Die Steuerung im Antrieb - Ursprung und Perspektive

Transkript

1 Die Steuerung im Antrieb - Ursprung und Perspektive Die Antriebsaufgabe, die Steuerungsaufgabe Schnittstellen nach innen und nach außen Lösungsansätze in der Vergangenheit und Perspektiven für die Zukunft

2 Antriebsaufgabe 2 Anlagen-Automation Foto: FRAPORT Foto: LTW Foto: BEUMER

3 Antriebsaufgabe 3 Anlagen-Automation Quelle unbekannt Foto: DaimlerChrysler

4 Antriebsaufgabe 4 Maschinen-Automation Foto: INGERSOLL Quelle: ENGEL Foto: KETTNER Quelle: KUKA Quelle unbekannt

5 Antriebsaufgabe 5 Antriebssysteme: Gleichstromantrieb (drehzahlverstellbar) Drehstromasynchronantrieb mit Schützsteuerung (Ein, Aus, Rechts, Links, ggf. N 1, N 2 ) Drehstromasynchronantrieb mit Phasenanschnittsteuerung (Sanftanlauf) Drehstromasynchronantrieb mit FU (drehzahlverstellbar) Drehstrom(a)synchronantrieb mit FU (regelbar) Schrittmotorantrieb (regelbar) Merkmale: Leistung, Drehzahl, Drehmoment Dynamik (dn/dt) Regelgüte (Genauigkeit, Steifigkeit)

6 Steuerungsaufgabe 6 Ansteuerung von Aktoren Rotierende oder lineare, stetige Antriebe (elektrisch, pneumatisch, hydraulisch) Rotierende oder lineare, unstetige Antriebe [z.b. Ventile] (elektrisch, pneumatisch, hydraulisch) Elektrochemische Prozesse Elektrooptische Prozesse Elektrothermische Prozesse [z.b. Heizung] Verarbeiten von Sensorsignalen Position (kontinuierlich) [z.b. Linearmaßstab, Drehgeber] Position (diskret) [z.b. Endschalter, Lichtschranke] Geschwindigkeit, Drehzahl Druck Durchflußmenge Füllstand Helligkeit Temperatur

7 Steuerungsaufgabe Antriebsnahe Regelungs-Funktionen: Positionsregelung (mit Verfahrprofil) Geschwindigkeits-/Drehzahlregelung mit Hochlauf-Rampe Drehmomentregelung Synchronlauf-Regelung Kurvenscheiben-Regelung Bahnkurven-Regelung Antriebsnahe Steuerungs-Funktionen: Tabellenpositionierung Hubwerk-Steuerung Lüfter-Steuerung (incl. Fangfunktion) Wickler-Steuerung Fliegende Säge Nockenschaltwerk Registerregelung Vollwertige CNC-Funktionalität SAFETY -Funktionen Vollwertige SPS-Funktionalität 7

8 Steuerungsaufgabe 8 Merkmale: Genauigkeit der Werte (Quantisierung) Genauigkeit der Zeit (Deterministik) Verarbeitungsgeschwindigkeit Anzahl der Schnittstellen zu Sensoren, Aktoren und anderen Steuerungen Umfang des Programmspeichers Umfang und Komplexität des Befehlssatzes Programmiersprache

9 Kommunikationsaufgabe 9 Schnittstellen: Binärsignale (24V) Analogsignale (±10V oder 20mA) Inkrementalgeber-Interface (TTL oder HTL) Absolutgeber-Interface (ENDAT, HIPERFACE ect.) RS232, RS485, USB Zellbus (SERCOS, CAN) Feldbus (PROFIBUS, INTERBUS, DEVICE-NET, ControlNet,...) Ethernet (PROFINET, SERCOS III, PowerLink, EtherCAT, W-LAN,...) Merkmale: Genauigkeit der Werte (Quantisierung) Genauigkeit der Zeit (Deterministik) Übertragungsgeschwindigkeit Profile

