Technische Dokumentation POS-123-U

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1 Technische Dokumentation POS-123-U Eine Beispielanwendung zur schnelleren und sicheren Inbetriebnahme

2 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeine Informationen Verwendete Symbole Impressum Die hydraulische Achse Vorteile der elektro-hydraulischen Positioniersteuerung mit Zylinderantrieben Grundstruktur des Positionsregelkreises mit analogen Signalen Welcher Regler ist für den Positionsregelkreis notwendig? Struktureller Aufbau Anforderungen Wodurch wird die Positioniergenauigkeit beeinflusst? Die Dynamik Die Laststeifigkeit Die hydraulische Systemauslegung Beispielanwendung Druck und Geschwindigkeitsberechnung Ausfahren Einfahren Lösung mit Regelventilen Parametrierung Basiseinstellungen SDD Modus NC Modus (Änderungen gegenüber SDD) Verkabelung Steuerungsablauf Inbetriebnahme Optimierungsmöglichkeiten Die Positionierung ist nicht genau genug Die Achse positioniert zu langsam Erklärungen Bremsweg / Kreisverstärkung? Analyse mit Hilfe vom WPC Wirkungsweise der Feinpositionierung / Driftkompensation Vorteile eines PT1 Filters im Regler Seite 2 von 24 POS-12*

3 1 Allgemeine Informationen 1.1 Verwendete Symbole Allgemeiner Hinweis Sicherheitsrelevanter Hinweis 1.2 Impressum W.E.St. Elektronik GmbH Gewerbering Niederkrüchten Tel.: +49 (0) Fax.: +49 (0) Homepage: oder Datum: Die hier beschriebenen Daten und Eigenschaften dienen nur der Produktbeschreibung. Der Anwender ist angehalten, diese Daten zu beurteilen und auf die Eignung für den Einsatzfall zu prüfen. Eine allgemeine Eignung kann aus diesem Dokument nicht abgeleitet werden. Technische Änderungen durch Weiterentwicklung des in dieser Anleitung beschriebenen Produktes behalten wir uns vor. Die technischen Angaben und Abmessungen sind unverbindlich. Es können daraus keinerlei Ansprüche abgeleitet werden. Dieses Dokument ist urheberrechtlich geschützt. Seite 3 von 24 POS-12*

4 2 Die hydraulische Achse Die Positionsregelung ist eine der häufigsten Anwendungen mit Proportionalventilen. Positioniergenauigkeiten von einigen mm bis zu 1 µm sind möglich. Hier geht es um eine relativ einfache und preiswerte Anwendung mit der POS-123-U bzw. der POS-123-P und um die Frage, wie die Auslegung und Inbetriebnahme durchgeführt werden soll. 2.1 Vorteile der elektro-hydraulischen Positioniersteuerung mit Zylinderantrieben Im Allgemeinen handelt es sich bei dem hydraulischen Zylinderantrieb um ein einfach zu regelndes System. Kritisch sind nur Anwendungen bei denen die Zylindereigenfrequenz sehr niedrig ist 1. lineare Bewegung sehr robust hohe Kräfte einfach zu regeln 2 keine komplexen Regelkreise einfach zu optimieren, Ergebnisse sind vorab kalkulierbar 2.2 Grundstruktur des Positionsregelkreises mit analogen Signalen Der Regler berechnet die Differenz (e) aus dem Sollwert (w) und dem Istwert (x), verstärkt das Signal und gibt die Stellgröße (u) aus. Das Ventil wandelt das Stellsignal (u) in einen Volumenstrom (Q) um. Der Zylinder setzt diesen Volumenstrom (Q) in eine Geschwindigkeit (v) um. Da es sich bei dem Zylinder um eine Strecke ohne Ausgleich handelt, ist das Ausgangssignal eine sich stetig verändernde Position (s) (eine integrierende Ausgangsgröße). Die Geschwindigkeit ist proportional zum Volumenstrom. Der Sensor wandelt die Position (s) wieder in eine analoge Spannung um. e [V] u [V] Q [L/min] v [mm/s] w [V] CTRL s [mm] - x [V] Sensor Ventil Zylinderantrieb Abbildung 1 1 Bei Frequenzen kleiner 10 Hz sollte man das dynamische Verhalten schon bei der Auslegung und der Regler-Auswahl berücksichtigen. Bei kleiner als 5 Hz ist in vielen Fällen eine erweiterte Regelungstechnik zur Verbesserung der Dämpfung zu empfehlen. Bei kleiner als 3 Hz ist die Hydraulik nur noch schwer regelbar. Hier könnte eine Simulation des Systems notwendig werden. 2 Dies gilt bei begrenzten Anforderungen an das dynamische Verhalten des Antriebs. In den meisten Fällen sind komplexe Regelungen (z. B. Zustandsregelungen) nicht erforderlich. Seite 4 von 24 POS-12*

