Die 'PID Control with Step Tuning Solution': Zunächst wird die Lösung simuliert und dann per Drag&Drop in die Steuerung der realen Maschine übertragen.

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Ein derartiges Paket lässt sich per Menü in Automation Studio auswählen. Sobald es importiert ist, ist es lauffähig. Dadurch ist der Benutzer sofort in der Lage, sich in das bereitgestellte Maschinenmodell, aber auch in die Technologiekomponente einzuarbeiten und diese zu testen. Die Simulation lässt sich durch Einstellung von Parametern (mechanische Abmessungen oder Daten aus Datenblättern) an das reale Maschinenverhalten der konkreten Maschinenanwendung anpassen. Zusätzlich ist es durch eigene Maschinenmodelle ersetzbar beziehungsweise erweiterbar. Ein einfaches Beispiel einer Lösung: Die "PID Control with Step Tuning Solution" im Basic-Controller-Design-Paket.

Das Übertragungsverhalten der Basisfunktionsbausteine mit PID-Regler und zwei Filterbausteinen wird durch Indentifikationsbausteine aus dem Advanced-Paket bestimmt.

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Die Blöcke PID, LowPass oder Oscillation-Tuning sind vorgefertigte Bausteine mit Schnittstellen, die in dieser Lösung bereits für diese typische Regelungsaufgabe einer PID-Regelung in einem einschleifigen Regelkreis mit eingebauter Tuningfunktion vorbereitet wurden. Das Modell im Programm SimMod stellt eine Regelstrecke mit ausgeprägtem Tiefpassverhalten dar – wie es zum Beispiel bei Temperaturstrecken der Fall ist. In einer in dieser Lösung mitgelieferten Simulationskonfiguration können diese beiden Programme sofort in der Simulationsumgebung am Entwicklungsrechner laufen. Mittels Drag&Drop lässt sich derselbe Regler in die Maschinensteuerung für die reale Maschine einbinden. Der Anwender kann die Lösung ausgehend von dieser vorgefertigten Variante erweitern und verändern, zum Beispiel indem er weitere Funktionen aus den Bibliotheken des Basic-Controller-Design-Pakets nutzt. Zum Funktionsumfang des Basic-Pakets gehören Regelungsbausteine, Signalfilterung, Sollwertgenerierung, Statistik-Funktionen und Look-Up-Tabellen. Diese Basisfunktionen erlauben es nun, Regelungen selbst zu entwickeln, indem auf vorgefertigte Grundfunktionen zugegriffen wird. Einfache Tuning-Funk­tionen für die PID-Reglereinstellung auf Basis von Oszillationsversuchen und Sprungversuchen an der Regel­strecke stehen hier zur Verfügung. Weiterführende Regelungstechnik-Methoden stehen im Advanced-Con­troller-Design-Paket bereit. Durch abgestimmte Schnittstellen lassen sich weiterführende Funktionen direkt mit Funktionen des Basic-Pakets verbinden, um diese um Identifikations-, Regelungseinstellungs- und Diagnosemöglichkeiten zu erweitern. Um diese Funktion nun auf die Regelungsstrecke einzustellen, wird dessen Übertragungsverhalten (die Übertragungsfunktion) durch einen Identifikations­baustein aus dem Advanced-Paket bestimmt. Alle Funktionsbausteine des Basispakets stellen ihr Übertragungsverhalten über eine kompatible ­Schnittstelle zur Verfügung, sodass ein Tuning-Baustein aus dem Advanced-Paket unter Zuhilfenahme all dieser Informationen die Reglerparameter des PID-Reglers für ein durch den ­Benutzer vorgegebenes Regelungsverhalten bestimmen kann.

Durch Visualisierung des Frequenzgangs der identifizierten Strecke kann der Benutzer gezielt beim Aufbau des Reglers den Eigenschaften der Strecke Rechnung tragen. So wird zum Beispiel ein Notch-Filter eingesetzt, um die Überhöhung im Frequenzzugang zu kompensieren und danach den PI-Regler besser einstellen zu können. Speziell die Diagnose eingestellter Regler ist durch diesen Zugang im Frequenzbereich möglich. Zusätzlich lassen sich immer dann, wenn einfache PID-Regelungen für sich nicht ausreichen, zusätzliche Bausteine im Frequenzbereich so justieren, dass gezielt das gewünschte Regelungsverhalten eingestellt wird. Im Advanced-Paket stehen Bibliotheksfunktionen wie Signalverarbeitung, Identifikation, Lineare Algebra, Autotuning und virtuelle Sensorik zur Verfügung. Der Mehrwert der Funktionen im Advanced-Paket für den Anwender liegt darin, Regelungen mit zusätzlicher Intelligenz auszustatten, indem diese bei der Inbetriebnahme zielgerichteter eingestellt werden können und die Diagnose vereinfacht wird. Da es sich bei diesen Bausteinen um Bibliotheksfunktionen handelt, die direkt auf der Echtzeit-Steuerung ablaufen können, ermöglichen sie zusätzlich die Umsetzung smarter Regelungen: Diese können sich etwa in unterschiedlichen Betriebsfällen auf das sich verändernde Maschinenverhalten einstellen, indem sie während des Betriebs das dynamische Verhalten identifizieren und die Reglerparameter wieder neu berechnen. Diese Möglichkeiten – etwa jene der Diagnose im Frequenzbereich – werden damit in die Steuerung integriert und deren Nutzung bleibt nicht dem Regelungstechnik-Experten in der Applikationsentwicklung vorbehalten, sondern sie kann damit sowohl für die Maschineninbetriebnahme als auch für Wartungsaufgaben bereitgestellt werden.

