Versuchsstand für ein hochdynamisches Mehrachs-Servoantriebssystem. Dipl.-Ing. Behrend Pupkes FH O/O/W - ELAN - VMS

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1 Versuchsstand für ein hochdynamisches Mehrachs-Servoantriebssystem Dipl.-Ing. Behrend Pupkes Emden, Juni 2007

2 Übersicht Das Thema der vorliegenden Arbeit ist aus dem Umfeld des Labors Elektrische Antriebe im Fachbereich Technik, Abteilung Elektrotechnik und Informatik der Fachhochschule Oldenburg / Ostfriesland / Wilhelmshaven entstanden. Für die Studierenden des Masterstudienganges Industrial Informatics ist in Zukunft eine tiefergehende Bearbeitung des Themas Automatisierte Antriebe vorgesehen. Innerhalb dieses Themenblocks soll den Studierenden die Möglichkeit gegeben werden, sich intensiv mit dem Einsatz von automatisierten Mehrachsantrieben auseinandersetzen zu können. Die hier vorliegende Arbeit beschreibt den Entwurf und die Realisierung eines Versuchsstandes für Bewegungsabläufe innerhalb eines Mehrachs-Servoantriebssystemes. Sie soll sowohl dazu dienen, einem Neueinsteiger einen effizienten Einstieg in die Thematik zu ermöglichen, als auch eine vorbereitete, erprobte Basis für die praktischen Arbeiten zu erstellen. Im Hauptteil der Ausarbeitung werden zunächst die eingesetzten Hard- und Softwarekomponenten und der mechanische Aufbau des Versuchsstandes dargestellt. Anschließend wird das benötigte Basiswissen für die Einarbeitung in die Thematik beschrieben. Die Umsetzung verschiedener Bewegungsabläufe wird aufgeführt, anhand der Möglichkeiten, die sich mit der zur Verfügung stehenden Hardware verwirklichen lassen. Eingesetzt werden Servo-Antriebsregler und Synchron-Servomotoren der Firma Lenze. Im Einzelnen kommen zum Einsatz drei Antriebsregler des Typs 9300 Servo PLC mit drei Synchronmotoren der Reihe MDXK und zwei Antriebsregler L-force Servo Drives 9400 mit Synchronmotoren des Typs MCS. Zur Kontrolle der jeweiligen Bewegungsabläufe dienen zwei Laser-Lichtschranken WS/WE100L der Firma Sick. Einen wesentlichen Anteil der Arbeit nehmen die Anpassungen der Software für die Antriebsregler ein. Für die Softwareerstellung werden die Programmierumgebung Drive PLC Developer Studio und die Entwicklungsumgebung L-force Engineer eingesetzt. Beide Softwarepakete bieten eine Programmierung nach IEC Mit diesen Programmen werden Bewegungsabläufe aus dem Bereich Positionierung mit zusätzlichen Kurvenscheibenfunktionen realisiert. Als übergeordnetes Bedien- und Beobachtungssystem wird die Software InTouch von Wonderware eingesetzt, die über OPC-Komponenten mit den Antriebsreglern verbunden ist.

3 Inhaltsverzeichnis 3 Inhaltsverzeichnis ÜBERSICHT...2 INHALTSVERZEICHNIS EINLEITUNG Hinweis zur PDF-Version der Ausarbeitung Der Versuchsstand Die Bewegungsabläufe MECHANISCHER UND ELEKTRISCHER AUFBAU Übersicht über den Versuchsstand Dreiachssystem Lenze 9300 Servo PLC Synchron-Servomotor Anbauteile des Synchron-Servomotors Bremsmodul Zweiachssystem Lenze L-force Servo Drives Single Drive Synchron-Servomotor Anbauteile des Synchron-Servomotors Laser-Lichtschranke ÜBERSICHT LENZE SOFTWARE TOOLS Global Drive Control (GDC), GDC easy Global Drive Oszilloskop...23

4 Inhaltsverzeichnis Global Drive Loader (GDL) OPC-DriveServer Drive PLC Developer Studio (DDS) Die Software Packages Cam, Winder, Positioner Cam Designer Basic L-force Engineer Anschlussmöglichkeiten eines PCs an die Antriebsregler REALISIERUNG DER BEWEGUNGSABLÄUFE Bewegungsabläufe Positionieren Kurvenscheibe Elektrische Welle / Elektronisches Getriebe Die Templates Positioner und Cam Template Positioner Template Cam Die Programme für die Antriebsregler und deren Kommunikation Kommunikation der Antriebsregler über den Systembus CAN Programme für die 9300 Servo PLC Programme für die Servo Drives Beobachtung und Auswertung der Bewegungsabläufe Oszilloskop zur Aufzeichnung wichtiger Signale Das Stroboskop, Movistrob Aufnahme der Abläufe mit einer Highspeed Kamera Der CAN-BUS-Tester CBT DIE BEDIENOBERFLÄCHE...52