5 2.3 Welcher Regler ist für den Positionsregelkreis notwendig? Ausgehend vom klassischen PID Regler wird bei der hydraulischen Positioniersteuerung nur der P-Anteil benötigt. Infolge der integrierenden Funktion des Zylinders ist ein Integrator im Regler nicht erforderlich, bzw. der Antrieb würde eine deutliche Instabilität (es würde zu einem deutlichen Schwingen kommen) aufweisen. Weiterhin ist die Dämpfung eines hydraulischen Antriebs sehr gering. Der D-Anteil im Regler wirkt in den meisten Fällen destabilisierend 3. Abbildung 2 (Dämpfung: Blau = 0,125 und Rot = 0,5) Zusätzliche Maßnahmen wie der Einsatz eines PT1 Reglers sowie eines Stillstandintegrators können das Regelverhalten verbessern. In ganz kritischen Fällen ist eine Beschleunigungsrückführung zu empfehlen. Diese Beschleunigungsrückführung kann das System stabilisieren und erheblich höhere Verstärkungen ermöglichen. In diesem Fall muss aber sichergestellt werden, dass die Ventileigenfrequenz mindestens dreimal höher ist als die Zylindereigenfrequenz. Je nach Modul unterstützen wir alle diese Funktionen. 3 Nur wenn das Proportionalventil eine deutlich geringere Eigenfrequenz als der Zylinderantrieb aufweist kann ein D-Anteil vorteilhaft eingesetzt werden. Seite 5 von 24 POS-12*

6 2.4 Struktureller Aufbau (*1) Proportionalventil (oder auch Regelventil): Der Ventiltyp bestimmt im Wesentlichen die Genauigkeit. Bei Regelventilen ist es vorteilhaft, Ventile mit integrierter Elektronik einzusetzen. (*2) Hydraulikzylinder (*3) Integriertes Wegmesssystem mit analoger oder digitaler SSI Schnittstelle (alternativ auch mit externem Messsystem) (*4) Regelbaugruppe POS-123-* (*5) Schnittstelle zur SPS mit analogen und digitalen Signalen *4 Speed CONTROL MINMAX *5 Position INPUT w a y x c b INPUTx y *3 *1 *2 a y x c b Application interface Abbildung Anforderungen Während der Spezifikation des Systems sind die Anforderungen möglichst genau (und nicht übertrieben) zu definieren. Die wichtigsten Punkte sind dabei: die Positioniergenauigkeit das dynamische Verhalten (nicht zu verwechseln mit der Geschwindigkeit/Hubzeit, da hier die Beschleunigung, Verzögerung und die Schwingneigung auch berücksichtigt werden müssen) die Geschwindigkeit, die Reproduzierbarkeit / Konstanz der Geschwindigkeit die statische und dynamische Laststeifigkeit Seite 6 von 24 POS-12*

