Das Optimum rausholen

Steuerungstechnik

Bewegungssteuerung – Die Optimierung von Maschinenabläufen mit mehreren Antrieben ist eine komplexe Aufgabe. Eine neue Funktion in den Jetter-Steuerungen ermöglicht es, die Verfahrprofile anhand der Rahmenbedingungen zu berechnen und zu optimieren.

13. November 2012

Eine bewährte Methode zur Leistungssteigerung bei Maschinen und Anlagen ist eine Optimierung der Abläufe und Prozesse. Schwierig wird eine solche Optimierung, wenn auf der gleichen Anlage verschiedene Produkte gefertigt werden sollen und dazu mehrere Antriebe im Verbund anhand diverser Rahmenbedingungen optimiert werden müssen. Eine Beispielanwendung aus der Glasindustrie liefert die Drei-Achs-Mechanik des servogetriebenen Kühlofenbeschickers Tri-Flex des englischen Heißglas-Handlingspezialisten Sheppee International mit Sitz in York. Dieser sogenannte Lehr-Loader hat die Aufgabe, heiße Glasbehälter blockweise von einem Transportband auf ein rechtwinklig dazu verlaufendes Förderband zu schieben, das in einen Kühlofen mündet. Das Gerät besitzt dazu drei Servomotoren, die unabhängig voneinander arbeiten. Dabei verfährt die erste Achse den sogenannten Pushbar (Abschieber) in Richtung des Querförderbands, der zweite Antrieb bewegt den Abschieber parallel zum Transportband, während der dritte Antrieb den Pushbar vertikal wieder zurück über die nachfolgenden Behälter hebt.

Die Steuerung der drei Achsen ist dabei alles andere als trivial. So muss der Abschieber schon während des Aufsynchronisierens auf das Förderband zwischen die Behälter eintauchen, weil das Transportband die Behälter ununterbrochen anliefert. Dabei verhindern minimale Beschleunigungen und Verzögerungen ein Umfallen der Glasbehälter im Eingriff. Zudem darf der Pushbar nach der Übergabe an das Kühlofen-Förderband beim Rückweg nicht an nachfolgende Glasbehälter anstoßen. Das Bewegungsprofil muss deshalb die Geometrie des Pushbars und der jeweiligen Behälter explizit berücksichtigen.

Der Lehr-Loader fördert bis zu 800 Glasbehälter pro Minute und erreicht beim blockweisen Abschieben bis zu 26 Zyklen pro Minute. Eine solche hohe Geschwindigkeit lässt sich ohne Produktivitätsverluste oder Schäden an den Behältern nur mit geeigneten Optimierungsstrategien erreichen. Angesichts der großen Zahl der möglichen Bewegungsprofile beim Abschiebe- und Rückfahrprozess gerät jedoch die bewährte Methode der iterativen Einstellung mit nachfolgender empirischer Ermittlung des Ergebnisses schnell an ihre Grenzen. Mit klassischen Berechnungsmethoden ist das Problem deshalb nicht lösbar.

Integrierte Optimierung

Die Engländer suchten deshalb einen schnellen Algorithmus zur Erstellung von optimalen Verfahrprofilen für beliebige Behältertypen. Eine Lösung bot der Einsatz des Steuerungssystems JetControl-360MC aus dem JetWeb-System des Ludwigsburger Automatisierungsspezialisten Jetter mit integriertem Motion-Control-Kernel. JetWeb verbindet die Bereiche Steuern, Antreiben, Bedienen und Vernetzen zu einer optimal aufeinander abgestimmten Lösung, die in der objektorientierten Programmiersprache JetSym STX programmiert wird. Die Steuerung erzeugt im Zwei-Millisekunden-Takt koordinierte Positionssollwerte, die zyklisch über Standard-Ethernet und das Jetter-Echtzeitprotokoll JetSync an die drei Servoantriebe übertragen werden.

Die Berechnung der optimierten Bewegungsprofile für die drei Achsen geschieht dabei über die integrierte Option »Optimization« durch ein abstraktes Modellieren des Automatisierungsprozesses gemäß den spezifischen Randbedingungen. Nach dieser kundenspezifischen Optimierung lässt sich der Automatisierungsprozess wie gewohnt programmieren, visualisieren und realisieren. Die JetWeb-Option »Optimization« ermöglicht die automatische Berechnung einer weichen Abschiebebewegung »um die Ecke« in x-y-Richtung. Das Bewegungsprofil umfasst das Aufsynchronisieren des Abschiebers auf das Förderband, das gleichzeitige Starten der Abschiebebewegung auf das Querförderband, das Absynchronisieren vom Förderband und die simultane Zurückfahrt.

Ein weiterer Anspruch war auch die automatische Berechnung einer weichen dynamischen Bewegung in allen drei Raumkoordinaten. Schließlich sollen sich die Glasbehälter sowie die Mechanik während des gesamten Zyklus mit möglichst minimalen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten bewegen lassen.

Mit JetWeb bietet Jetter eine optimal abgestimmte Systemlösung, deren Durchgängigkeit das Zusammenspiel von Hard- und Softwarekomponenten vereinfacht. In der Applikation des Lehr-Loaders kommen drei Softwarekomponenten zum Einsatz: Die integrierte Bahnsteuerung JetWeb MC koordiniert eine virtuelle Leitachse und drei Kurvenscheibenfolgeachsen. Die virtuelle Leitachse läuft dabei synchron zu einem externen Anlagentakt, der die komplette Behälterglas-Produktionsanlage steuert. Die drei Kurvenscheibenfolgeachsen realisieren die Bewegung des Abschiebers in x-, y- und z-Richtung.

Um eine gesteuerte, weiche lineare Bewegung der z-Achse zu gewährleisten, erforderte die Mechanik der Hubachse zusätzlich die Implementierung einer Einzelachstransformation in Form einer Pascalschen Schnecke. Die JetWeb-Option »Optimization« minimiert so die Beschleunigungen und Verzögerungen der Glasbehälter. Der eingesetzte Algorithmus wertet dazu jeweils die Polynom-Segment-Maxima der geschwindigkeits- sowie optional der beschleunigungs- und ruckstetigen Profil-Spline-Kurvenscheiben aus. Ebenso wird die Radialbeschleunigung der Glasbehälter beim Abschiebeprozess berücksichtigt. Auf diese Weise werden alle Kurvenscheibenparameter in x-, y- und z-Richtung optimiert, um einen möglichst weichen Abschiebevorgang und eine weiche Rückfahrbewegung umzusetzen. Die dritte Komponente ist eine PC-Visualisierung zur Maschinenbedienung und zur Erstellung optimierter Verfahrprofile, die mit Microsoft Visual Basic.NET programmiert wird und mit der JetWeb-Optimization-Engine kommuniziert. Im Normallfall findet die Software innerhalb weniger Minuten zehn »weiche« Lösungen. Beim Lehr-Loader konnte der Behälterdurchsatz so bei unveränderter oder sogar geringerer Maschinenbelastung teilweise um über dreißig Prozent gesteigert werden.

Auf einen Blick

-Das Automatisierungssystem JetWeb der Jetter AG aus Ludwigsburg umfasst Steuerungen mit integrierter Bahnsteuerung, Antriebe, Peripherie- und Bediengeräte sowie Software zur Realisierung von Automatisierungsprojekten auf Basis von Ethernet-TCP/IP.

-Die leistungsfähige Programmiersprache JetSymSTX ermöglicht die Programmierung komplexer Bewegungsprofile.

Erschienen in Ausgabe: 08/2012