Bild 1. Bodeplot einer reinen Totzeit-Übertragungsfunktion mit Totzeit von 5 ms. Die Phasendrehung dieses herkömmlich geregelten Beispielsystems beträgt bei 100 Hz etwa 95°, was die Stabilität des Systems verschlechtert.

© Keba

Auftreten können Totzeiten sowohl auf der Regelstrecke als auch im Regler eines Systems selbst. Bei herkömmlichen Steuerungssystemen mit zeitdiskreter Abtastung sind je nach Verwendung von Bussystemen dabei Verzögerungen von mehreren Taktzyklen möglich. Idealerweise erfolgt durch Totzeiten jedoch keine Veränderung des Eingangssignals – vergleichbar mit einem Förderband, bei dem das transportierte Material nach der Transportzeit unverändert am Ende ankommt. Bei Betrachtung des Bode-Diagramms eines Totzeitgliedes bleibt also der Betrag über der Frequenz idealerweise gleich. Daher ist die Phasendrehung das eigentliche Problem der Regelung bei Systemen mit Totzeit.

Bild 2. Vergleichsbetrachtung der Reaktionszeit zwischen einer Standard-Kommuni­kations­lösung (oben) und der optimierten Keba-Lösung (unten).

© Keba

Um diesem Problem entgegenzuwirken und Totzeiten sowie Reaktionszeiten zu minimieren, werden Regelungen kritischer Prozesse meist dezentral angeordnet. Das hat jedoch auch Nachteile wie beispielsweise eine komplizierte Synchronisation der dezentralen 'Mini-Controller' beim Hochlauf und Stopp oder die Kopplung verschiedener Antriebe über den Feldbus. Vor diesem Hintergrund hat sich Keba mit genau diesen Themen intensiv auseinandergesetzt beziehungsweise ein innovatives Konzept für die schnelle Regelung der  Steuerungsplattform 'KeControl C3' sowie des kombinierten Steuerungs- und Antriebssystem 'KeDrive for Mo­tion' überlegt. Die detailliertere Darstellung der Signalverarbeitung  und -übertragung in sieben Teilen gemäß Bild 2 offenbart die Vorteile der schnellen Regelung im Vergleich zu einem Standardsystem:

1. Eingangsdaten-Update Gerät
Die Eingangsdaten werden eingelesen und in den internen Speicher des Gerätes – im Beispiel ein Ethercat-Slave – geschrieben. Der Startzeitpunkt des Eingangsdaten-Update wird durch Hardware mit minimalem Jitter getriggert. Das Eingangsdaten-Update erfolgt auf den je­weiligen Geräten zum spätestmöglichen Zeitpunkt – also zu einem Zeitpunkt, der gerade noch garantiert, dass die Eingangsdaten kurz vor der Übertragung in der Steuerung zur Verfügung stehen werden.

2. Eingangsdaten-Übertragung
Die Eingangsdaten werden wiederum zum spätestmöglichen Zeitpunkt mittels Ethercat-Frame vom internen Speicher zur Steuerung übertragen. Dieser Zeitpunkt garantiert, dass der Ethercat-Frame zu Beginn des nächsten Zyklus in der Steuerung zur Verfügung steht.

3. Eingangsdaten-Update Steuerung
Die Eingangsdaten vom Ethercat-Frame werden gelesen und der Applikation zur Verfügung gestellt. Dieser Schritt geschieht sobald als möglich nach dem Start des Zyklus.

4. Applikation
Direkt nach dem Einlesen der Eingangsdaten wird die Applikation auf der Keba-Steuerung ausgeführt und die Ausgangsdaten werden geschrieben.

5. Ausgangsdaten-Update Steuerung
Es erfolgt frühestmöglich der umgekehrte Weg der Ausgangsdaten hin zu den Ausgängen. Die Ausgangsdaten werden gelesen und in einen Ethercat-Frame geschrieben.

6. Ausgangsdaten-Übertragung
Was nun folgt, ist die Übertragung eines Ethercat-Frames für das Schreiben der Ausgangsdaten. Dieser Frame wird zum frühestmöglichen Zeitpunkt übertragen. Zu diesem Zeitpunkt muss das Ausgangsdaten-Update abgeschlossen sein, wobei vor diesem Zeitpunkt eine Reserve für den Jitter der Software berücksichtigt wird.