7 2.6 Wodurch wird die Positioniergenauigkeit beeinflusst? In vielen Fällen wird eine bessere Positioniergenauigkeit mit einem höherwertigen Ventil erreicht. Für die Positioniergenauigkeit sind Hysterese und Ansprechempfindlichkeit wichtiger als z. B. die Eigenfrequenz des Ventils. Generell sollten folgende Punkte beachtet werden: 1. Durch die Qualität des Proportionalventils (Ansprechempfindlichkeit / Hysterese). D. h., wie gut (und mit welcher Auflösung) wird das elektrische Signal in einen Volumenstrom umgesetzt? Ein fehlerhaft (über)dimensioniertes hydraulisches System beeinflusst die Genauigkeit signifikant. 2. Durch eine ungenügende Systemauslegung. Das hydraulische System, angefangen von der Druckversorgung, der hydraulischen Schaltungstechnik bis hin zur Komponentenauswahl ist nicht auf die Anforderungen abgestimmt. Dies ist immer im Zusammenhang mit Punkt 1 zu sehen. 3. Je schneller die theoretisch maximale Geschwindigkeit ist, umso schlechter ist die Positioniergenauigkeit. Siehe Punkt 1 (Signalauflösung = Geschwindigkeitsauflösung) 4. Signalauflösung des Sensors. Ab einem Bereich von 1:5000 müssen digitale Sensoren eingesetzt werden. Bis ca. 1:1000 sind analoge Sensoren ausreichend. 5. Das dynamische Verhalten des Systems (Eigenfrequenz des Zylinders und des Ventils sowie die Dynamik des Reglers). Dies kann nur mit Hilfe von Berechnungen analysiert werden. 6. Signalauflösung des Regelmoduls (das Stellsignal u ). Dieser Einfluss wird in der Regel erst bei sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit relevant (Beispiel: vmax = 500 mm/s, Schleppfehler = 50mm/s, maximale mögliche Genauigkeit unserer Systeme 0,002 mm; der Fehler, der durch eine Ventilhysterese von 0,1 % produziert wird, liegt bei 0,05 mm). Seite 7 von 24 POS-12*

8 2.7 Die Dynamik Punkt zwei der vorhergehenden Aufzählung (das dynamische Verhalten) ist noch mal etwas genauer zu beachten. 1. Grundsätzlich sollte die Eigenfrequenz des gesamten Systems so hoch wie möglich sein. Je höher die Eigenfrequenz, umso höher ist die Dynamik und umso höher kann die Kreisverstärkung eingestellt werden, wodurch sich die Genauigkeit des Positionierantriebes verbessert. V0krit 2 d 0Z GL. 1 Achtung: Die Dämpfung (d) spielt bei hydraulischen Antrieben ebenfalls eine entscheidende Rolle. Sind keine Daten bekannt, so sollte von einer Dämpfung von 0,1 ausgegangen werden. Aus dem Produkt der Eigenkreisfrequenz und der Dämpfung berechnet sich die theoretisch maximale Kreisverstärkung V 0krit (Stabilitätsgrenze). V0 0, 1 0Z Gl. 2 Diese Berechnung (Gl. 2) kann als Basis für eine erste Einstellung verwendet werden. 2. Die Eigenfrequenz und die Dämpfung des Antriebs bestimmen das geregelte Verhalten. Eines der wichtigsten Merkmale eines guten Antriebs ist, dass das Proportionalventil so nah wie möglich am Zylinder platziert wird. Ein großes Totvolumen verringert sowohl die Eigenfrequenz als auch die Dämpfung. Schläuche zwischen Zylinder und Ventil sind nur dann zu verwenden, wenn wirklich keine andere Lösung möglich ist. Sollwert (L/min) Beschleunigung Geschwindigkeit (v) - t 1 Zeitkonstante für den Druckaufbau t 2 Zeitkonstante des mech. Systems Abbildung T 1 T2 Gl. 3 d 1 2 T T 2 1 Gl. 4 Anhand dieser vereinfachten Prinzip Beschreibung ist zu erkennen, dass die Zeitkonstante t1 (durch die Hydraulik bestimmt) sollte so klein wie möglich sein sollte. Je größer sie ist, umso kleiner werden ω 0 und d. Seite 8 von 24 POS-12*