5 Inhaltsverzeichnis Fenster Startbild Fenster Einrichten Fenster Elektronisches Getriebe Beschreibung der Funktionen im Bereich Antriebsregler Beschreibung der Funktionen im Bereich der Positionierung Beschreibung der Funktionen im Bereich Laser-Lichtschranke Fenster Kurvenscheibe Fenster Antrieb 1, Antrieb 2, Antrieb Fenster Antrieb 4, Antrieb Fenster OPC-Diagnose Anbindung der Antriebsregler über OPC an InTouch ZUSAMMENFASSUNG AUSBLICK ANHANG...75 Anhang 1: Abbildungsverzeichnis...76 Anhang 2: Glossar...79 Anhang 3: Fehler und Besonderheiten...81 Anhang 4: Ergänzung zum PLC-Designer...90 Anhang 5: Vorschlag zur Einarbeitung...92 Anhang 6: Schaltpläne und Zeichnungen...94 Anhang 7: Literaturverzeichnis Anhang 8: Sachverzeichnis H114

6 Inhaltsverzeichnis 6

7 1 Einleitung 7 1 Einleitung Im Bereich der drehzahlveränderbaren Drehstromantriebe wurde bislang zwischen Bewegungs- und Positionierantrieben unterschieden. Bewegungsantriebe mit überwiegend eingesetzten Asynchronmaschinen sind häufig in der Industrie, der Gebäudetechnik und im Haushaltsbereich zu finden. Typische Anwendungen sind zum Beispiel der Einsatz in Pumpstationen, Holzbearbeitungsmaschinen und Fördereinrichtungen. Im Bereich der Positionierantriebe waren bislang überwiegend Antriebe mit Synchronmaschinen und elektronisch kommutierte Gleichstrommaschinen vertreten. Durch die fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der Umrichter- und Anwendersoftware wachsen diese beiden Bereiche langsam zusammen. Mit zielorientiert einsetzbarer Software in den Antriebsreglern lassen sich komplexe Aufgaben sowohl für Bewegungsantriebe als auch für Positionierantriebe teilweise durch die gleichen Kombinationen aus Asynchron- oder Synchronmaschine und Antriebsregler verwirklichen. Servoantriebe, bestehend aus der Kombination eines Servomotors mit einem darauf abgestimmten Antriebsregler, zeichnen sich durch sehr gute dynamische Eigenschaften, hohe Positioniergenauigkeit und gute Überlastfestigkeit aus. Somit werden Servoantriebe dort eingesetzt, wo es erforderlich ist, Antriebe innerhalb weniger Millisekunden - manchmal bis auf Nenndrehzahl - zu beschleunigen und abzubremsen, bei gleichzeitiger Erfordernis, bestimmte Positionen präzise anzufahren. Früher oft als Hilfsantrieb eingesetzt (Servus, lat.: Diener, Sklave), werden heutzutage die hervorragenden Eigenschaften der Servoantriebe in allen Bereichen der Antriebstechnik genutzt. Typische Anwendungsfälle für Servoantriebe sind z.b.: Abfüllanlagen Regalförderfahrzeuge Fliegende Sägen Verpackungsmaschinen Industrieroboter Weitere Details siehe [SCH-05].

8 1 Einleitung 8 Der für diese Arbeit aufgebaute Versuchsstand ist nicht explizit für einen der obigen Anwendungsfälle vorgesehen, sondern ist als universeller Aufbau zu verstehen, mit dem die dynamischen Eigenschaften der Servoantriebe und die Möglichkeiten der Anbindung an weitere Automatisierungskomponenten genauer betrachtet werden können. 1.1 Hinweis zur PDF-Version der Ausarbeitung Der schnelle Einstieg in die Thematik wird durch die Verknüpfung der PDF-Version dieser Ausarbeitung mit den Herstellerunterlagen erleichtert. Fast alle benötigten Unterlagen der Hersteller, die zur Bearbeitung dieses Themenkomplexes erforderlich sind, liegen als PDF- Dokumente vor. Damit der erste Einstieg nicht durch ein ständiges Blättern in diesen Dokumenten erschwert wird, ist diese Ausarbeitung zusätzlich als PDF- Dokument verfügbar. Aus dem PDF- Dokument heraus wird jeweils dort, wo eine detaillierte Vertiefung erforderlich ist, auf die entsprechenden Stellen in den weiterführenden Dokumenten verwiesen. Die Verweise sind speziell gekennzeichnet, und durch einen Mausklick gelangt man zu den Detailinformationen in den PDF- Dokumenten der Hersteller. 1.2 Der Versuchsstand Der Versuchsstand besteht aus zwei Teilbereichen, die für andere Versuche auch jeweils für sich alleine verwendet werden können. Ein Teilbereich besteht aus dem in Bild 1-1 dargestellten Dreiachs-Servosystem und der andere Teilbereich aus dem Zweiachs-Servosystem in Bild 1-2. Beide Bereiche sind mit Antriebsreglern und Synchron-Servomotoren der Firma Lenze ausgestattet. Bild 1-1 Dreiachs-Servosystem

