Schwerpunkte

Selbstlernendes System mit einer Soft-PLC

Automatische Antriebsoptimierung

12. Mai 2006, 14:07 Uhr   |  Philipp Dördelmann und Markus Lauzi


Fortsetzung des Artikels von Teil 2 .

Implementierung des Optimierungs-Algorithmus

Das Optimierungswerkzeug besteht aus den Komponenten Bedienoberfläche, der eigentlichen Regler-Optimierung und einer Schnittstellenfunktion in der Steuerung. Diese Funktion leitet die Verfahrbefehle über einen Soft-Bus (ADS) an das bestehende Steuerungsprogramm der Anlage und stellt im Gegenzug die aufgenommenen Messwerte des letzten Verfahrbefehls in einem Variablenfeld zum Auslesen zur Verfügung. Die Zugriffsrechte auf die Variablen werden in Form des wechselseitigen Ausschlusses durch zwei Signalvariablen gewährleistet. Die Bedienung der Software zur Optimierung der Regler-Parameter ist als Untermenü in das Gesamtbedienkonzept der Anlage eingebunden. Hier werden neben der Länge der Verfahrstrecke auch die maximale Verfahrgeschwindigkeit vmax, die maximale Beschleunigung ±amax sowie die minimalen und maximalen Werte für die einzelnen Regler-Parameter mit ihrer jeweiligen Schrittweite eingegeben. Über Ausgabefelder werden der aktuelle Parametersatz sowie die Auswertungsergebnisse und die Positionierzeit des letzten Parametersatzes und die bis dahin besten Parameterwerte angezeigt (s. Tabelle).

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Zuordnung der Funktionen zu den Einzelelementen der Sercos-Regleroptimierung

Werden für den Verfahrweg maximale und minimale Werte eingegeben, lässt sich für den Antrieb sogar vollautomatisch ein Weg-Zeit-Diagramm der Positionierung ermitteln, das eine detaillierte Aussage zum dynamischen Leistungsvermögen der jeweiligen Antriebsachse bietet. Typischerweise liegen die Positionierzeiten bei kleinen Verfahrwegen in der gleichen Größenordnung – hier machen sich die Totzeiten des Regelungsprozesses bemerkbar. Erst bei mittleren und langen Verfahrwegen steigt die Positionierzeit in etwa linear an – Grund ist hier das abnehmende Leistungsvermögen der Mechanik durch das Erreichen maximaler Werte für Beschleunigung und Geschwindigkeit.

Programmablauf

Nach Initialisierung und Start über die Bedienoberfläche läuft die Optimierung des Reglers automatisch ab (Bild 3):

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Bild 3. Programmablaufplan.

Im ersten Schritt wird die Kommunikation (Soft-Bus-ADS) aufgebaut. Das in „C++“ erstellte Optimierungsprogramm öffnet seinen Port per Funktionsaufruf. Bei der PLC-Steuerung wird in IEC 61131-ST der Port automatisch geöffnet. Zu diesem Zeitpunkt hat das Regler-Optimierungsprogramm das Zugriffsrecht auf alle Regler-Parameter und das Schnittstellenprogramm auf ein Datenfeld zur Aufnahme der jeweiligen Messreihe. Damit ist die Regler-Optimierung in der Lage, die in der Bedienoberfläche eingegebenen und in PLC-Variablen abgespeicherten Parametervorgaben auszulesen.

Mit diesen Informationen über den zu optimierenden Parameterraum wird ein Schleifenablauf generiert. Zuerst wird der Drehzahlregler optimiert, wobei mittels zweier verschachtelter Schleifen der vorgegebene Wertebereich für die Nachstellzeit Tnn und die Verstärkung Kpn durchlaufen wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die Verstärkung des Positionsreglers auf einen unkritischen, aber nicht optimalen Wert gesetzt. Nach abgeschlossener Optimierung der Drehzahlregelung wird in einer weiteren Schleife der Positionsregler eingestellt. Die Ergebnisse dieses Schrittes können wahlweise mittels einer weiteren Schleife in Kaskadierung für verschiedene Verfahrwege oder -winkel getestet werden.

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Bild 4. Abbruchkriterium: Wird an Hand des Geschwindigkeit-Istwertes eine Dauerschwingung festgestellt, dann wird die Optimierungsschleife abgebrochen. Der letzte Wert wird beibehalten, die Verstärkung nicht mehr weiter erhöht und der Schleifenablauf

Innerhalb jeder Schleife wird zunächst aus den aktuellen Werten ein kompletter Parametersatz gebildet und über den Soft-Bus (ADS) in die entsprechenden Variablen des PLC-Schnittstellenprogramms geschrieben. Nach Übergabe des Zugriffsrechtes an die PLC sendet diese über Sercos Interface die Antriebsparameter an die unterlagerte Antriebselektronik und gibt einen Fahrbefehl aus. Über ADS erhält die PLC-Steuerung im Gegenzug die aufgenommenen Messdaten, schreibt sie in das Übergabefeld und übergibt an-schließend das Zugriffsrecht auf diese Variablen an die Regler-Optimierung. Diese liest daraufhin die Messreihe zur Auswertung mittels der oben genannten Gütekriterien aus. Der daraus ermittelte Gütewert wird mit dem bisher besten (kleinsten) Wert verglichen. Unterschreitet der neue Wert die bisherigen, wird er zusammen mit allen Parameterangaben als neuer Vergleichswert abgespeichert. Gleichzeitig wird eine mögliche Dauerschwingung an Hand des Geschwindigkeit-Istwertes überwacht. Eine detektierte Dauerschwingung wird als Abbruchkriterium für die jeweilige Schleife bewertet (Bild 4). Der letzte Wert wird beibehalten, die Verstärkung nicht mehr weiter erhöht und der Schleifenablauf mit einer neuen Nachstellzeit bzw. Regler-Verstärkung weitergeführt. Wird dagegen der vorgegebene Toleranzwert für das maximale Überschwingen überschritten, gilt dies als Ausschlusskriterium (Bild 5). Damit wird zwar der aktuelle Parametersatz verworfen, aber der Schleifenablauf fortgesetzt.