9 3. Der Einfluss einer hohen Ventileigenfrequenz wird im Allgemeinen (bei einschleifigen Regelkreisen) überschätzt. Infolge der geringen Dämpfung hydraulischer Antriebe sollte die Eigenfrequenz bei 50 % bis 100 % der Zylindereigenfrequenz liegen. Ist die Ventileigenfrequenz höher, so kann das Systemverhalten über einen PT1 Regler gedämpft werden4. 4. Die Abtastzeit des elektronischen Reglers spielt bei den meisten Antrieben eine untergeordnete Rolle. Sie sollte dennoch im Bereich von ca. 1 ms liegen. Ab 3 ms kann oft eine deutliche Verschlechterung des Systemverhaltens beobachtet werden. 2.8 Die Laststeifigkeit Die Laststeifigkeit ist ein Maß für einen Positionsfehler bei einer externen Kraft, welche den Zylinder aus der Position drücken will. Sie wird durch eine möglichst hohe Kreisverstärkung und eine möglichst hohe Druckverstärkung erhöht. Die statische Laststeifigkeit kann zusätzlich durch einfache regelungstechnische Maßnahmen verbessert werden. Die dynamische Laststeifigkeit bzw. eine Verbesserung der dynamischen Laststeifigkeit stellt dagegen sehr hohe Anforderungen sowohl an das Regelverhalten des hydraulischen Systems als auch an den Regler. 1. Statische Laststeifigkeit5: Der Antrieb wird durch eine Kraft aus der Position gedrückt und muss gegen diese Kraft regeln. Anhand der Kreisverstärkung, der maximalen Geschwindigkeit und der Druckverstärkung kann berechnet werden, wie groß dieser Positionsfehler bei einer gegebenen Kraft werden kann. Dieser Fehler ist durch einen Stillstands-Integrator (Feinpositionierung) kompensierbar. 2. Dynamische Laststeifigkeit6: Während der Fahrt (normalerweise im Schleichgang) baut sich eine externe Kraft auf (z. B. Bearbeitung eines Werkstückes). Diese Kraft bewirkt eine Reduzierung der Geschwindigkeit, die dann über den Regler (im NC Modus) wieder erhöht wird. Der Antrieb fährt mit höherem Schleppfehler, aber mit konstanter Geschwindigkeit. Die dynamische Laststeifigkeit ist abhängig vom gesamten dynamischen Verhalten, d. h., wie schnell auf die Geschwindigkeitsabweichung reagiert werden kann. 3 Die hydraulische Systemauslegung Hier sind nur die wichtigsten Punkte aus regelungstechnischer Sicht dargestellt. Viele Fehler werden bei der Auswahl des geeigneten Ventils, besonders zusammen mit Differentialzylindern, gemacht. Eine Druck- und Geschwindigkeitsberechnung fürs Ein- und Ausfahren sollte auf jeden Fall durchgeführt werden. 1. Die theoretische Geschwindigkeit sollte nicht höher als das Zweifache der gewünschten Geschwindigkeit liegen, ansonsten verschlechtert sich das Systemverhalten erheblich. 2. Die Dynamik des Antriebs (Eigenfrequenzen) sollte zumindest überschlägig berechnet werden. a. Grundsätzlich ist das Totvolumen (Leitungen zwischen Zylinder und Ventil) möglichst klein zu halten. b. Weiterhin sollten zwischen Ventil und Zylinder möglichst keine Schläuche verwendet werden. c. Hubübersetzungen haben einen arbeitspunktabhängigen, erheblichen Einfluss auf das dynamische Verhalten. 4 Ein schnelles Ventil bei gleichzeitigem Einsatz eines PT1 Filters ist dem langsameren Ventil vorzuziehen (aus regelungstechnischer Sicht). Die Dynamik des Ventils ist arbeitspunktabhängig und variiert mit der Amplitude. Der PT1 Filter hat dagegen immer das gleiche dynamische Verhalten, unabhängig ob die Amplitude groß oder klein ist. 5 Die statische Laststeifigkeit wird durch die Druckverstärkung der Ventile und die Kreisverstärkung des Systems bestimmt. 6 Die dynamische Laststeifigkeit wird im Wesentlichen durch die Kreisverstärkung des Systems bestimmt und wird im Folgenden nicht näher berücksichtigt. Weitergehende Informationen finden Sie in der Beschreibung unseres MR Reglers. Seite 9 von 24 POS-12*

