FAQ zur Antriebstechnik

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1 FAQ zur Antriebstechnik Technologie-CPUs FAQ Einstellung von, Lageregel- und Interpolationstakt

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... 2 Frage... 2 Technologie-CPUs: Wie hängen, Lageregel- und Interpolationstakt zusammen?... 2 Antwort... 2 Der Zusammenhang der e in einer Technologie-CPU ist nachfolgend beschrieben: Zusammenhang zwischen, Lageregel- und dem Interpolationstakt Task-Zyklusdauer und Genauigkeit Technologische Funktionen , Lageregeltakt und Interpolationstakt Darstellung der einzelnen arten Abhängigkeiten zwischen den einzelnen arten Die Task-Bearbeitungsdauer Einstellung der Systemtakt- Parameter Vorgabe des DP-es im Projektiertool HW-Konfig Einstellung der Faktoren für Servo- und IPO- in S7T-Config... 9 Dieser Beitrag stammt aus dem Internet der Siemens AG, Automation and Drives, Service & Support. Durch den folgenden Link gelangen Sie direkt zur Downloadseite dieses Dokuments. Frage Antwort Technologie-CPUs: Wie hängen, Lageregel- und Interpolationstakt zusammen? Der Zusammenhang der e in einer Technologie-CPU ist nachfolgend beschrieben: V /11

3 1 Zusammenhang zwischen, Lageregel- und dem Interpolationstakt 1.1 Task-Zyklusdauer und Genauigkeit Bei Positioniervorgängen ist eine der zentralen Fragen die Genauigkeit, mit der ein Positioniervorgang in einer Maschine durchgeführt werden kann. Aus Steuerungssicht alleine kann diese Frage jedoch nur schwer beantwortet werden, da hierbei die Auswahl von Motoren und Gebern, sowie mechanische Gegebenheiten an der jeweiligen Maschine eine große Rolle spielen. Im Zusammenhang mit der Genauigkeit steht allerdings in der Steuerung die Task-Zyklusdauer, mit der Regelungsvorgänge berechnet werden. Je kürzer die Task-Zyklusdauer der Steuerung, desto öfter werden im Regelalgorithmus die Sollwerte über die tatsächlichen Istwerte der Maschine, bzw. der Achsen angepasst. Störungen an den Maschinenachsen, wie z.b. Trägheitskräfte oder Reibung, können bei kurzer Task-Zyklusdauer schneller durch die Regelung korrigiert werden. Die Einstellung und Optimierung der Systemtakt-Parameter hat somit einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Maschine und sollte deshalb bei der Planung bzw. Inbetriebnahme berücksichtigt werden. Je kürzer die Systemtakt-Parameter eingestellt werden können, desto besser wird die Leistungsfähigkeit der Technologie-CPU 317T-2 DP ausgenutzt. Die erreichbare Genauigkeit und die Reaktionszeit der CPU auf Störungen wird dadurch erhöht. 1.2 Technologische Funktionen Bei den technologischen Funktionen handelt es sich um Funktionen, die die SIMATIC CPU um MotionControl Anwendungen erweitern, d.h. es können über PROFIBUS Antriebe angesteuert werden. Dabei wird für die Antriebe ein äquidistanter PROFIBUS verwendet (PROFIBUS DP(Drive)). Dadurch wird erreicht, dass die Integrierte Technologie der Steuerung, der PROFIBUS und alle angeschlossenen Antriebe taktsynchron arbeiten, d.h. die zyklen aller Geräte am Bus beginnen zum gleichen Zeitpunkt. Diese synchronität ermöglicht es, trotz dezentraler Automatisierungsstruktur, eine zentrale Positionierregelung für die Antriebe zu verwenden. 1.3, Lageregeltakt und Interpolationstakt Hauptaufgabe der Technologie-CPU 317T-2 DP ist die Steuerung bzw. Regelung von Bewegungsvorgängen über die an der CPU angeschlossenen Antriebseinheiten. V /11