9 1 Einleitung 9 Die Antriebsregler besitzen zusätzlich eine SPS-Funktionalität (Variante PLC). Somit ist eine übergeordnete SPS nicht erforderlich. An den Achsen der Motoren sind Kreisscheiben aus Aluminium montiert. Diese Scheiben sind mit einer unterschiedlichen Anzahl an Bohrungen je Scheibe versehen. Die Antriebe sind so montiert, dass bei richtiger Positionierung der Achsen sich jeweils eine Bohrung der Bild 1-2 Zweiachs-Servosystem einen Scheibe mit einer Bohrung der benachbarten Scheibe deckt. Diese Bohrungen werden mit Laserlichtschranken der Firma Sick abgetastet. Mit dieser Anordnung lassen sich die Positionierung und der Gleichlauf der Antriebe überprüfen. In der Übersichtsskizze in Bild 2-1 sind die einzelnen Komponenten und deren prinzipielles Zusammenwirken zu erkennen. Durch den universellen Aufbau lassen sich mit dem Versuchsstand vielfältige Bewegungsabläufe realisieren, die im Folgenden beschrieben werden. 1.3 Die Bewegungsabläufe Mit dem oben beschriebenen Versuchsstand sind verschiedene Bewegungsabläufe realisiert. Diese beinhalten zum einen Positionierfunktionen, die um die Funktionen Elektrische Welle (Elektronisches Getriebe) und Kurvenscheibenfunktion erweitert werden. Bei diesen Funktionen sind die Antriebe im Verbund eingesetzt. Dieses macht einen Austausch von Daten zwischen den Antrieben erforderlich. Die Antriebe kommunizieren über den Systembus CAN. Falls es erforderlich ist, kann auch jeweils ein Antrieb für sich alleine genutzt werden. Im folgenden Kapitel wird zunächst der mechanische und elektrische Aufbau des Versuchsstandes erläutert.

10 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau 10 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau Die beiden Teile des Versuchsstandes sind auf zwei Rahmen aus Aluminiumprofilen montiert. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Dreiachssystem und dem Zweiachssystem ist nur über den CAN- Bus gegeben, der die Antriebsregler der beiden Teilsysteme miteinander koppelt. Weiterhin besteht durch eine der Laserlichtschranken eine optische Verbindung zwischen den beiden Teilsystemen. Diese Lichtschranke ist so eingestellt, dass sie gleichzeitig die Bohrungen von zwei benachbarten Scheiben des Dreiachssystems, als auch die beiden Bohrungen der Scheiben des Zweiachssystems abtasten kann. 2.1 Übersicht über den Versuchsstand In der Übersichtsskizze in Bild 2-1 sind die einzelnen Komponenten und deren prinzipielles Zusammenwirken zu erkennen: Im unteren Bildbereich sind die Antriebe mit einer Nummerierung aufgereiht zu sehen (Antrieb 1, Antrieb 2, Antrieb 3, Antrieb 4, Antrieb 5). Diese Reihenfolge der Antriebe wird für den gesamten Versuchsstand beibehalten. Unten links sind die MDS-Synchronmotoren mit den eingebauten Haltebremsen und Sin-Cos-Absolutwertgebern zu erkennen. Diese drei Motoren sind an die Antriebsregler 9300 Servo PLC angeschlossen. Deren Ausgang der Zwischenkreisspannung ist zusammengeführt und an ein externes Bremsmodul angeschlossen. Die Einspeisung der drei Antriebsregler verläuft durch ein EMV-Filter. Ein Leistungsschütz kann die Einspeisung ein- und ausschalten. Die Temperatur des Bremsmoduls wird überwacht und wirkt auf das Leistungsschütz, so dass bei einer zu hohen Temperatur im Bremsmodul per Hilfskontakt die Einspeisung ausgeschaltet wird. Unten rechts sind die MCS-Synchronmotoren skizziert, die keine Haltebremsen besitzen und statt mit Sin-Cos-Absolutwertgebern mit Resolvern ausgestattet sind. Diese Motoren sind an die Servo Drives 9400 angeschlossen. Der in diesen Antriebsreglern eingebaute Bremschopper wird über den extern angeschlossenen Bremswiderstand genutzt. Somit ist kein externes Bremsmodul erforderlich. Die Einspeisung dieser zwei Antriebsregler verläuft

