wi­ckel­ten Funk­ti­ons­bau­stei­ne auch auf ande­ren Steue­rungs­platt­for­men ein­ge­setzt wer­den, was durch die quell­code­of­fe­ne Pro­gram­mie­rung ermög­licht wird. Die Ent­wick­lung der essen­zi­el­len Bau­stei­ne für die Appli­ka­ti­on wur­de her­stel­ler­un­ab­hän­gig rea­li­siert. Des Wei­te­ren kann eine Wickel­cha­rak­te­ris­tik imple­men­tiert wer­den, wel­che die Vor­ga­be der Zug­kraft in Abhän­gig­keit zum Wickel­durch­mes­ser ermög­licht. Ins­be­son­de­re im Hin­blick auf die Bat­te­rie­pro­duk­ti­on kann der Ein­satz von pris­ma­ti­schen Wick­lern erfor­der­lich sein. Hier­für könn­te eine Vor­steue­rung für nicht kreis­sym­me­tri­sche Wick­ler anhand des rea­len Modells ent­wi­ckelt und erprobt werden.

Pro­zess­da­ten­über­wa­chung durch MQTT-Anbindung

Durch die Imple­men­tie­rung einer MQTT-Kar­te wur­de über Mos­quit­to als MQTT-Ser­ver eine Pro­zess­da­ten­über­wa­chung per Web­ober­flä­che geschaf­fen. Auf einer mit HTML, CSS und Java­Script pro­gram­mier­ten Web­site kön­nen unter ande­rem die Zug­kraft, der Durch­mes­ser und der Anla­gen­sta­tus über­wacht werden.