4 Beim Anschluss eines Antriebs an die Technologie-CPU 317T-2 DP wird ein Regelkreis zwischen dem Antrieb und dem in der CPU enthaltenen Lageregler aufgebaut. Der Lageregler erhält dabei die notwendigen Eingangswerte vom Interpolator 1, in dem die Sollwerte für die Bewegungsführung erzeugt werden und der ebenfalls im Technologieteil der CPU 317T-2 DP enthalten ist. Abbildung 1-1 Schematischer Systemaufbau Steuerung Integrierte Technologie Interpolator Technologie-CPU Lageregler (Positionsregler) Regelkreis PROFIBUS Umrichter Motor / Geber Jedes Element dieses Regelkreises, wie Profibus, Lageregler und Interpolator kann eigenständig auf eine bestimmte rate eingestellt werden, innerhalb der die Berechnungsvorgänge in diesem Regelkreiselement durchgeführt werden können Darstellung der einzelnen arten Folgende arten können in der Technologie-CPU 317T-2 DP beeinflusst werden: Profibus- (DP-) Der, oder DP-, ist die Zykluszeit für die Kommunikation und damit die grundlegende Zeitbasis und wird als Haupttakt der Technologie-CPU 317T-2 DP projektiert. Alle anderen e werden als Vielfaches des s in der Technologie definiert. Über den wird eine äquidistante Datenübertragung zwischen Steuerung und allen angeschlossenen Antrieben sichergestellt. Alle Antriebe verfügen über gleiche Task-Zyklusdauer und damit über 1 Der hier beschriebene Interpolator erzeugt die Sollwertvorgaben für die Lageregler der angeschlossenen Achsen und hat nichts mit der Interpolation von Kurvenscheiben, die durch einen PLCopen-FB angestossenen werden, zu tun. Er verwendet aber beispielsweise die fertig interpolierten Kurvenscheiben bei der Sollwertgenerierung. V /11

5 synchronisierte Verarbeitungszeitpunkte. So kann eine taktsynchrone Positionsregelung auch auf verteilten Antrieben realisiert werden. Lageregeltakt (Servo-) Die Lage, bzw. Position der einzelnen Achsen wird über den Lageregler überwacht und beeinflusst. Die Ausgabe der Lage-, bzw. Positionssollwerte für die Achsen erfolgt im Lageregeltakt, der auch Servo- genannt wird. Über den Lageregelkreis kann auf Störungen und Positionsabweichungen der Achsen reagiert werden, weshalb sich die Task-Zyklusdauer des Lagereglers direkt auf die Genauigkeit der Achsen auswirkt. Je kürzer die Task-Zyklusdauer gewählt wird, desto schneller kann auf Positionsänderungen reagiert werden. Da der Lageregelkreis jedoch über den PROFIBUS geschlossen wird, kann der minimale Lageregeltakt nicht kleiner als der gewählt werden, weil der Regler in der Steuerung nur in dieser Zeit mit neuen Informationen versorgt werden kann. Interpolationstakt (IPO-) Im Interpolationstakt, oder auch IPO-, werden die Eingangswerte für den Lageregler durch den Interpolator der Steuerung berechnet und bereitgestellt. Bewegungen und Positioniervorgänge werden durch den Interpolator in einzelne Schritte zerlegt und als Sollwert an den Lageregler übergeben. Da diese Informationen nur im Lageregeltakt an die Antriebe der Achsen weitergegeben werden können, kann der Interpolationstakt nicht kleiner als der Lageregeltakt gewählt werden Abhängigkeiten zwischen den einzelnen arten Die Abhängigkeit der einzelnen raten untereinander verdeutlicht die nachfolgende Abbildung. Als Grundtakt wird der vorgegeben. Der Lageregeltakt wird als ganzzahliges Vielfaches des s eingestellt. Der Interpolationstakt als ganzzahliges Vielfaches des Lageregeltakts. Abbildung 1-2 Einordnung der -Abhängigkeiten Interpolationstakt Lageregeltakt Lageregeltakt Lageregeltakt t Datenaustausch mit den angeschlossenen Antrieben V /11

