(openPR) Neuer Lösungsansatz birgt Effizienzpotenzial
Michael Niecknig
"Die Leistung von intelligenten Positioniersystemen besteht in der zeitoptimalen Regelung. Auf diese Weise können Krananlagen maximal ausgelastet werden. Zum Leistungsumfang einer idealen Positionierung zählen in diesem Zusammenhang erweiterte Funktionen wie Gleichlaufregelungen und Softwareerweiterungen zur Energieoptimierung von Positionier-prozessen. Ein neuer Lösungsansatz hat diese Aspekte aufgegriffen und in die Realität umgesetzt."
Auch heute basieren herkömmliche Positioniersteuerungen vielfach noch auf Antriebssteuerungen und externen Steuerungen, die über Bussysteme oder per Analogwert den Antrieb eines Krans ansprechen. Zur Positionsrückgabe werden hier meistens Näherungsschalter, Laserdistanzmesser, Drehgeber oder Linear-Encoder eingesetzt. Das heißt, dass bei derartigen Lösungen die Kransysteme i. d. R. durch reine Steuerungsmaß-nahmen positioniert werden. Die herkömmliche Positioniersteuerung nutzt also ein Wegmesssignal als Eingangsgröße, um in einem Antrieb z. B. voreingestellte Rampenfunk-tionen anzusprechen, die einen Kran zu einer bestimmten Position navigieren sollen. Im Gegensatz zur Regelung fehlt bei der Steuerung die Rückkopplung der Ausgangsgröße auf den Eingang. Bei der Regelung wirkt die gesteuerte Größe nach einem Soll-Ist-Vergleich auf sich selbst zurück.
Eine automatische Erkennung und ein automatischer Ausgleich von Störgrößen geschieht nicht; mithin einer der größten Nachteile einer gesteuerten gegenüber einer geregelten Positionierung. Aufgrund der fehlenden automatischen Störgrößenbehandlung ist eine reine Positioniersteuerung anfällig für Störungen durch äußere Einflüsse. Erfahrungsberichte von Anlagenbetreibern zeigen, dass der Wechsel von einer Steuerung auf eine Regelung die Störungen eines Krans um bis zu 60 Prozent reduzieren kann.
Das Prinzip der Steuerung ist nicht der einzige Nachteil herkömmlicher Positionierlösungen. Hinzu kommt u. a. die unflexible Parametrierung. Vielfach kann nur eine darauf geschulte Fachkraft die Programmierwerkzeuge anwenden. Außerdem sind antriebsspezifische Lösungen nicht modular austauschbar.
Um die genannten Schwachpunkte herkömmlicher Positionierlösungen zu beseitigen, hat das Unternehmen PSI Technics einen neuen Lösungsansatz verfolgt. Zu dessen Merkmalen gehören der modulare Aufbau und die vollständig geregelt ablaufende Positionierung. Ferner darf die Reglereinstellung der zu entwickelnden Lösung nicht ausschließlich empirisch geschehen, sondern sollte durch Simulation bzw. Parameteridentifikation optimiert werden.
Neben einer automatischen Reglereinstellung sind weitere physikalische Eckdaten des Krans wichtig und müssen zur vereinfachten Anwendung ebenfalls automatisch ermittelt werden. Diese Eckdaten sind z. B. die Offsetspannung, die richtungsabhängigen minimalen Totpunkte des Antriebs, die maximale Geschwindigkeit und die maximale Beschleunigung der Anlage.
Außerdem schrieben sich die Entwickler ins Pflichtenheft, dass es durch die Implementierung der neuen Positionierregelung nicht zu Veränderungen am Systemaufbau des Krans kommen darf.
Die Umsetzung
PSI Technics hat die definierten Ziele des Lösungsansatzes umgesetzt und eine Positionierregelung entwickelt, die den genannten Anforderungen Rechnung trägt. Das Ergebnis dieser Entwicklung ist das „Positioning Solution System“. Das neue System erhält per Wegmessung den Absolutwert der Position des Krans, verarbeitet diese Angabe in der internen Regelung und spricht die Aktorik (Antrieb) mit dem resultierenden Ausgabewert an, um die Mechanik des Systems an die gewünschte Position zu bringen. Die Befehle zur Positionierung werden z. B. per Feldbus oder seriell per ASCII-Protokoll von einer Prozesssteuerung an das Positioning Solution System gerichtet.
Mithilfe von Status-Codes liefert die Kommunikationsschnittstelle eine transparente Darstellung aller Systemzustände. Die Kommunikation findet ausschließlich über standardisierte Protokolle und Schnittstellen statt.
Sobald die Prozesssteuerung einen Zielbefehl gibt, übernimmt das Positioning Solution System die Positionierung des Krans. Neue Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Zielwerte lassen sich jederzeit während einer Bewegung eingeben und werden sofort berücksichtigt, ohne die Endpositionierung zu beeinflussen.
Auch Positioniertoleranzen, Entfernungsoffsets usw. können im laufenden Betrieb zu jeder Zeit geändert oder abgefragt werden. Somit ist eine komplette Parametrierung per Kommunikation möglich. Ferner lassen sich Stationstabellen im laufenden Betrieb anpassen.