Autor: Dr. Kurt Zehetleitner ist Technical Manager Automation Software, Mechatronic Technologies bei B&R.

Bestandteile eines Solution-­Paketes

Die Pakete bestehen generell aus:

• den Bibliotheksfunktionen für die jeweilige Regelungsaufgabe,
• einer Vorlage (Templates), die die Nutzung der Bibliotheksfunktionen für diesen typischen Anwendungsfall zeigt,
• einer lauffähigen Visualisierung zur Inbetriebnahme und Diagnose dieser Lösung,
• einem oder mehreren Simulations­modellen, die das Verhalten der Maschinenkomponente widerspiegeln,
• einer einfachen und leicht lesbaren Dokumentation (Hilfe) zu den Bibliotheksfunktionen und der bereitgestellten Lösung.

Konzept 'Mapp' von B&R auf der SPS IPC Drives 2014

Christoph Trappl, Manager International Applications bei B&R : "Auf der SPS IPC Drives nehmen wir in acht Minuten einen Roboter komplett in Betrieb!"

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Auf der SPS IPC Drives stellt B&R das Konzept Mapp vor. Was sich hinter dem Konzept verbirgt und welche Vorteile es dem Anwender bringt, erläutert Christoph Trappl im Interview.

Herr Trappl, Sie stellen zur SPS IPC Drives das Konzept Mapp – ­modular application technology – vor. Was muss man sich darunter vorstellen?
Bei Mapp handelt es sich um einen Software-Werkzeugkasten, der es Maschinen- und Anlagenbauern ermöglicht, sich voll und ganz auf die Abbildung des Prozesswissens in die Applikations-Software zu fokussieren. Im Zuge einer Maschinenentwicklung wird typischerweise viel Zeit in Basisfunktionen investiert. Dies sind Funktionen, die prozessbegleitend vorhanden sein müssen – zum Beispiel die Rezeptverwaltung oder das User Management. Meist werden Basisfunktionen vor dem eigentlichen Maschinenprozess umgesetzt. Das heißt, der eigentlich wichtigste  Teil – der Maschinenprozess – kommt im letzten Drittel der Applikationsentwicklung an die Reihe. Exakt hier greift Mapp. Mit den verfügbaren Basisfunktionen kann die Software-Entwicklung um durchschnittlich 67 % reduziert werden.

Worin unterscheiden sich die Mapp-Bausteine von den Technologie- und Regelungstechnik-Paketen, die im Artikel beschrieben sind?
Die Regelungstechnik-Pakete bieten mechatronische Technologie. Mapp Technology umspannt gesamtheitlich die Applikations-Software. Die Integration der Regelungstechnik-Bausteine in das Mapp Framework ist umgesetzt. Der Kunde kann sich je nach Anwendungsfall und Know-how aus dem B&R-Werkzeugkasten bedienen.

Wie viele und welche Arten von modularen Bausteinen stellen Sie auf der SPS IPC Drives schon vor? Wie sieht die weitere Roadmap aus?
Zur Messe sind rund 70 Funktionen verfügbar, die im Zuge der Messe auch für die Anwender freigegeben werden. Exemplarisch stehen hierfür Funktionen bereit für Achsansteuerungen, Robotik, CNC, Rezeptverwaltung, Regelungstechnik, das Alarming, das User ­Management. Wir gehen davon aus, dass sich die Anzahl der Funktionen innerhalb eines Jahres mehr als ­verdoppelt.

Wie groß ist der Einarbeitungsaufwand in die Technologie für die Entwickler beim Maschinenbauer?
Jeder Automation-Studio-Anwender ist ohne Zusatzschulung in der Lage, die Technologie effizient einzusetzen. Mittels Konfiguratoren kann er schnell die gewünschte Anwendung realisieren. Eine Anwender-Dokumentation dient zudem als Nachschlagewerk. Auf der Messe ­zeigen wir die Effizienz und Einfachheit: Wir werden in acht Minuten ­einen Roboter vollständig in Betrieb nehmen!

Bedürfen die Mapp-Bausteine einer ständigen Pflege, wie Updates? Wer kümmert sich gegebenenfalls darum: B&R oder der Anwender?
Wir übernehmen die Weiterentwicklung und Wartung der Funktionen. Der Kunde kann sich auf den Maschinenprozess fokussieren. Updates stehen im Internet zur Verfügung.