7. Ausgangsdaten-Update Gerät
Der Startzeitpunkt des Ausgangsdaten-Updates wird durch Hardware mit minimalem Jitter getriggert. Das Ausgangsdaten-Update erfolgt zum frühestmöglichen Zeitpunkt – also zu dem Zeitpunkt, der garantiert, dass die neuen Ausgangsdaten bereits zur Verfügung stehen.

Durch ein optimiertes Timing in Kombination mit einem höher priorisierten Task können mit der geschilderten Lösung die Totzeiten auch in einem „langsam“ laufenden, synchronisierten Gesamtsystems weitestgehend eliminiert werden. Daraus resultiert ein deutlicher Performancegewinn – und das bei optimierten Kosten und minimaler Reaktionszeit.

Feldmessungen bestätigen die Theorie

Direkt an Maschinen durchgeführte Tests bestätigten zudem den theoretischen Ansatz in der Praxis. Beispielsweise wird damit bereits eine servo­hydraulische, lineare Achsbewegung geregelt. Die besondere Herausfor­derung dabei war das Konstanthalten der linearen Geschwindigkeit von exakt 10 m/s. Normalerweise ist das Servoventil bei derartigen Anwendungen über die Elektronik des Ventilherstellers geregelt; im beschriebenen Fall erfolgte die Positionsregelung der Hauptstufe jedoch durch die Keba-Steuerung.

Bild 3. Die Sprungantwort von Ventil 1 (links) und Ventil 2 (rechts). Die „Referenz“ ist die Soll-Position des Hauptstufenzylinders des Servoventils. „Istpostion“ steht für die Ist-Position des Hauptstufenzylinders des Servoventils.

© Keba

Gemessen wurde immer die Sprung­antwort, wobei ein 20/80/20-Prozent-Sprung verwendet wurde. Für Aufschlüsse über das Verhalten bei Kleinsignalen wurden auch 5-Prozent-Sprünge gemessen. Auf ein und derselben Maschine erfolgten die Testreihen einmal mit und einmal ohne die schnelle Regelung. Für ideale Vergleichs­bedingungen verwendete man stets die gleiche Gesamtkonfiguration bei Zykluszeit und dezentralen I/O-Baugruppen. Für beide Darstellungen kam die gleiche hydraulische Achse samt Hauptstufe des Servoventils zum Einsatz. Es wurde lediglich das Ventil getauscht, um die Robustheit der Regelung bei unterschiedlichen Ventilen zu zeigen. Die gemessenen Vorteile der Keba-Lösung sind in Bild 3 deutlich ersichtlich:

■ robustere Reglereinstellungen;
■ kürzeres Anregelverhalten: um den Faktor 1,87 (Ventil 1) bis 2,64 (Ventil 2);
■ geringeres Überschwingen: je nach verwendeten Ventilen konnte das Überschwingen von aktuell 21 % (Ventil 1) beziehungsweise 34 % (Ventil 2) auf 3,5 % beziehungsweise 3,2 % reduziert werden.

Das in den Diagrammen ersichtliche Verhalten wurde ohne Änderung der Reglerapplikation erreicht – lediglich die störenden Totzeiten im Gesamtsystem wurden entfernt. Aufgrund des positiven Systemverhaltens sind weitere Optimierungen an der Struktur des Regelkreises hinsichtlich Überschwingen und Regelgeschwindigkeit möglich, wodurch die Systemperformance noch weiter gesteigert werden kann. Ein verbessertes Führungsverhalten und die höhere Kreisverstärkung sorgen nicht zuletzt für eine weiter verbesserte Störgrößen-Unterdrückung.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Bis dato ging der Trend in der Steuerungstechnik meist in die Richtung einer Steigerung der CPU-Leistung. Das ermöglichte zwar die kontinuierliche Reduktion der Zykluszeit, trieb jedoch den Anschaffungspreis von Steuerungen in die Höhe. Eine optimale Nutzung von Ressourcen bei der schnellen Regelung macht das System hingegen weitgehend unabhängig von der Zykluszeit und reduziert die Reaktionszeit auf ein Minimum. Unabhängig von der systembedingten Zykluszeit lässt sich die Performance auf diese Weise etwa um den Faktor 3 steigern. Das führt zu einer höheren Produktivität der Maschinen – und das bei ebenfalls erhöhter Qualität der damit produzierten Teile.

Autor: Christian Gabriel ist Produktmanager für Steuerungssysteme bei Keba, Linz.