10 3. Anhand Punkt 2 und Punkt 3 können wichtige Einstellungen für das Regelmodul ermittelt werden. WICHTIG: Weicht die tatsächliche Einstellung deutlich von der berechneten Einstellung ab, so sind meist wichtige beeinflussende Punkte unberücksichtigt geblieben. 3.1 Beispielanwendung Aufgabenstellung: 1. Es soll ein einfacher Positionierantrieb mit einem Regelventil 7 (CETOP 3) ausgerüstet werden. 2. Zylinder: Servocop 40/28 mit 300 mm Hub, angekoppelte Masse 40 kg 3. Maximale Geschwindigkeit: 500 mm/s 4. Druckversorgung: bar 5. Maximale Kraft:. N 6. Positioniergenauigkeit: besser ± 0,1 mm 7. Regelmodul: POS-123-U mit analogen Soll- und Istwerten Dieser Antrieb ist ein schneller Hilfsantrieb. Die Genauigkeit von 0,1 mm bedeutet, dass eine Signalauflösung von ca. 1:3000 (3,3 mv) notwendig ist. Dies ist mit analogen Systemen unter guten Voraussetzungen machbar, aber auch nahe der technischen Realisierbarkeit. 7 Die Berechnungen beruhen auf dem Einsatz eines linearen Nullschnitt-Regelventils. Weitestgehend verhalten sich die Regelventile der verschiedenen Hersteller ähnlich. Die Unterschiede machen sich erst bei sehr hohen Anforderungen bemerkbar. Seite 10 von 24 POS-12*

11 3.2 Druck und Geschwindigkeitsberechnung Der erste und wichtigste Schritt betrifft die Berechnung von Drücken und Geschwindigkeiten für das Aus- und Einfahren Ausfahren Abbildung 5 Beim Ausfahren haben wir es mit relativ großen Druckabfällen über die Steuerkanten zu tun. Die Geschwindigkeit ist höher als beim Einfahren (um den Faktor1,41 bei einem 2:1 Zylinder). Die Drücke in den Zylinderkammern sind relativ niedrig. Besonders zu beachten ist der Druck PA, da es hier beim Abbremsen von großen Massen zum Kavitieren kommen kann. Seite 11 von 24 POS-12*

12 3.3 Einfahren Abbildung 6 Beim Einfahren verhalten sich die Drücke in den beiden Kammern unkritisch. Infolge der höheren Drücke steigt auch die Eigenfrequenz beim Einfahren gegenüber dem Ausfahren. Der Unterschied ist normalerweise klein, so dass dies unberücksichtigt bleiben kann. 3.4 Lösung mit Regelventilen 1. Die Berechnungen zeigen, dass ein Regelventil mit 40 L/min Nennvolumenstrom notwendig ist. 2. Die Eigenfrequenz des gesamten Systems liegt bei 32 Hz 3. Die maximale Kreisverstärkung (Stabilitätsgrenze) liegt bei 40 s Daraus folgt, dass der Bremsweg ca. 16 mm (D:A, D:B Parameter) betragen sollte, was einer Regelverstärkung von 19 entspricht. 5. Die berechnete Genauigkeit (lastfrei) beträgt 0,03 mm. Wie sollte das Modul parametriert werden? 1. Die Kreisverstärkung wird, für eine robuste Parametrierung, auf 20 s -1 eingestellt. 2. Alternativ wird beim weganhängigen Bremsen ein Bremsweg von ca. 32 mm (D:A, D:B Parameter) eingestellt, was einer Regelverstärkung von 9,5 entspricht. 3. Die berechnete Genauigkeit (lastfrei) beträgt nun 0,06 mm. Seite 12 von 24 POS-12*

13 3.5 Parametrierung In der Praxis kann die Parametrierung von dieser Berechnung deutlich abweichen. Ursache für diese Abweichungen sind meist falsche Annahmen bzw. unberücksichtigte, dynamische Einflüsse Basiseinstellungen 8 1. SYS_RANGE = 300 mm; Länge des Arbeitshubes 2. N_RANGE = 350; Länge des Sensors 3. OFFSET:X = 10000; falls es einen Positionsoffset ( in µm) gibt 4. SIGNAL:W und SIGNAL:X = U0-10 (Spannungseingang 0 10 V) 5. CTRL = LIN; für den Einsatz von Regelventilen 6. SIGNAL:U; Spannungs- oder Stromausgang (+/- 10 V oder ma). Dieses Kommando wird auch zur Polaritätsumkehr verwendet SDD Modus 1. Beim wegabhängigen Bremsen wird ein Bremsweg von ca. 32 mm (D:A, D:B Parameter) eingestellt, was einer Regelverstärkung von 9,5 entspricht. 2. Die berechnete Genauigkeit (lastfrei) beträgt nun 0,06 mm. 3. Die Beschleunigung (A:A und A:B) wird auf ms eingestellt. 4. Da die Achse schneller als die maximale Geschwindigkeit fahren kann, sind die MAX Parameter auf folgende Werte einzustellen: MAX:A = 7000 (70 %) und MAX:B = (100 %). 5. Der TRIGGER ist beim Einsatz eines Regelventils auf 0 einzustellen. 6. Das PT1 Glied ist nicht notwendig, da die Zylindereigenfrequenz sehr hoch ist. Würde sich die Masse auf 140 kg erhöhen, so könnte das PT1 Glied das Regelverhalten verbessern NC Modus (Änderungen gegenüber SDD) 1. Die Kreisverstärkung V0:A und V0:B wird für ein robustes Verhalten auf 20 s -1 eingestellt. 2. Der Profilgenerator: a. ACCEL, Beschleunigungswert, anhand der Berechnungen 2500 mm/s² b. VMAX, maximale Geschwindigkeit, in diesem Fall mm/s (die geforderten 500 mm/s sind im NC Modus nicht einstellbar, da eine größere Reserve benötigt wird). 8 Grundsätzlich notwendig, um ein lauffähiges System zu bekommen. Seite 13 von 24 POS-12*