6 Die Abhängigkeiten der einzelnen e zueinander ist in folgender Tabelle wiedergegeben: Tabelle 1-1 Einstellmöglichkeiten der Systemtakte Lageregeltakt Interpolationstakt Bereich Wird in HW-Konfig im Bereich von 1, ,0 ms fest vorgegeben. Der ist der Grundtakt für alle weiteren raten. 1- bis 2-faches des 1- bis 6-faches des Lageregeltaktes Ein kurzer Lageregeltakt (Servo-) verbessert die Genauigkeit der Maschine, da äußere Störungen und Einflüsse von der Steuerung schneller ausgeregelt werden können. Durch einen kurz gehaltenen Lageregeltakt wird deshalb das Störverhalten der Maschine verbessert Die Task-Bearbeitungsdauer Die Auslastung der eingestellten raten, in diesem Dokument Task- Bearbeitungsdauer genannt, wird durch die Anzahl der angeschlossenen Achsen ( und Lagereglertakt) sowie durch die angestoßenen, technologischen Funktionen (Interpolationstakt) beeinflusst. Abbildung 1-3 Belastung der einzelnen Objekte des Regelkreises Steuerung Integrierte Technologie Anwenderprogramm der Applikation TO TO Interpolator TO IPO- Lageregler (Positionsregler) SERVO- Technologie-CPU PROFIBUS DP- V /11

7 Die rate wird bei der Projektierung der Steuerung vorgegeben. Die Task-Bearbeitungsdauer kann nicht über Parameter vorgegeben oder definiert verändert werden, sondern ergibt sich aus den für die Integrierte Technologie projektierten Aufgaben. Sie kann nur durch Messungen bestimmt werden. Die Task-Bearbeitungsdaueren für Interpolator bzw. Lageregler geben somit die tatsächliche Belastung der Integrierten Technologie der CPU 317T-2 DP durch angestoßene Technologieobjekte bzw. angeschlossene Achsen an. Einflussgrößen der Task-Bearbeitungsdaueren Je mehr Achsen an die Technologie-CPU 317T-2 DP angeschlossen sind, desto mehr Lageregelkreise müssen innerhalb der vorgegeben Zeitspanne des Lageregeltakts berechnet werden. Dadurch wächst mit jeder zusätzlichen Achse die Auslastung der Servo-Task. Je mehr Technologieobjekte durch den Interpolator behandelt werden müssen, desto größer fällt die Task-Bearbeitungsdauer des Interpolators, die sogenannte IPO-Task, und damit dessen Belastung aus. Abbildung 1-4 Zusammenhang zwischen rate und Task-Zeit IPO-Task Maximale Bearbeitungszeit Benötigte Bearbeitungszeit IPO-Task SERVO-Task SERVO-Task SERVO-Task SERVO-Task DP-Task DP-Task DP-Task DP-Task DP-Task DP-Task DP-Task DP-Task DP- SERVO- IPO- Eingestellte raten t Aus den oben genannten Gründen erkennt man, dass die Task- Bearbeitungsdaueren innerhalb der einzelnen e und damit auch die Belastungen der Regelkreisobjekte schwanken können. Während die Schwankungen für DP- und Servo-Task recht klein ausfallen, da sich die Anzahl der angeschlossenen Achsen nicht verändert, kann der IPO-Task in einem weiten Bereich variieren. Diese recht große Schwankungsbandbreite kommt durch die nicht statisch festgelegte Anzahl von gleichzeitigen Aufträgen an die Technologieobjekte der CPU 317T-2 DP zustande. Für den fehlerfreien Betrieb in Bezug auf die Systemtakte muss jedenfalls gelten: Die durch die Technologieobjekte und Achsen der Applikation ent- V /11