11 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau 11 ebenfalls durch ein EMV-Filter und kann gleichfalls über ein Leistungsschütz ein- und ausgeschaltet werden. Weiterhin sind im unteren Bildabschnitt die Laser-Lichtschranken zu erkennen, deren Laserstrahl die Bohrungen der Aluminiumscheiben abtastet. Über den Antrieben mit Antriebsreglern und Synchronmotoren ist ein PC abgebildet, der zum einen zur Konfiguration und Programmierung der Antriebsregler dient und zum anderen als Leitstand genutzt werden kann. Das Bedienen und Beobachten ist zentral für alle angeschlossenen Antriebsregler von diesem PC aus möglich. Als Visualisierungssoftware kommt das Softwarepaket InTouch von Wonderware zum Einsatz. Der PC verfügt über verschiedene Möglichkeiten zur Kommunikation mit den Antriebsreglern. Der Systembusadapter stellt als Standardanschluss die Verbindung zum Systembus her. Dieser Systembus ist ein auf CANopen basierendes Bussystem. Ein entsprechender Anschluss ist in den 9300 Servo PLC und in den Servo Drives 9400 der Variante HighLine immer vorhanden. Für die Servo Drives 9400 bestehen zwei weitere Möglichkeiten der Kommunikation. Zum einen kann ein Servo Drives 9400 über den USB Diagnoseadapter, für den ein Anschluss in jedem Servo Drives 9400 eingebaut ist, an einen PC angeschlossen werden. Zum anderen kann in die Servo Drives 9400 ein Ethernetmodul eingebaut werden. Über dieses Ethernetmodul kann ein Antriebsregler mit jedem netzwerkfähigem PC kommunizieren. Für den Datenaustausch mit den 9300 Servo PLC und Wonderware-InTouch wird der Systembus genutzt. Der Systembustreiber sorgt für den Datenaustausch zwischen dem OPC DriveServer von Lenze und dem OPCLink von Wonderware als Client.

12 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau 12 Bild 2-1 Übersicht Versuchsstand

13 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau Dreiachssystem Das Dreiachssystem ist mit Antriebsreglern der 9300er Serie der Firma Lenze aufgebaut (Bild Servo PLC). An den drei Antriebsreglern ist jeweils ein Synchron-Servomotor derselben Firma angeschlossen. Zur Lageerfassung ist in den Motoren ein Sin-Cos-- Bild Servo PLC Foto: Lenze AG Lenze 9300 Servo PLC Absolutwertgeber integriert. Die Details zu den einzelnen Komponenten können den nächsten Abschnitten entnommen werden. Folgender Typ des Antriebsreglers wird eingesetzt: Typ: Gerätestand: EVS9323-EIV907 Antriebsregler Nr. 1: EI.7B.65.V907 Antriebsregler Nr. 2: EI.7C.65.V907 Antriebsregler Nr. 3: EI.7C.65.V907 Technologiefunktionen: Alle drei Antriebsregler wurden mit Unterstützung der Firma Lenze umgerüstet auf die Variante mit Technologiefunktionen. Normalerweise weist die Kennung EI... im Gerätestand auf eine Variante des Antriebsreglers hin, in der nur die PLC- Funktionen nach IEC nutzbar sind. Nach der Umrüstung der Antriebsregler entsprechen diese den Typen mit der Kennung...ET... im Gerätestand und somit sind nach der Umrüstung auch die Funktionen der Technologiepakte nutzbar (s. a. Abschnitt 3.6).