14 4 Verkabelung Spannungsversorgung: 24 V geregeltes Netzteil (Schaltnetzteil ist normalerweise ausreichend). Keine Induktivitäten ohne Überspannungsschutz (Freilaufdiode) am selben Netzteil. Schalteingänge und Schaltausgänge, 24 V SPS Signale Analoge Sollwerte: Geschwindigkeitseingang: 0 10 V an PIN 10. PIN 9 nach GND brücken Sollposition: 0 10 V oder 4 20 ma (zwei Leiter Technik, Potential ist GND) Analoge Istwerte: 0 10 V oder 4 20 ma (zwei Leiter Technik, Potential ist GND) Schnittstelle zu den Proportionalventilen: PIN 15 (0 10 V) und PIN 16 (0 10 V) als Differenzausgang. Wird direkt mit D + E des 6+PE Steckers (Ventile mit integrierter Elektronik) verbunden. SPS Inputs Error / InPos Ready 24V 0V Power supply SPS Outputs Enable Start Hand+ Hand PE terminal PE terminal V Ventil Sollwertsignal Sensorsignal 0..10V 0..10V 0V 0..10V 0..10V Screen A - 24 V B - 0 V C - ventilabhängig Potentialausgleich D E Der Potentialausgleich ist nicht grundsätztlich erforderlich. Anschluss an C oder B (ventilabhängig). Seite 14 von 24 POS-12*

15 5 Steuerungsablauf 1. ENABLE = ON: Die Sollposition ist gleich der Istposition, die Achse steht geregelt. Über den READY Ausgang wird die allgemeine Betriebsbereitschaft gemeldet. 2. START = ON: die externe analoge Sollposition wird übernommen. Die Achse fährt unmittelbar zu dieser neuen Zielposition und meldet das Erreichen dieser Position über den Statusausgang bzw. die gelbe LED. Wird das Startsignal - während der Fahrt - deaktiviert, so bremst die Achse über den eingestellten Bremsweg D:S ab und bleibt geregelt stehen. 3. START = OFF, Handmodus ist aktiv: Über die Eingänge HAND+ und HAND- kann die Achse manuell gefahren werden. Nach dem Deaktivieren des Handeingangs bleibt die Achse an der aktuellen Position geregelt stehen. 4. START = OFF, defekter Sensor: Die Achse kann über Hand+ oder Hand- gefahren werden (Notbetrieb). 5. ENABLE = OFF: Das Ausgangssignal zum Proportionalventil wird unmittelbar abgeschaltet*, die Achse bleibt stehen. * Die Abschaltung ist nicht für sicherheitsrelevante Systeme ausgelegt. Seite 15 von 24 POS-12*