10 Der Weg durch die Hierarchie 10 WWW. Wurstfabrik in Rumänien Kommunikationswege Unternehmen Fabrik Prozess Maschine Antrieb Zeit! Kosten! Städt. Schlachthof Eigene Wurstmaschine Metzger Transportwege

11 Historie: AEG MINISEMI Leistungsbereich der Gerätereihe: 10kW kW 11 Baujahr: ca Ankerspannungssteueung Drehzahlregelung mit unterlagerter Stromregelung Sollwertpotentiometer Fremdsollwert Reglersperre Steilheitsbegrenzer Parametrierung über Widerstände

12 Historie: Drehstromtechnik mit µp an Bord Hochwertige Drehzahlregelung mit unterlagerter feldorientierter Stromregelung 12 Eingänge für - Sollwert ±10V oder mA - Schnellstop - Reglersperre Meldungen für - Drehzahl erreicht - Drehrichtung - Störung Signalausgang für - Ausgangsfrequenz - Wirkleistung - Scheinstrom Leistungsbereich der Gerätereihen: < 100kW Baujahr: ca Parametrierung über DIP-Schalter oder Widerstände

13 Historie: Drehstromtechnik mit µp an Bord Eingänge für... Sollwert ±10V oder mA Drehzahlauswahl aus Tabelle Schnellstop Reglersperre frei konfigurierbare Eingänge Meldungen für... Drehzahl erreicht Drehrichtung Störung frei konfigurierbare Meldungen Signalausgänge für... Ausgangsfrequenz Wirkleistung Scheinstrom frei konfigurierbare Signalausgänge 13 Leistungsbereich der Gerätereihen: < 100kW Baujahr: ca

14 Historie: Drehstromtechnik mit µp an Bord 14 Anschlußmöglichkeit für PC und PC-Oberfläche Parametrierung, Konfiguration, Programmierung Bei Frequenzumrichtern: U/f-Steuerung oder Drehzahlregelung Sollwert ±10V oder mA Drehzahlauswahl aus Tabelle Konfigurierbare n-t-ablaufprogramme Sollwerte über Feldbusschnittstelle Parametrierung über Feldbusschnittstelle Bei Servo-Achsen: Feldorientierte Regelung mit SM oder ASM Drehzahl-Sollwert ±10V Sollwerte über schnelle serielle Digitalschnittstelle Integrierte, frei programmierbare Einachs-Positioniersteuerungen Zusätzliche, von der Antriebsfunktion unabhängige E/A Bewegungsführung mit Führungsgrößen-Generator

15 Bewegungsführung mit Führungsgrößengenerator 15 x soll v max xva Antrieb v, v, a v, a v, a v, a v, a v, a a a max x 0 t 0 x soll x soll v max a max Führungsgrößengenerator - x soll + x- Regler + - v soll + v- Regler + - a soll + a- Regler u Umrichter Antrieb Motor a v x x v a

16 Historie: µp an Bord 16 Steuerungstechnik Relaissteuerung: Relais elektromech. Zähler elektromechanische Nockenschaltwerke Antriebssteuerung/-regelung Schützsteuerung: Ein / Aus Rechts / Links Schnell / Langsam Elektronische Steuerung mit festverdrahteter Logik: Logikgatter elektronische Zähler Kippstufen Analoge Regelungstechnik mit Operationsverstärkern: Drehzahl-/Lageregelung PID-Prozeßregler Zeit Elektronische Steuerung mit µp: Frei programmierbare Sätze (Logik, Bedingung, Zeit) PID-Prozeßregler Zeit Digitale Regelungstechnik mit µp: Feldorientierte Regelung Drehzahl-/Lageregelung PID-Prozeßregler

17 Historie: Räumliche Dezentralisierung 17 Schaltschrank große SPS Schaltschrank große SPS räumliche Dezentralisierung Verlagerung der Antriebsumrichter vom Schaltschrank ins Feld

18 Historie: Vollständige Dezentralisierung 18 Schaltschrank große SPS Schaltschrank kleine SPS räumliche und funktionale Dezentralisierung Verlagerung von Antriebsumrichtern und Steuerungs- funktionen vom Schaltschrank ins Feld