14 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau Synchron-Servomotor Folgender Type des Synchron-Servomotors wird eingesetzt: Typ: MDSKS-BA Bei diesem Motortyp handelt es sich um eine eigengekühlte Synchronmaschine mit integriertem Sin-Cos-Absolutwertgeber, integrierter Haltebremse und eingebautem Temperaturfühler. Ein Produktbild ist in Bild 2-3 zu sehen. Die Nenndaten des Motors sind: Drehmoment bei 3000 min -1 : 4,2 Nm Drehzahl: 4000 min -1 Leistung: Spannung: Strom: Maximalmoment: 1,6 kw 325 V 3,6 A 17,2 Nm Bild 2-3 MDS-Servomotor Foto: Lenze AG Die weiteren Daten sind zu finden im Katalog der Lenze Servomotoren ([SER-03], S. 11) Anbauteile des Synchron-Servomotors Alle drei Servomotoren sind mit den folgenden Anbauteilen ausgestattet: Sin-Cos-Absolutwertgeber AM512 (SCM 70): Der im Motor eingebaute Absolutwertgeber liefert dem Antriebsregler jeweils die genaue Position der Achse und übernimmt damit zwei wichtige Funktionen: Der Antriebsregler nutzt die Information über die Winkelposition, um den Strom zur richtigen Zeit in die richtige Wicklungen des Motors phasenrichtig einzuprägen. Weiterhin kann das Steuerungsprogramm des Antriebsreglers die Winkelangaben auswerten, um den Antrieb exakt zu positionieren. Die Daten des Sin-Cos-Absolutwertgebers: Kurzzeichen: Typ: Perioden: AM512 SCM70 (Firma SICK STEGMANN) 512 pro Umdrehung

15 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau 15 Auflösung: Genauigkeit: Absolute Positionierung: 0,4' (Winkelminuten) +-0,8' (Winkelminuten) 4096 Umdrehungen Die weiteren Daten sind zu finden im Katalog der Lenze Servomotoren ([SER-03], S. 42). Der Sin-Cos-Absolutwertgeber ist mit dem Antriebsregler über eine RS485 Schnittstelle (Hiperface) verbunden. Durch den erforderlichen Datenaustausch zwischen Umrichter und Absolutwertgeber verlängert sich nach dem Einschalten die Initialisierungszeit des Antriebsreglers auf ca. 2 Sekunden. Der Vorteil dieses Gebers ist, dass über eine Anzahl von 4096 Umdrehungen die absolute Position des Motors sehr genau bestimmt werden kann. Bei diesem Geber ist es auch unerheblich, wenn der Läufer des Motors im spannungslosen Zustand gedreht wird. Die absolute Position bleibt erhalten, solange die Achse nicht mehr als 4096 Umdrehungen im spannungslosen Zustand gedreht wird. Detailliertere Informationen über den Sin-Cos-Absolutwertgeber und die Hiperface Schnittstelle sind in den Unterlagen der Firma SICK STEGMANN zu finden [MOT-04], [HIP-05]. Haltebremse: Die Servomotoren des Dreiachssystems sind mit einer Permanentmagnet-Haltebremse ausgestattet. Diese Bremse kann nicht zum Abbremsen des drehenden Rotors eingesetzt werden. Sie dient lediglich dazu, die Achse im Stillstand in einer definierten Position zu halten. Im spannungslosen Zustand ist die Bremse angezogen. Bevor der Motor in Betrieb genommen wird, muss die Bremse unbedingt durch Anlegen einer Spannung von 24 V gelöst werden. Das Schließen der Bremse ist nur im Stillstand erlaubt. Über die Motorleitung wird die Bremse angeschlossen. Temperaturfühler: In den Synchron-Servomotoren ist standardmäßig ein linearer Temperatursensor (KTY) zur Wicklungstemperaturüberwachung und Optimierung des Regelverhaltens eingebaut. Dieser Sensor ist über die Rückführungsleitung des Motors (Anschluss des Sin-Cos- -Absolutwertgebers) mit dem Antriebsregler verbunden.

16 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau Bremsmodul 9351 Die Zwischenkreisspannung der drei Antriebsregler des Dreiachssystems ist mit einer Bremseinheit, dem Bremsmodul 9351, verbunden. Dieses Modul in Bild 2-4 dargestellt- wandelt durch einen internen Bremswiderstand, der über einen Chopper angesteuert wird, die mechanische Energie der drei Antriebe in Wärmeenergie um. Die Temperatur der Bremseinheit wird durch einen Temperaturfühler überwacht, so dass bei Überschreitung der Maximaltemperatur ein Leistungsschütz das Dreiachssystem von der Netzeinspeisung trennt. Bild 2-4 Bremsmodul Foto: Lenze AG 2.3 Zweiachssystem Für das Zweiachssystem wurden zwei des in Bild 2-5 dargestellten Antriebsreglers der neuen L-force Serie der Firma Lenze eingesetzt. An die zwei Antriebsregler ist jeweils ein Synchron-Servomotor ebenfalls von Lenze - angeschlossen. Zur Lageerfassung ist in den Motoren ein Resolver integriert. Die Details zu den einzelnen Komponenten können den nächsten Abschnitten entnommen werden Lenze L-force Servo Drives Single Drive Folgender Typ des Antriebsreglers wird eingesetzt: Type: E94ASHE0034 Gerätestand: Antriebsregler Nr. 4: Antriebsregler Nr. 5: Diese neue Serie der Antriebsregler ist modular aufgebaut und in den zwei Grundvarianten Multi Drive und Single Drive erhältlich. Diese Grundvarianten unterteilen sich nochmals in

