Der Weg zum optimalen Mess- und Regelsystem

Der Weg zum optimalen Mess- und Regelsystem
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Eine Prüfmaschine für den Betonkonstruktionsteile im Brückenbau.
20.11.2014 | Wenn erstmals im grösseren Stil in Geräten, Maschinen oder Anlagen Elektronik und Software integriert werden sollen, fehlt den Unternehmen häufig das notwendige Know-how für die Elektronik-Entwicklung und Fertigung. Wie kommt ein Unternehmen ohne eigene Elektronik-Entwicklung zu einem anspruchsvollen, massgeschneiderten und kostenoptimierten digitalen Mess- und Regelsystem? Das beschriebene Beispiel zeigt einen typischen Entwicklungsprozess mit einem externen Spezialisten auf dem Gebiet.

Konzept für einen äusserst anspruchsvollen Mehrkanalregler
Die Anforderungen für dieses Beispiel sind hoch: Mehrere hydraulische oder elektromechanische Antriebe sollen parallel und synchron geregelt werden. Pro Antrieb müssen mehr als ein Dutzend verschiedene hochauflösende Sensorsignale auf einer Rate von je 8 Hz erfasst und aufbereitet werden. Kräfte von null bis 20 MN[1] und Temperaturen von weit über 1000 Grad Celsius können auftreten, daher sind ausgefeilte Sicherheitsmechanismen Pflicht. Dynamische Prüfsequenzen muss das Mess- und Regelsystem selbstständig und in Abhängigkeit der Messwerte durchführen und kontrolliert beenden können. Externe Geräte und sekundäre Regelkreise müssen bedient werden. Grosse Datenmengen werden gesammelt und über Netzwerk zur weiteren Verarbeitung und Analyse verschickt.


[1] 20 MN entspricht der Gewichtskraft von 2000 aufeinander gestapelten PWs, von 11 Boeing 747 oder von 7 Airbussen A380. Derartige Kräfte werden benötigt, wenn man beispielsweise die Reissfestigkeit von Brückentragseilen überprüfen will.

 


Die Planung des Systems - ohne Pflichtenheft
Schon vor Projektbeginn war klar, dass sich die gestellten Anforderungen nicht oder nicht zweckmässig mit einer SPS-basierenden Lösung erfüllen liessen. Allerdings hatte Walter & Bai nebst groben Minimalanforderungen kein Pflichtenheft ausgearbeitet. Der Firma fehlte die Erfahrung im Bereich Elektronik, um allfällige Lösungsstrategien zu bewerten und die kostenmässigen Implikationen einzelner Anforderungen abzuschätzen.


Erschwerend kommt dazu, dass das Produktespektrum von Walter und Bai sehr vielfältig ist und dass der neue Regler Interfaces zu einer Vielzahl von verschiedenen Sensoren und Aktoren bieten sollte.


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Ein glühender Prüfling während eines Zugversuchs in einer Prüfmaschine mit Induktionsofen.

Aufgabe und Lösungsweg
Ziel war ein Gerät, das nebst den geforderten Basisfunktionen in einem vernünftig mortisierbaren Kostenrahmen ein Optimum an Funktionalität und Flexibilität bietet.


Stettbacher Signal Processing, der Entwicklungspartner im Projekt, entwarf darauf hin ein Anwenderkonzept, das pro Regelkanal ein kompaktes Gerät vorsieht. Demnach besitzt jedes Gerät nebst einer Grundausrüstung Steckplätze, welche bis zu 12 Erweiterungsmodule für verschiedene Sensoren und Aktoren aufnehmen. Um die externe Komplexität und Kosten zu reduzieren, werden Messverstärker für jeden Sensortyp direkt auf dem betreffenden Erweiterungsmodul integriert. Es werden alle gängigen analogen und digitalen Formate, wie DMS, LVDT, RS-422, SSI, etc. abgedeckt. Alle Eingänge werden mit 24 Bit auf einer Rate von 8 kHz quantisiert, unabhängig von der Anzahl der verwendeten Messkanäle.