8 stehende Task-Zeit muss innerhalb der vorgegebenen Task-Zyklusdauer abgearbeitet werden können. Prozentuale Auslastung des es durch die Task-Bearbeitungsdauer Die prozentuale Auslastung des es beschreibt das Verhältnis zwischen der fest vorgegebenen Task-Zyklusdauer und der davon vom Prozess benötigten Task-Bearbeitungsdauer: Auslastung[%] = Task - Bearbeitungsdauer [ms] Task - Zyklusdauer [ms] 100% Um genügend Sicherheitsreserven beim Betrieb der Technologie-CPU 317T-2 DP zu haben, sollte ein gewisser Prozentsatz an -Auslastung nicht überschritten werden. Maximale Ausnutzung der rate durch die Task-Bearbeitungsdauer Übersteigt die Task-Bearbeitungsdauer die jeweils eingestellte rate, geht die CPU in den Betriebszustand Stop über. Man kann projektieren nach wie vielen IPO-Überläufen die CPU in STOP gehen soll.dann muss eine längere Task-Zyklusdauer an der Steuerung projektiert werden. Danach stehen wieder höhere Rechenzeitressourcen für die Regeldatenberechnung und für zusätzliche Berechnungen, wie die Kurvenscheibeninterpolation oder für den Gleichlaufbetrieb zur Verfügung. Fehlerzustände an der CPU durch Überbelastung (Überschreitung der rate) werden dadurch vermieden. V /11

9 2 Einstellung der Systemtakt- Parameter Um die optimale Einstellung der Systemtakt-Parameter ermitteln zu können, müssen die raten an der CPU, sowohl im Projektiertool HW- Konfig, als auch im Projektiertool S7T-Config eingestellt werden. 2.1 Vorgabe des DP-es im Projektiertool HW-Konfig Der Profibus- (DP-), als Grundtakt der MotionControl-Applikation, muss im Projektiertool HW-Konfig des Step7-Projekts eingestellt werden. Über einen Doppelklick auf den entsprechenden Antrieb (z.b. SIMODRIVE) im HW-Konfig wird der Einstelldialog für die Eigenschaften des Antriebs geöffnet. Die Einstellungen für den DP- bei äquidistanten DP-Zyklen können dann im Abschnitt Clock Synchronization durchgeführt werden. Über die Taste Alignment können eventuell weitere angeschlossene Antriebe am gleichen Profibus, die im HW-Konfig projektiert sind, auf den gleichen DP- eingestellt werden, ohne dass die Einstellungen für jeden Antrieb wiederholt werden müssen. Abbildung 2-1 Einstellen des Profibus-s (DP-) Äquidistante DP-Zyklen aktivieren DP- über Faktor einstellen Die Zeitbasis wird rechts daneben angezeigt! Nach erfolgreicher Einstellung der rate muss die geänderte Hardware- Konfiguration in die CPU geladen werden. 2.2 Einstellung der Faktoren für Servo- und IPO- in S7T-Config Ist der DP- als Grundtakt eingestellt, können im Parametriertool S7T-Config der Servo- und IPO- als ganzzahlige Vielfache des DP- s ausgewählt werden. V /11

10 Im Menü in S7T-Config kann über die Menüpunkte Target System und Set System Cycle Clocks... die Einstellmaske aufgerufen werden: Abbildung 2-2 Einstellen des Servo- und IPO-s Faktor für Servo- auswählen Faktor für IPO- auswählen In den Auswahllisten zur Einstellung der Faktoren des Servo- und IPO- s werden jeweils nur die für die aktuelle Konfiguration zugelassenen Faktoren angezeigt. Die eingestellte rate in Millisekunden wird jeweils im Feld rechts neben dem Faktor angezeigt. Nach erfolgreicher Einstellung der rate in S7T Config muss die geänderte Hardware-Konfiguration in die CPU geladen werden. Kontrolle der eingestellten raten im Symbol-Browser Die aktuell in der CPU eingestellten und aktiven raten können über den Symbol-Browser des Projektiertools S7T-Config abgefragt werden. Abbildung 2-3 Abfrage der aktuellen rateneinstellung im Symbol-Browser Aktivierung der Status-Anzeige Anzeige der aktuellen rate (µs) Abfrage des aktuellen Status über die Taste Immed. status V /11

11 Die ratenanzeige muss über die Kontrollkästchen aktiviert werden, bevor die eingestellten Werte mit der Taste Immed. status abgefragt werden können. V /11