Angepasste Vorgabewerte schonen die Kran-Mechanik

Die Komponenten der geregelten Kransteuerung PSS lassen sich in bestehende Architekturen integrieren und in Betrieb nehmen, ohne dass in das Gesamtsystem eingegriffen werden muss. Die Schnittstellenkonfiguration bezieht sich auf eine Achse.

© PSI Technics

Sobald die Prozesssteuerung einen Zielbefehl gibt, übernimmt das PSS die Positionierung des Krans. Neue Geschwindigkeits-, Beschleunigungsund Zielwerte lassen sich jederzeit während einer Bewegung eingeben und werden sofort berücksichtigt, ohne die Endpositionierung zu beeinflussen. Auch Positioniertoleranzen, Entfernungs- Offsets oder Strahlunterbrechungswerte lassen sich im laufenden Betrieb zu jeder Zeit ändern oder abfragen. Nicht zuletzt können sogar Stationstabellen in der Betriebsphase angepasst werden. Was die Wegmessung an sich betrifft, so lässt sich grundsätzlich jeder Distanzmesser einsetzen, solange er per SSI einlesbar ist und seine Messdynamik für Kran-Applikationen ausreicht.

Die Kontrolleinheit basiert auf einem 1,6-GHz-Pentium-M-Prozessor von Intel und verfügt über 1 GByte RAM und 2 GByte Flash. Als Betriebssystem kommt Linux mit Echtzeit-Erweiterung zum Einsatz. Dies unterstützt zum einen eine einfache Portierung der Software, zum anderen wird dadurch der Modul-Gedanke konsequent umgesetzt. Für einfache I/Os und zur seriellen Kommunikation dienen Module der 750er-Serie von Wago. Die in der Kontrolleinheit implementierte Regelungssoftware ist in der Lage, hochdynamische Schwingungen – speziell Seilschwingungen – auszugleichen und ein physikalisch zum Schwingen neigendes System zu stabilisieren. Das gilt beispielsweise für Seilschwingungen bei Hub-Anwendungen.

Das Web-Interface des PSS: Dargestellt ist die Seite, auf der die Lernfahrt (Charakterisierung des Systems) gestartet werden kann.

© PSI Technics

Darüber hinaus wurde der Gedanke der Prädiktion (Beschreibung der Vorhersagbarkeit von Prozessen) konsequent umgesetzt, um Simulationsmaßnahmen im laufenden Betrieb zu ermöglichen. So kann die Positionierung der Anlage bei einer definierten Unterbrechungsdauer des Lichtstrahls vollkommen unbeeinflusst von dieser Störung ablaufen. Durch eine zeitlich optimierte Trajektorienplanung in Kombination mit einer Vorsteuerung, die der Regelstrecke angepasst ist, werden die optimalen Sollwerte für die Positionierung der Anlage vorgegeben. Diesen Sollwerten kann die Regelung nahezu ohne Schleppfehler zwischen der Vorsteuerung und der Maschine – sprich bis auf wenige Millimeter – folgen. So wird gleichzeitig die Mechanik des Krans geschont, da nur dem System angepasste Vorgabewerte erzeugt werden.

Die Reglereinstellung erfolgt durch eine automatische Routine, deren Aktivierung per Web-Interface erfolgt. Während dieser Routine werden die Reglerwerte und ein Modell der Anlage ermittelt. Zudem werden die physikalischen Grundlagen der Maschine erlernt. Auch die vollständige Konfiguration und Inbetriebnahme des PSS erfolgt über die Web-Oberfläche. So ist auf einfache Weise die Verbindung zur Kontrolleinheit ohne jede Zusatz-Software möglich – lediglich ein Webbrowser ist erforderlich.

Gleichlauf und Energieoptimierung

Die Kranbrücke lässt sich vor oder während einer Bewegung ausrichten. Das dient dazu, eine Parallelität zu Bewegungsbeginn herzustellen und eine eventuelle Schrägstellung zu beheben.