17 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau 17 die Ausbaustufen 9400 StateLine und 9400 HighLine, die wiederum mit vier verschiedenen Lizenzierungs-Modulen ausgestattet werden können: Motion Control StateLevel -> Antriebsregler 9400 StateLine Motion Control HighLevel -> Antriebsregler 9400 HighLine Motion Control TopLevel -> Antriebsregler 9400 HighLine PLC -> Antriebsregler 9400 HighLine In den Geräten sind Modulschächte für optionale Erweiterungsmodule vorgesehen. Die Geräte können mit Kommunikationsmodulen (z.b.: CANopen, Profibus oder Ethernet), Speichermodulen, Sicherheitsmodulen oder Funktionsmodulen ausgestattet werden. Die Speichermodule werden als Applikations- und Parameterspeicher benötigt und beinhalten die jeweilige Lizenz des Antriebsreglers. Ein Speichermodul pro Antriebsregler ist erforderlich. Mit den Sicherheitsmodulen lassen sich verschiedene Sicherheitsfunktionen realisieren. Dies sind zum Beispiel: sicher abgeschaltetes Moment sicherer Stopp Sicherheitsbus PROFIsafe Waren bei der 9300er Serie noch Ein- und Ausgänge für die Leitfrequenz-Nutzung serienmäßig vorhanden, sind diese bei der Serie L-force nur noch als separate Erweiterungsmodule verfügbar. Für das hier beschriebene Zweiachssystem sind diese Module nicht vorhanden. Somit kann die Funktion Leitfrequenz (s ) für das Zweiachssystem nur über den CAN Bus genutzt werden. Bild 2-5 Servo Drives 9400 Foto: Lenze AG In diesem Zweiachssystem werden zwei Single Drive Antriebsregler eingesetzt, bestückt mit Speichermodulen, die eine PLC-Lizenz (MM340) beinhalten. Diese Lizenz bildet die Obermenge aller zur Verfügung stehenden Varianten, so dass hiermit alle per Software realisierbaren Möglichkeiten des 9400 Servo Drives ausgeschöpft werden können.

18 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau Synchron-Servomotor Folgender Typ des in Bild 2-6 gezeigten Synchron-Servomotors wird im Zweiachssystem eingesetzt: Typ: MCS06F41-RS0B0-B11N-ST5S00N-R0SU Bei diesem Motortyp handelt es sich um eine eigengekühlte Synchronmaschine mit integriertem Resolver und eingebautem Temperaturfühler. Eine Haltebremse ist nicht eingebaut. Die Nenndaten des Motors sind: Drehzahl: 4050 min -1 Drehmoment M N : Maximalmoment: Leistung: Spannung: Strom: 1,2 Nm 4,4 Nm 0,51 kw 320 V 1,5 A Bild 2-6 MCS-Servomotor Die weiteren Daten sind zu finden im Katalog der Foto: Lenze AG Lenze Servomotoren ([SER-05], S. 29) Anbauteile des Synchron-Servomotors Die Servomotoren des Zweiachssystems sind mit folgenden Anbauteilen ausgestattet: Resolver: Der im Motor eingebaute Resolver liefert dem Antriebsregler jeweils die Position der Achse und übernimmt damit zwei wichtige Funktionen: Die Information über die Winkelposition wird vom Antriebsregler genutzt, um den Strom zur richtigen Zeit in die richtige Wicklungen des Motors phasenrichtig einzuprägen. Weiterhin kann diese Information vom Steuerungsprogramm des Antriebsreglers ausgewertet werden, um den Antrieb exakt zu Positionieren. Die Daten des Resolvers: Kurzzeichen: RS0 Polpaarzahl: 1 Auflösung: 0,8'