Alle ermittelten Gütekriterien werden zusammen mit den entsprechenden Regler-Parametern in einem großen Datenfeld zwischengespeichert. Am Ende eines Schleifendurchlaufs werden die aktuellen Parameter entsprechend ihrer Schrittweite erhöht oder, wie im Fall der Nachstellzeit, verringert und als neuer Parametersatz für den nächsten Durchlauf verwendet. In jedem Schleifendurchlauf werden zusätzlich die aktuellen Ergebnisse an die PLC und von dort an die Bedienoberfläche ausgegeben. Ist der gesamte Parameterraum durchlaufen, werden die besten Parameter als Optimum abgespeichert und ausgegeben. Dieser optimale Parametersatz wird genau wie die Auswertungsdaten sämtlicher Messreihen und Parameter in einem Textdateiformat zur weiteren grafischen Auswertung abgespeichert.

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Bild 5. Ausschlusskriterium: Wird der vorgegebene Toleranzwert für das maximale Überschwingen überschritten, gilt dies für den ermittelten Parametersatz in jedem Fall als Ausschlusskriterium. Hier wird der aktuelle Parametersatz verworfen, der Schlei

Testabläufe und Ergebnisse

Das Optimierungsverhalten der Testabläufe wurde mit zuvor manuell ermittelten Parameterwerten verglichen. Diese Versuchsreihen haben auch die Schwächen des zu Beginn für den Drehzahlregler eingesetzten ITAE als Kriterium gezeigt. Der so optimierte Antrieb hat zwar eine sehr geringe Schwingneigung, aber durch die zeitliche Gewichtung eine sehr lange Anregelzeit. Die Ergebnisse waren in der Regel geringe Verstärkungen und hohe Nachstellzeiten in der Drehzahlregelung. Letzteres führt zu großen bleibenden Regelabweichungen. Brauchbare Ergebnisse lieferte hier der Standard-Ansatz der quadratischen Regelfläche (Formel 5): kleine Nachstellzeiten und hohe Verstärkungen. Bei einer mit diesem Kriterium optimierten Drehzahlregelung neigt der Lageregler allerdings schon bei geringen Einstellwerten zu starken Dauerschwingungen. Als guter Mittelweg hat sich eine normierte Verknüpfung der beiden Kriterien im Verhältnis 50:50, multipliziert mit der Positionierzeit, erwiesen. Die so erzielten Ergebnisse mit niedrigen Nachstellzeiten, mittleren bis geringen Verstärkungen in der Drehzahlregelung und hohen Verstärkungen in der Lageregelung deckten sich weitestgehend mit den bereits manuell ermittelten optimalen Parametern.

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Bild 6. Verlauf der Güte über Verstärkung Kpn und Nachstellzeit Tnn. Der optimale Parametersatz liegt im gelben Bereich.

[1]Dördelmann, P.: Evaluation eines mehrachsigen Antriebssystems. Diplomarbeit bei Braun GmbH (BA Mosbach). September 2002.
[2]Kron, M.: Aufbau und Evaluation einer integrierten Antriebssteuerung für Fertigungsanlagen. Diplomarbeit bei Braun GmbH (FH Wiesbaden), August 2002.
[3]Reuter, M.: Regelungstechnik für Ingenieure. 9. Auflage, Vieweg-Verlag, Wiesbaden 1994.
[4]Lauzi, M.: Modellbasierte adaptive Regelverfahren in der Antriebstechnik. Teil 1: Ein praxisorientierter Einstieg

Dipl.-Ing. Philipp Dördelmann ist gebürtiger Bottroper, wuchs jedoch in Erftstadt bei Köln auf. Nach seinem Wehrdienst an der Technischen Schule des Heeres, Aachen, studierte er Mechatronik an der Berufsakademie in Mosbach (Baden). Seit seiner Diplomarbeit mit dem Thema „Evaluation eines mehrachsigen Antriebssystems“ im Jahre 2002 ist er im Bereich „Electronic Technologies“ bei der Braun GmbH in Kronberg/Ts. tätig und untersucht dort u.a. den Einsatz von digitalen Direktantrieben in Hochgeschwindigkeits-Produktionsanlagen.
E-Mail: Philipp_Doerdelmann@gillette.com
Dr.-Ing. Markus Lauzi hat an der Universität Kaiserslautern Elektrotechnik studiert und dort 1995 im Fachbereich Maschinenbau auf dem Gebiet der Anwendung wissensbasierter Systeme promoviert. Nach mehrjährigen Aufgaben als Projekt- und Gruppenleiter bei der KSB AG in Frankenthal und der Siemens Dematic AG in München ist er nun innerhalb des Sondermaschinenbaus der Braun GmbH in Kronberg/Ts. als Leiter „Electronic Technologies“ verantwortlich für die Entwicklung neuer technologischer Konzepte für Hochleistungs-Montageautomaten.
E-Mail: MarkusLauzi@gillette.com

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Bild 7. Weg-Zeit-Diagramm der Positionierung als Maß für das dynamische Antriebsvermögen bei einer Positioniergenauigkeit von 50 µm.

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1. Automatische Antriebsoptimierung
2. Analysealgorithmen und Gütekriterien
3. Implementierung des Optimierungs-Algorithmus

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