© PSI Technics

Neben der beschriebenen Funktionsweise bietet das PSS die Erweiterungen ASC und EOS als optionale Software-Module. ASC ermöglicht eine Gleichlaufregelung bei Brückenkränen, bei EOS handelt es sich um eine Erweiterungsfunktion zur Energie-Optimierung der Positioniervorgänge bei Mehrachsensystemen. Eine Gleichlaufregelung hat die Aufgabe, zwei unabhängige Antriebe an einer Anlage so anzusteuern, dass die beiden Kranseiten synchron bezüglich der gemessenen Distanz laufen. Das beinhaltet eine möglichst gute Einhaltung des Gleichlaufs von Drehzahl oder Drehwinkel der einzelnen Antriebe untereinander – unabhängig von Führungs- und Störgrößenänderungen in der Arbeitsmaschine beziehungsweise der Anlage. Bei einem doppelmotorigen Brückenkran sorgt die Gleichlaufregelung dafür, den Schräglauf des Krans minimal zu halten.

Für bestimmte Anwendungen kann eine Position auch bewusst schräg angefahren werden, zum Beispiel bei einer schräg darunter stehenden Montagelinie. Dies wird im Bewegungsprofil der Positionierung festgelegt.

Die Geschwindigkeitsprofile von X- und Y-Achse einer konventionellen Bewegung ohne Energie-Optimierungs-Software (EOS).

© PSI Technics

Sobald ein Schräglauf entsteht, lässt sich der Brückenkran im Stillstand wie auch während der Fahrt per ASC neu ausrichten. Und auch bereits vor Bewegungsbeginn kann die Software jeden manuell verursachten Schräglauf durch Ausrichten der Brücke ausgleichen. Industrielle Förderanlagen arbeiten naturgemäß mit einem ökonomischen Aufwand (Betriebskosten/Energie/ Verschleiß). Um diesen Aufwand möglichst gering zu halten und damit ein Einsparpotenzial zu erschließen, wurde die Optimierungs-Software EOS entwickelt.

Die Software ist speziell auf Mehrachsensysteme wie Kransysteme anwendbar und spricht die einzelnen Achsen des Systems so an, dass diese in der regulären Positionierzeit – also ohne Zeitverzug – gleichzeitig an den Ziel-Koordinaten ankommen. Somit wird eine der Achsen mit reduzierter Geschwindigkeit betrieben. Diese Funktion lässt sich in Verbindung mit dem PSS ohne Änderungen am Materialflussrechner, dem Lagerverwaltungssystem oder der Kransteuerung durch den Anwender integrieren.

Dieselbe Fahrt durch eine Positionierung mit EOS. Nach Berechnung und Optimierung kann die Fahrt der Y-Achse verlangsamt werden. Die benötigte Endgeschwindigkeit liegt unter der Hälfte der Maximalgeschwindigkeit.

© PSI Technics

Die Verschaltung der Komponenten des Positioniersystems erfolgt analog zur Verschaltung bei ASC. Mit den geschilderten Eigenschaften des PSS wurde letztlich ein System zur Positionsregelung entwickelt, das durch seine Modularität und die konsequente Realisierung standardisierter Benutzer- und Prozess-Schnittstellen flexibel in jede Anlage integrierbar ist.

Darüber hinaus bieten die optionalen Erweiterungsmodule ASC und EOS eine Erhöhung der Lebensdauer für die Mechanik durch den Gleichlauf der Achsen und eine Reduzierung der benötigten Energie von bis zu 15 % während der Positionierbewegungen. Eine Inbetriebnahme von zwei Achsen erfordert maximal zwei Tage, wobei der zweite Tag in der Regel der Prozessbetreuung dient.

Autor: Michael Niecknig leitet den Bereich Forschung & Entwicklung bei PSI Technics.

Was ist steuern, was ist regeln?

Nach DIN 19226 Teil 1 ist der Steuerungsvorgang wie folgt beschrieben: „Das Steuern, die Steuerung ist ein Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Kennzeichen für das Steuern ist der offene Wirkungsweg oder ein geschlossener Wirkungsweg, bei dem die durch die Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst wirken.“

Der Regelungsvorgang ist in der DIN 19226 Teil 1 wie folgt beschrieben: „Das Regeln, die Regelung ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (die zu regelnde Größe), erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst.“