19 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau 19 Genauigkeit: Absolute Positionierung: ±10' 1 Umdrehung Die weiteren Daten sind zu finden im Katalog der Lenze Servomotoren ([SER-05], S. 229). Der Resolver ist über eine Systemleitung mit dem Antriebsregler verbunden. Der Anschluss ist über eine 9- polige Sub-D Buchse realisiert. Der Absolutwert der Rotorlage kann im Gegensatz zum Sin-Cos-Absolutwertgeber durch den Resolver nicht erfasst werden. Daher ist es erforderlich, vor dem Starten von Bewegungsabläufen eine Referenzfahrt durchzuführen. Weitere Informationen über den Resolver und die Anschlussbelegung sind im Gerätehandbuch des Servo Drives 9400 zu finden [GER-06]. Temperaturfühler: In den MCS-Synchron-Servomotoren ist standardmäßig ein linearer Temperatursensor (KTY ) zur Wicklungstemperaturüberwachung und Optimierung des Regelverhaltens eingebaut. Dieser Sensor ist über den Resolveranschluss (Rückführungsleitung) des Motors mit dem Antriebsregler verbunden. Eingebauter Bremschopper In den Servo Drives 9400 der Ausführung Single Drive ist ein Bremschopper eingebaut. Damit dieser genutzt werden kann, ist lediglich der Anschluss eines externen Bremswiderstandes erforderlich (Bild 2-7 Bremswiderstand). Bild 2-7 Bremswiderstand Quelle:

20 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau Laser-Lichtschranke Zur Kontrolle der richtigen Positionierung der fünf Antriebe werden zwei Laser- Lichtschranken der Firma Sick eingesetzt. Ein Bild der Laser-Lichtschranke vom Typ: WS/WE100L ist in Bild 2-8 zu sehen. Jede Lichtschranke besteht aus einem Sender und einem Empfänger. Die maximale Entfernung zwischen Sender und Empfänger kann 30 m betragen. Der Lichtfleckdurchmesser des Laserstrahls beträgt in 30 m Entfernung 30 mm. Die minimale Signalfolge Bild 2-8 Laser-Lichtschranke des Empfängers beträgt 2000/s. Da die maximale Drehzahl Quelle: der MCS- Motoren 4050 min -1 beträgt und maximal 4 Bohrungen pro Umdrehung erfasst werden, ergibt sich eine maximal erforderliche Schaltfrequenz von 270/s. Diese Schaltfrequenz kann von den Eingängen der 9300 Servo PLC noch sicher erfasst werden. Kritischer ist schon die Breite des Schaltimpulses, der durch die Lichtschranke gebildet wird. Bei einem Bohrungsdurchmesser von 4 mm, einem Radius der Bohrungen von 10,5 cm und einer Drehzahl von 4000 min -1 ergibt sich eine theoretische Impulsbreite von ca. 100 μs. Diese Impulsbreite lässt sich in der Regel nur mit Sonderbaugruppen (Zählerbaugruppe) innerhalb einer SPS erfassen. An einem 9300 Servo PLC könnte für ein solch schnelles Signal auch der Leitfrequenzeingang genutzt werden. In der praktischen Umsetzung konnte allerdings die Erfassung der Lichtschrankenimpulse durch einen normalen Interrupteingang der 9300 Servo PLC umgesetzt werden. Erreicht wird dies dadurch, dass sich die Achsen der Motoren gegenläufig drehen. Somit ergibt sich eine längere Impulsbreite. Die minimale Impulsbreite, die noch sicher erfasst werden kann, liegt bei ca. 175 μs bei einer Drehzahl von 3900 min -1. Mit einer zusätzlichen Hardware wäre auch eine Erfassung noch kürzerer Impulse möglich. Dieses Zusatzgerät verlängert dann die Impulse bis zu einer einstellbaren Impulsbreite. Eine mögliche Hardware für die Umsetzung wäre das Gerät DM4 der Firma ATR Industrie-Elektronik. Dieses Gerät verfügt über zwei Kanäle und verlängert Impulse mit einer minimalen Breite von 5 μs bis zu einer Breite von 0,5 ms bis 2 ms.

21 2 Mechanischer und elektrischer Aufbau 21 Nachdem der mechanische und elektrische Aufbau beschrieben wurden, bringt das nächste Kapitel eine Übersicht über die zur Verfügung stehenden Softwaretools.

