Kunstvoller Antrieb

Steuerungstechnik

Antriebssteuerung – Eine bewegliche Kunstinstallation am Flughafen Singapur fasziniert Besucher und Reisende. Modernste Steuerungstechnik synchronisiert dabei das präzise Verfahren von mehr als 1.200 unabhängigen Servoachsen.

27. März 2013

Nicht nur industrielle Fertigungsprozesse verlangen eine exakte Steuerung von komplexen Bewegungsabläufen: Eine höchst anspruchsvolle Aufgabe ist auch die koordinierte Steuerung der beweglichen Skulptur »Kinetic Rain«, die in der Abfertigungshalle am Terminal 1 des internationalen Flughafens Changi Airport in Singapur realisiert wurde. Dort formieren sich 1.216 hochglänzende, verkupferte Aluminiumtropfen, die an dünnen Stahlseilen von der Decke hängen, während einer 15 Minuten dauernden Show zu verschiedenen Bildern zum Thema Fliegen. Jeder einzelne Tropfen wird dabei von einem eigenen kleinen Servomotor bewegt. Insgesamt überspannt die Installation, die aus zwei zusammenhängenden Feldern von je 608 Tropfen besteht, eine Fläche von mehr als 75 Quadratmetern und bespielt eine Raumhöhe von mehr als 7,30 Metern. Das künstlerische Konzept und die Gestaltung der Choreografie dieser ungewöhnlichen Rauminstallation stammen von der Berliner Agentur Art+Com. Die technische Umsetzung des Gesamtprojektes und die Programmierung übernahm die MKT AG aus Olching bei München, die auf kinetische Kunstinstallationen spezialisiert ist und seit über 30 Jahren Exponate und kinetische Installationen für Messen, Events, Museen und Showrooms realisiert.

Die Herausforderung, bei der Installation in Singapur 1.216 Servoachsen präzise und synchron zu verfahren, löste das Unternehmen mit Unterstützung des ostwestfälischen Automatisierungsspezialisten Beckhoff und dessen Steuerungs- und Antriebssystem auf Basis von EtherCAT, TwinCAT und kompakten Servodrives in Form einer Busklemme. Gefordert waren dabei neben dem präzisen Verfahren von 1.216 Achsen auch eine hohe Verfügbarkeit, eine kompakte Bauform sowie die Möglichkeit zum Austausch von Komponenten ohne Adressierung, schließlich muss die Show rund um die Uhr laufen und selbst dann weitergehen, wenn einmal eine einzelne Achse ausfallen sollte. Darüber hinaus waren hohe Anforderungen an die Dynamik, Präzision und Geschwindigkeit der Bewegungsabläufe zu erfüllen. Die Tropfen bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 1,5 m/s und beschleunigen mit bis zu 1,4 m/s2. Die Bewegung muss dabei aber zugleich fließend und absolut ruckfrei erfolgen. Für Raphik Shahmirian von der Beckhoff-Niederlassung München, der die Umsetzung von »Kinetic Rain« in enger Zusammenarbeit mit MKT betreut hat, steht deshalb fest: »Das synchrone Verfahren von 1.216 Achsen gehört zu den absoluten Highlights dieses Projektes.«

Die Steuerung übernimmt ein zentraler Industrie-PC des Typs C6525 von Beckhoff, der die Positionsdaten über die TwinCAT-Kurvenscheiben-Funktion an sechs Slave-PCs verteilt, denen jeweils 192 oder 208 Achsen zugeordnet sind. Die Positionsdaten erhält der zentrale IPC per TwinCAT ADS von einem speziellen GUI-Rechner von MKT. Dieser dient zur Visualisierung und enthält zudem die gesamte Chorographie der Show in Form einer Tabelle, in der für jeden Tropfen die Positionsdaten in Zeitabständen von 200 Millisekunden hinterlegt sind. Eine für das menschliche Auge fließende, ruckfreie Bewegung entsteht erst durch die Interpolation in TwinCAT NC PTP auf jedem Slave-PC für die ihm zugeordneten lokalen Achsen, während der IPC zugleich als Referenz für die Synchronität aller Achsen dient. Dazu berechnen die Slave-PCs unter Verwendung eines Spline-Algorithmus alle zwei Millisekunden für jeden Tropfen die Positionen der ihnen zugeordneten Achsen und kommunizieren sie über EtherCAT in Echtzeit an die Servoantriebe. Diese Lösung gewährleistet eine Verfahrgenauigkeit der einzelnen Achsen von 1 Millimeter bei einer Gesamtlänge von 7,6 Meter. Der maximale Versatz zwischen zwei Tropfen beträgt 0,25 Millimeter.

Bewegt wird jeder einzelne Tropfen von einem Servomotor des Typs AM3121, der über eine 12-Millimeter-EtherCAT-Servomotorklemme EL7201 angesteuert wird. »Mit den Servoklemmen haben wir eine äußerst kompakte Lösung gefunden, die dem begrenzten Einbauraum in der Decke des Gebäudes perfekt entspricht«, betont MKT-Vorstand Peter Haschkamp. Die Servoantriebstechnik bietet außerdem Dynamikvorteile und erlaubt fließende Übergänge.

Schnelle Inbetriebnahme

Als weitere wichtige Punkte nennt Haschkamp auch die Modularität der Steuerungslösung und die Tatsache, dass eine einzelne Achse ohne Adressierung getauscht werden kann: »Das ermöglichte zum Beispiel eine Teilinbetriebnahme, wir konnten also parallel an Software, Hardware und Mechanik arbeiten und so den engen Zeitrahmen einhalten.«

Ein großer Vorteil von TwinCAT NC PTP ist für den MKT-Vorstand außerdem, dass die Choreographie damit wie bei einem Film vor- und zurückgespult werden kann. So konnten die Ingenieure aus Bayern bei der Inbetriebnahme einzelne Passagen beliebig oft wiederholen, falls der Ablauf noch nicht zu 100 Prozent zufriedenstellend war. Mit anderen Systemen sei dies nicht möglich, erklärt Haschkamp und betont: »Statt dessen ist man gezwungen, die Show immer wieder von Beginn an bis an die gewünschte Position laufen lassen, was sehr zeitintensiv ist.«

Im Unterschied zu vergleichbaren kinetischen Skulpturen, die MKT in der Vergangenheit über dezentrale Hardwaresteuerungen realisiert hat, wird »Kinetic Rain« über einen zentralen PC und Software gesteuert und durch EtherCAT übertragen. Weil die Kurvenscheiben-Funktion dabei nicht wie bei früheren Steuerungslösungen von MKT lokal im Antriebsverstärker untergebracht ist, sondern von der Software ausgeführt wird, können die Positionsdaten zentral verwaltet und in Echtzeit an die Achsen verteilt werden.

Auf einen Blick

- Die Beckhoff Automation GmbH in Verl realisiert offene Automatisierungssysteme auf der Grundlage PC-basierter Steuerungstechnik. Das Produktspektrum umfasst unter anderem Industrie-PC, I/O- und Feldbuskomponenten, Antriebstechnik und Automatisierungssoftware.

- Aufgrund ihrer offenen Schnittstellen ist die Steuerungstechnik für den Maschinenbau und die Gebäudeautomation auch optimal für die Bühnen- und Showtechnik einsetzbar.

Zitat

»Die Servoklemmen entsprechen dem begrenzten Einbauraum perfekt.«

Peter Haschkamp, MKT AG

Erschienen in Ausgabe: 02/2013