16 6 Inbetriebnahme Anhand der berechneten Daten und der Parametrierung sollte die Achse zufriedenstellend fahren. 6.1 Optimierungsmöglichkeiten Zuerst muss man definieren, was optimiert werden soll. Ist die Achse nicht genau genug, ist die Hubzeit zu lang oder sind Instabilitäten zu erkennen? Die Positionierung ist nicht genau genug. Hier muss man noch mal unterscheiden, wie sich der Fehler bemerkbar macht. Ist der Fehler nach jedem Positioniervorgang konstant (gleiches Vorzeichen), steht die Achse immer links von der Zielposition. In diesem ist normalerweise eine zu große Nullpunktverschiebung des Ventils die Ursache. Maßnahme 1: Steht die Achse still, so ist im Monitor der Wert U abzulesen und der Parameter OFSSET mit dem negativen Wert von U zu parametrieren. Maßnahme 2: Die Feinpositionierung ist zu aktivieren und der Fehler wird automatisch kompensiert. Nachteil: Abhängig von der Richtung kommt es zu einem Überfahren der Zielposition. Möglich ist auch, dass die Achse immer vor der Zielposition stehen bleibt. In diesem Fall sind es externe Reibkräfte, die ein genaueres Positionieren verhindern. Maßnahme: Die Feinpositionierung ist zu aktivieren und der Fehler wird automatisch kompensiert. Je nach Einstellung der Feinpositionierung kann dies auch länger dauern. Hierzu ist der DC:I Parameter an das Systemverhalten anzupassen. Es ist keine direkte Ursache für die unzureichende Positioniergenauigkeit zu erkennen. Dies ist zusammen mit dem nächsten Punkt zu berücksichtigen Die Achse positioniert zu langsam. Der Bremsweg ist zu lang bzw. die Kreisverstärkung ist zu niedrig. Die Parameter D:A, D:B oder V0:A, V0:B verändern, bis es zu merklichen Verbesserungen kommt. VORSICHT: zu geringe Bremswege bzw. zu hohe Kreisverstärkungen führen zu Instabilitäten. Alternativ kann auch die Regelcharakteristik über das CTRL Kommando (LIN / SQRT1) verändert werden. Seite 16 von 24 POS-12*

17 7 Erklärungen 7.1 Bremsweg / Kreisverstärkung? Warum wird die Verstärkung mal als Bremsweg und mal als Kreisverstärkung eingegeben? Die Kreisverstärkung entspricht der Multiplikation aller Verstärkungen in dem System und wird in s -1 angegeben. Sie ist für den Nicht-Regelungstechniker eine abstrakte Größe, sie kann aber anhand der dynamischen Kenndaten des Systems berechnet werden. v V max e GL. 5 0 e v max V 0 = dynamischer Regelfehler [mm] = maximale Geschwindigkeit [mm/s] = Kreisverstärkung [1/s] Die maximale Geschwindigkeit und die Kreisverstärkung bestimmt den maximalen Regelfehler (e max ). Im SDD Modus wird dieser maximale Regelfehler als Bremsweg verwendet. Daher auch die umgekehrt proportionale Beziehung zwischen Bremsweg und Kreisverstärkung. Der Nicht-Regelungstechniker hat im Allgemeinen ein gutes Systemverständnis, so dass er den Bremsweg (im ersten Ansatz) erfahrungsgemäß einstellen kann. Der SDD Modus ist einfacher zu optimieren und wesentlich robuster gegenüber externen Einflüssen. 7.2 Analyse mit Hilfe vom WPC Die Prozessdaten wie Sollwert, Istwert, Regelabweichung und die Stellgrößen können im Monitor betrachtet werden. 2. Über Status Info (im Monitor) werden die Zustände und Fehlerinformationen direkt angezeigt. 3. Mit Hilfe des Oszilloskops kann das dynamische Verhalten beurteilt werden (Instabilitäten, Überfahren der Zielposition, ) 4. Alle Parameter, die Sie ändern, sind direkt aktiv. Über LOADBACK kommen Sie an die zuletzt gespeicherten Daten. 5. Über DEFAULT wird die Werkseinstellung wieder aktiviert. 6. Nähere Infos über das WPC-300 erhalten Sie im Dokument: WEST WPC Seite 17 von 24 POS-12*