19 Zentrale Anlagen-Topologie 19 Antriebsnahe Steuerungs-Funktionalität Anlagen-Steuerung

20 Dezentrale Anlagen-Topologie 20 Anlagen-Steuerung Segment-bezogene Steuerungs-Funktionalität

21 Dezentrale Anlagen-Topologie: Merkmale 21 Maschinen/Anlagenbau: Flexibilität bei der Planung durch Modularität Vormontage von Maschinen bzw. Anlagenmodulen Vorinbetriebnahme von Maschinen bzw. Anlagenmodulen Kommerzielle und technische Verantwortung ist der Maschine bzw. dem Anlagenmodul fest zugeordnet Informationstechnische Architektur: Hierarchischer Aufbau wirtschaftliche Nutzung der Kommunikationswege (nur so viel Kommunikation wie nötig) Transparenz für Aufbau, Wartung, Veränderung und Erweiterung Wartung: Zentrale Wartung über moderne Kommunikationsstrecken möglich. Diagnose + Update von Komponenten + Steuerungsprogrammen auf der untersten Hierarchie-Ebene ist von der obersten Hierarchie-Ebene aus möglich.

22 Geräte-Topologie mit modularem Achsblock 22 VM AM AM AM Antriebsregelung PLC/MC E/A Kommunikation Achsblock Kommunikation Feld VM AM AM AM Merkmale der PLC/MC: Hohe Performance Ausreichend E/A Mäßige Kosten, da kein eigenständiges Gehäuse und Netzteil

23 Geräte-Topologie mit kompakten Achsumrichtern 23 AU AU Merkmale der PLC/MC: Mäßige Performance Wenig E/A Geringe Kosten, da kein eigenständiges Gehäuse, Netzteil u. µp Merkmale der PLC/MC: Hohe Performance Ausreichend E/A Mäßige Kosten, da kein eigenständiges Gehäuse und Netzteil PLC AU AU AU Antriebsregelung PLC/MC E/A Kommunikation Achsblock Kommunikation Feld Merkmale der PLC/MC: Hohe Performance Ausreichend E/A Hohe Kosten, da eigenständiges Gehäuse, Netzteil u. µp

24 Eine Vision 24 Jede Komponente (Steuerungen, Kommunikationsknoten, Aktoren) eines Automatisierungssystems stellt eine bestimmte... Rechenleistung Speichertiefe Anzahl von Schnittstellen (E/A, Bus-Schnittstellen) Kommunikationsleistung...bereit. Ein Projektierungstool verteilt das gesamte Steuerungsprogramm dieses Automatisierungssystems automatisch auf die Komponenten. Effektive Nutzung aller Komponenten Zentrale Wartung Transparenz für Aufbau, Wartung und Erweiterung? Vorinbetriebnahme von Maschinen bzw. Anlagenmodulen? Feste Zuordnung der kommerziellen und technischen Verantwortung zur Maschine bzw. zum Anlagenmodul?

25 Aussagen zur Plazierung der Steuerung 25 In den Antrieb bzw. antriebsnah: Steuerungs-/Regelungsfunktionen, die tief in die Antriebsregelung eingreifen. Kosten Steuerungs-Gerät # Integration im Antrieb Vorteilhaft: Herstellerübergreifende Standardisierung von Antriebsfunktionen In das Maschinen-/Anlagensegment: Steuerungs-/Regelungsfunktionen, die Sensorsignale aus dem betreffenden Segment verarbeiten und Aktoren im betreffenden Segment ansteuern. Technischer Prozeß des Segments Steuerungs-/Regelungsfunktionen Kosten Steuerungs-Gerät # Integration im Antrieb Vorteilhaft: Herstellerübergreifende Standardisierung von technischen Prozessen In übergeordnete Hierarchie-Ebenen: Funktionen, die Maschinen-/Anlagensegmente koordinieren. Steuerungs-Gerät

26 Zusammenfassung 26 Hybride Lösungen werden häufiger eingesetzt. Die reine Lehre gibt es nicht! Die Welt ist und bleibt bunt!