Die Grundanforderung der Mehrkanaligkeit bedeutet, dass verschiedene Regelkreise mit entsprechenden Antrieben, zum Beispiel Hydraulikpressen, während einer beliebig langen Zeit exakt synchron definierte Lastprofile abfahren können. Diese Forderung ist zentral, wenn man beispielsweise das Verformungsverhalten von Brückenträgern mit mehreren gleichzeitigen Angriffspunkten überprüfen will. Stettbacher Signal Processing entwickelte zu diesem Zweck eine spezielle Schnittstelle, über welche sich mehrere Einzelgeräte zu einer Einheit verbinden lassen. Besteht die Verbindung, so kooperieren die Geräte und geben sich nach aussen nicht mehr als individuelle Komponenten zu erkennen, sondern als ein exakt synchrones Mehrkanalsystem. Nebst der zentralen Verwaltung von derartigen mehrkreisigen Systemen erlaubt die Verbindung beispielsweise den Austausch von gemessenen Datenströmen. Das heisst, dass ein Sensorsignal nicht nur auf dem Gerät zur Verfügung steht, an dem der Sensor angeschlossen ist, sondern jedem Regelkreis im Mehrkanalsystem ist das betreffende Signal zugänglich. Die so entworfene und anschliessend von Stettbacher Signal Processing unter der Bezeichnung PCS8000 realisierte Systemarchitektur bietet eine enorme Flexibilität. Die Modularität optimiert die Systemkosten und reduziert externe Aufwendungen.

 


Modularisierte Software
Die Software des PCS8000 wurde streng modularisiert. An dieser Stelle sollen nur drei spezielle Komponenten Erwähnung finden: Das Sicherheitsmodul, die Sollwertgeneratoren und ein Sequenzer.

  • Zusätzlich zur hardwaremässigen Maschinensicherheit wurde ein Sicherheitsmodul realisiert, das die Maschine und die Sensorkanäle ständig überwacht. Wenn eine Gefahrensituationen auftritt interveniert das Sicherheitsmodul und führt die Maschine in einen sicheren Zustand zurück.
     
  • Für jeden Regelkreis existieren Sollwertgeneratoren, welche im Regler als Vorgabe für eine Kraft, einen Weg, eine Beschleunigung, etc. verwendet werden. Die Generatoren können linearen Rampen erzeugen aber auch periodische Funktionen, wie Rechtecke, Trapeze, Dreiecke, sinusförmige Kurven, etc. Da pro Regelkreis mehrere Generatoren bestehen, sind auch beliebige Kombinationen möglich, zum Beispiel eine Rampe mit sinusförmigen Schwingungen, ein Trapez mit kleinen aufgesetzten Dreiecken, etc. Ausserdem können die Generatoren beliebige abgespeicherte Kurvenformen abspielen.
     
  • Es wurde ausserdem ein Sequenzer entwickelt, der auf ein- oder mehrkanaligen Maschinen ganze Prüfsequenzen selbstständig durchführen kann. Der Sequenzer ist durch den Anwender frei programmierbar. Es stehen Sprachelemente zur Verfügung, welche die bedingte Ausführung von Prozessen, die wiederholte Ausführung, usw. zulassen. Der Sequenzer hat dabei Zugriff auf jedes Messsignal des Systems auf Minimal- und Maximalwerte, er kann für jeden Messkanal beliebige Grenzwerte setzen und auf deren überschreitung prüfen, usw. Zudem kann der Benutzer sog. virtuelle Messkanäle definieren. Das sind Datenkanäle, die nicht wirklich gemessen, sondern aus echten Messkanälen berechnet werden. Mit Hilfe von virtuellen Messkanälen lassen sich wichtige materialwissenschaftlich Grössen ermitteln, die nicht direkt messbar sind. Sie lassen sich mit Hilfe des PCS8000 sogar regeln, da sie im System wie echte Messkanäle verwendet werden können.


Von der Elektronik-Entwicklung zum fertig geprüften Gerät
Stettbacher Signal Processing entwickelte ein solides Konzept für einen äusserst anspruchsvollen Mehrkanalregler. Sowohl in der Planung als auch bei der Spezifkation wurde der Kunde durch die Entwicklerfirma unterstützt. Stettbacher Signal Processing übernahm ausserdem die komplette Realisierung von Hard- und Software, inkl. Messmodulen und einer Fernsteuerung mit grafischer Benutzeroberfläche. Schliesslich produzierte Stettbacher Signal Processing die Regler im Auftrag des Kunden und liefert ihm die fertigen und geprüfen Geräte.

Die Auftraggeber-Unternehmung im Beispiel

Die Firma Walter & Bai aus Löhningen bei Schaffhausen ist seit 40 Jahren spezialisiert in der Entwicklung und Herstellung von Materialprüfmaschinen und Prüfsystemen für eine Vielzahl von statischen und dynamischen Anwendungen. Die Maschinen werden weltweit eingesetzt für die Qualitätskontrolle von Werkstoffen und Komponenten. Beispielsweise lässt sich damit die Zugfestigkeit von armdicken Armierungseisen bis hin zur Verformungs- und Reissgrenze ermitteln, oder die Belastbarkeit von künstlichen Gelenken, oder die maximale Tragfähigkeit und Bruchgrenze von grossen Betonkonstruktionen. Sie stellen dabei höchste Anforderungen auch an ihre externen Partner wie im Beispiel der Entwicklung.


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