18 7.3 Wirkungsweise der Feinpositionierung / Driftkompensation Typische hydraulische Achse mit Nullpunktfehler Nullpunktfehler : -0,38 mm Am Ausgang: -1,43 % (für die Geschwindigkeit null) BLAU Sollprofil, ROT Istposition, GRÜN Regelfehler und SCHWARZ Stellgröße Die Kreisverstärkung wurde niedrig (auf 4 s -1 ) eingestellt, um die Auswirkungen besser zu sehen. Nach dem Positionieren bleiben ein stetiger Positionsfehler und eine zugehörige Stellgröße. Da der Positionsfehler immer negativ ist (unabhängig von der Fahrrichtung), handelt es sich um einen klassischen Nullpunktfehler (Offset). Abbildung 7 Mit eingeschalteter Feinpositionierung wird der Positionsfehler (grün) reduziert. Das Verhalten ist je nach Bewegungsrichtung unterschiedlich. Beim Ausfahren wird die Zielposition überfahren und dann zurückgeregelt. Beim Einfahren wird die Zielposition über die Feinpositionierung langsam angefahren. Ursache für das Überfahren der Zielposition - durch den negativen natürlichen Positionsfehler will die Achse erst mal auf -0,38 mm fahren - wird dann aber zurückgeregelt. Abbildung 8 Seite 18 von 24 POS-12*

19 Im Unterschied zum vorhergehenden Bild wurde hier die Regelzeit für die Feinpositionierung deutlich kleiner eingestellt. Die Zielposition wird schneller erreicht, aber jetzt sind Positionsüberschwinger in beiden Richtungen zu erkennen. Besonders deutlich kann man die Arbeitsweise der Feinpositionierung bei negativer Geschwindigkeit erkennen. Erst arbeitet die Positionierung und bei kleinen Fehlern aktiviert sich die Feinpositionierung und regelt den Fehler aus. Abbildung 9 Schneller Integrator, Nullpunkt korrekt eingestellt (-1,43 % (-143)). Der Offsetfehler kann auch mit dem Offset Kommando korrigiert werden. In diesem Fall arbeitet die Feinpositionierung nur noch gegen eine externe Gegenkraft. Im unteren Bild ist ein deutliches überfahren der Positionen zu erkennen. Ursache: der Integrator der Feinpositionierung ist zu schnell (zu kurze Zeiten wurden eingestellt). Abbildung 10 Seite 19 von 24 POS-12*

20 Die Integratorzeit wurde von 300 ms auf 1500 ms verlängert. Das Überfahren der Zielposition kann so komplett eleminiert werden. (Integrator langsam (1500 ms), Offset ist eingestellt!) Abbildung 11 Seite 20 von 24 POS-12*

21 Positionieren gegen eine Kraft (externe Störgröße), simuliert durch die Trigger-Einstellung von 200. In beiden Richtungen bleibt ein Positionsfehler bestehen. Abbildung 12 Über die Feinpositionierung wird dieser Fehler (langsam aber stetig) kompensiert (1000 ms). Dieses langsame Positionieren ist noch optimierbar. Abbildung 13 Seite 21 von 24 POS-12*

22 7.4 Vorteile eines PT1 Filters im Regler Tests an unserem elektronischen Simulator. Ziel: das Verhalten der Kreisverstärkung und des PT1 Filters zu beurteilen. System mit einem sehr geringen V0 = 3 s -1 (Kreisverstärkung). Gutmütiges, aber langsames Positionieren. Abbildung 14 Die Kreisverstärkung wurde auf 6 s -1 erhöht. System ist nun dauerhaft instabil, aber deutlich schnelleres Positionieren ist zu erkennen. Abbildung 15 Seite 22 von 24 POS-12*

23 PT1 Dämpfungsglied wurde aktiviert (auf 30 ms eingestellt) und die Kreisverstärkung auf 9 s -1 erhöht. Positioniervorgang ist deutlich dynamischer, genauer und stabil. Abbildung 16 Die Kreisverstärkung V0 = 14 1/s wurde eingestellt. Bei dieser Verstärkung ist das System trotz PT1 Filters instabil. Abbildung 17 Seite 23 von 24 POS-12*

24 Bei der Kreisverstärkung von V0 = 14 1/s und einer Dämpfung von PT1 = 100 ms ist das System wieder stabil. Durch das stark verzögerte Verhalten kommt es aber zu einem deutlichen Überfahren der Zielposition, was in den meisten Anwendungsfällen unerwünscht ist. Abbildung 18 Die optimale Parametrierung ist: V0 = 9 1/s und PT1 = 30 ms. Kritische Kreisverstärkung: 6 1/s Abgeleitete Eigenfrequenz des Zylinders: ca. 4 5 Hz. Seite 24 von 24 POS-12*