Die Wegmessung ist austauschbar. Nahezu jeder Distanzmesser lässt sich einsetzen, solange die Möglichkeit besteht ihn per SSI einzulesen.
Die Komponenten des Positioniersystems lassen sich integrieren und in Betrieb nehmen, ohne dass Eingriffe in das Gesamtsystem vonnöten sind.
Regelung
Die implementierte Regelungssoftware FLP6000MC ist in der Lage, hochdynamische Schwingungen auszugleichen und ein physikalisch zum Schwingen neigendes System zu stabilisieren. Darüber hinaus haben die Entwickler den Gedanken der Voraussage konsequent umgesetzt, um Simulationsmaßnahmen im laufenden Betrieb zu ermöglichen. So kann die Positionierung der Anlage bei einer definierten Unterbrechungsdauer des Lichtstrahls des eingesetzten Laserdistanzmessers vollkommen unbeeinflusst von dieser Störung ablaufen.
Mithilfe einer zeitlich optimierten Trajektorienplanung in Kombination mit einer Vorsteuerung, die der Regelstrecke angepasst ist, werden die optimalen Soll-Werte für die Positionierung der Anlage vorgegeben. Diesen Soll-Werten kann die Regelung nahezu ohne Schleppfehler folgen. So wird gleichzeitig die Mechanik des Krans geschont.
Die Reglereinstellung übernimmt eine automatische Routine, deren Aktivierung per Webinterface geschieht. Während dieser Routine finden die Ermittlung der Reglerwerte und die Generierung eines Anlagenmodells statt. Zudem werden die physikalischen Grundlagen des Krans erlernt.
Webinterface
Das Positioning Solution System lässt sich über eine Web-Oberfläche vollständig konfigurieren und in Betrieb nehmen. So ist auf einfache Weise die Verbindung zur Kontrolleinheit ohne zusätzliche Software gegeben. Nur der Web-Browser ist erforderlich.
Gleichlauf und Energieoptimierung
Als optionale Softwaremodule stehen für das neue Positioniersystem die Erweiterungen ASC und EOS zur Verfügung. Das Modul ASC ermöglicht eine Gleichlaufregelung bei Brückenkranen. EOS ist eine Erweiterungsfunktion zur Energieoptimierung der Positioniervorgänge bei Mehrachsensystemen.
Eine Gleichlaufregelung hat die Aufgabe, zwei unabhängige Antriebe an einer Anlage zu synchronisieren und in Relation zu einer gemessenen Distanz zu bewegen. Voraussetzung hierfür ist eine möglichst gute Einhaltung des Gleichlaufs, der Drehzahl oder des Drehwinkels der einzelnen Antriebe untereinander. Bei einem doppelmotorigen Brückenkran sorgt die Gleichlaufregelung dafür, den Schräglauf des Krans minimal zu halten.
Während einer Fahrt behält die Achse in allen Bewegungsphasen die korrekte Ausrichtung bei. Die Software FLP6000ASC kann auch vor Bewegungsbeginn jeden manuell verursachten Schräglauf durch Ausrichten der Kranbrücke ausgleichen.
Sobald ein Schräglauf entsteht, lässt sich der Brückenkran im Stillstand oder während der Fahrt per ASC neu ausrichten. Um bei bestimmten Anwendungen eine Position auch bewusst schräg anfahren zu können, wird dies im Bewegungsprofil der Positionierung festgelegt.
Das Optimierungsmodul EOS spricht die einzelnen Achsen des Systems so an, dass diese in der regulären Positionierzeit, also ohne Zeitverzug, gleichzeitig an den Zielkoordinaten ankommen. Somit wird eine der Achsen mit reduzierter Geschwindigkeit betrieben. Der Anlagenbetreiber kann diese Funktion in Verbindung mit dem Positioning Solution System ohne Änderungen am Materialflussrechner, dem Lagerverwaltungssystem oder der Kransteuerung integrieren. Nach Berechnung und Optimierung wird die Fahrt der y-Achse verlangsamt. Die benötigte Endgeschwindigkeit liegt unter der Hälfte der Maximalgeschwindigkeit.
Fazit
Mit den genannten Eigenschaften des Positioning Solution Systems ist es gelungen, eine Lösung zur Positionsregelung zu kreieren, die sich durch ihre Modularität und die konsequente Realisierung standardisierter Benutzer- und Prozessschnittstellen flexibel in jede Anlage integrieren lässt. Darüber hinaus bieten die optionalen Erweiterungsmodule eine Erhöhung der Lebensdauer für die Mechanik durch den Gleichlauf der Achsen und eine Reduzierung der benötigten Energie von bis zu 15 Prozent während der Positionierbewegungen.
Aufgrund der vereinfachten Benutzerschnittstellen und der einfachen Integration werden die Inbetriebnahmezeiten und die damit verbundenen Kosten nachhaltig reduziert. Eine Inbetriebnahme von zwei Achsen benötigt maximal zwei Tage. Wobei der zweite Tag i. d. R. der Prozessbetreuung dient.
www.psi-technics.com
Autor: Dipl.-Ing. (FH) M. Niecknig ist Technischer Leiter der PSI Technics Ltd., Koblenz