22 3 Übersicht Lenze Software Tools 22 3 Übersicht Lenze Software Tools Für die Inbetriebnahme, Programmierung und Diagnose ihrer Geräte bietet die Firma Lenze verschiedene Software-Tools an. Diese Tools sind zum Teil nur mit bestimmten Gerätetypen einsetzbar und können sich, angeschlossen an verschiedenen Geräten, unterschiedlich verhalten. Die im Zusammenhang mit dieser Arbeit benutzten Tools werden im Folgenden vorgestellt. Für die meisten Softwarepakete stellt Lenze eine Dokumentation als Erste-Schritte-Anleitung zur Verfügung. Diese Anleitungen erleichtern die Einarbeitung in die Software erheblich und sollten zu Beginn der Softwarenutzung durchgearbeitet werden. 3.1 Global Drive Control (GDC), GDC easy Global Drive Control (Bild 3-1) ist eine Software, die für verschiedene Geräte und Gerätevarianten eingesetzt werden kann. Sie kann z.b. eingesetzt werden für die Antriebsregler 9300 oder die Frequenzumrichter der Reihe Mit diesem Tool lassen sich die Parameter der Geräte einstellen und verschiedene Werte zu Kontrollzwecken anzeigen. In die Software integriert sind eine Oszilloskopfunktion und ein Bild 3-1 Global Drive Control, GDC Funktionsblockeditor. Mit der Oszilloskopfunktion können verschiedene Werte des angeschlossenen Gerätes wie mit einem normalen Oszilloskop aufgenommen werden. Mit dem Funktionsblockeditor lassen sich die einzelnen vom Hersteller vorgefertigten Funktionsmodule zusammenschalten. Damit hat der Anwender die Möglichkeit, die Geräte seinem Einsatzzweck entsprechend anzupassen. Die Oszilloskopfunktion und der Funktionsblockeditor lassen sich bei den in diesem Projekt benutzten 9300 Servo PLC nicht nutzen. Für Diagnosezwecke mit einem PC steht allerdings als eigenständiges Tool die Software Global Drive Oszilloskop zur Verfügung (s. u.). Der Funktionsblockeditor ist nicht

23 3 Übersicht Lenze Software Tools 23 erforderlich, da die gleiche Funktionalität mit dem Drive PLC Developer System (s. u.) erreicht werden kann. Mit GDC easy ist eine eingeschränkte Version von Global Drive Control verfügbar, die allerdings nur für die Frequenzumrichter der Reihe 8200 vorgesehen ist. In dieser Arbeit wird die Version der Vollversion Global Drive Control eingesetzt. Weitere Informationen zu GDC sind zu finden in den Dokumenten [DRI-04], S und [GDC-04]. 3.2 Global Drive Oszilloskop Für die Inbetriebnahme und Optimierung eines Antriebssystems ist es erforderlich, bestimmte Messwerte aufnehmen und auswerten zu können. Für die einfache Erfassung von Messwerten innerhalb eines Antriebsreglers wurde speziell für den 9300 Servo PLC und für das ECS Servosystem die Software Global Drive Oszilloskop (GDO) entwickelt (Bild 3-2). Mit Hilfe dieser Software lassen sich physikalische Bild 3-2 Global Drive Oszilloskop, GDO Werte aufzeichnen, die innerhalb des Antriebsreglers vorliegen. Die Software kann gleichzeitig bis zu 8 Prozessgrößen aufzeichnen und verfügt über Funktionen, die denen eines Hardware-Oszilloskopes entsprechen. In dieser Arbeit wird die Version 1.2 des GDO eingesetzt. Weitere Informationen sind zu finden in den Dokumenten [DRI-04], S und [GD0-04].

24 3 Übersicht Lenze Software Tools Global Drive Loader (GDL) Die Software kann für die Serieninbetriebnahme von Antriebsreglern eingesetzt werden. Sie kann im Batchmodus genutzt werden und Parameter und Programme an die angeschlossenen Geräte mit Hilfe selbst erstellter Skripte übertragen. Bild 3-3 Global Drive Loader, GDL 3.4 OPC-DriveServer Der OPC-DriveServer erweitert die Kommunikationsmöglichkeiten der angeschlossenen Geräte. Über den OPC-DriveServer können beliebige OPC-Clients auf die Prozessgrößen der angeschlossenen Umrichter zugreifen. Er lässt sich in verschiedenen Netzwerktopologien einsetzen, so dass auch ein Zugriff per Fernwartung auf die angeschlossenen Geräte möglich ist. Mit der Variante OPC DriveServer S7 ist es sogar möglich, auf die Umrichter zuzugreifen, die als unterlagerte Geräte an eine SIMATIC S7 Steuerung angeschlossenen sind. Für den Versuchsstand wird der DriveServer zur Kommunikation der Visualisierungssoftware InTouch mit den Antriebsreglern genutzt. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit ist allerdings nur der Zugriff auf die 9300 Servo PLCs möglich. Ein Update des DriveServers mit der Möglichkeit auch die Servo Drives 9400 anzuschließen soll ab Juni 2007 verfügbar sein. 3.5 Drive PLC Developer Studio (DDS) Der Antriebsregler 9300 Servo PLC ist mit einer SPS-Funktionalität ausgestattet. Diese integrierte SPS lässt sich nach IEC programmieren. Zur Programmierung wird die im Bereich der Automatisierung weit verbreitete Software CoDeSys der Firma 3S Smart Software Solutions GmbH eingesetzt. In der Version von Lenze hat diese Software den Namen Drive PLC Developer Studio (DDS) (Bild 3-4).