Erschienen am: 03.03.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 3 2017

Dezentrale Antriebssysteme in der Intralogistik

Funktionsentwicklung in the Loop

Im Rahmen eines Transferprojektes des Clusters it's OWL wurde ein Hardware-in-the-Loop-Prüfstand entwickelt. Er dient dem modellbasierten Entwurf und zur Analyse selbstverbessernder Steuerungs- und Regelungsalgorithmen für dezentrale Antriebssysteme in der Intralogistik.


Intelligente Maschinen, vernetzte Produktionsanlagen, Assistenzsysteme und Smart Services: Der 2. Fachkongress 'Industrie 4.0 in der Praxis' am 11. und 12. Mai in Paderborn gibt einen Überblick über Ergebnisse aus Forschungsinitiativen in Deutschland. Unter dem Motto 'Von guten Beispielen lernen' präsentieren Experten aus der Industrie Lösungen für die Produktion von morgen. In Vorträgen, Foren und einer Ausstellung haben Fachleute aus Wirtschaft und Wissenschaft die Möglichkeit, sich zu informieren und auszutauschen. Veranstalter ist der Cluster It's OWL gemeinsam mit weiteren Partnern.

www.its-owl.de/kongress

Bild: it´s OWL Clustermanagement GmbH

Heute bestellt - morgen geliefert: Das ist die Wunschvorstellung vieler Anwender von komplexen Maschinen und Anlagen in der Fördertechnik. Dieses Ziel wird sich in absehbarer Zeit wohl nicht erreichen lassen. Fakt aber ist, dass die Entwicklungs- und Projektierungszeiten im Maschinen- und Anlagenbau immer kürzer werden und aus Sicht mancher Anwender gern noch kürzer werden dürfen.

Intralogistikanlagen: komplex und flexibel

Konterkariert wird diese Anforderung dadurch, dass die Anlagen immer komplexer werden, die Entwicklung und Konstruktion also tendenziell eher mehr als weniger Zeit in Anspruch nimmt. Und es kommt noch ein Trend hinzu, der die Entwicklung aufwendiger gestaltet: Maschinen und Anlagen sollen möglichst multifunktional und flexibel sein, damit sie unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen und mit gleicher Effizienz Produkte in kleineren Serien fertigen. In der Intralogistik ist dieser Trend noch deutlicher bemerkbar. Treiber sind hier der zunehmende Online-Handel, die Rekonfigurierbarkeit der Maschinen an neue Produktionsabläufe und Kundenwünsche (Industrie 4.0) sowie, in der Industrie, der Wunsch nach Just-in-Time-Lieferung. Für die Antriebs- und Steuerungstechnik der Anlagen bedeutet das, dass eine immer höhere Vernetzung gefordert ist. Schon in Anlagen mittlerer Größe sind mehrere hundert, oft auch eine vierstellige Anzahl von elektrischen Antrieben installiert, die z.B. einzelne Segmente von Förderanlagen oder die Fahrzeuge von Elektrohängebahnen bewegen und sich immer häufiger bedarfsabhängig steuern lassen.

Trend zu dezentralen Antrieben und Steuerungen

Die Steuerung erfolgt immer häufiger dezentral, d.h. auf der untersten Feldebene - z.B. auf den Förderstrecken oder in den Kommissionierzonen. Hier sind nicht nur die Antriebe installiert, sondern auch die Regel- und Steuereinheiten wie Frequenzumrichter sowie die Sensoren als Sinnesorgane für die Regelprozesse. MSF-Vathauer liefert dezentrale Antriebs- und Automatisierungssysteme an Anlagenbauer und Systemintegratoren der Materialflusstechnik sowie für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen.

Ziel: Schnellere Entwicklungszyklen

Häufig werden im Rahmen einzelner Projekte sowie im Rahmen der Produktentwicklung neue Funktionen für Frequenzumrichter entwickelt bzw. vorhandene Funktionen an individuelle Anforderungen angepasst. Diese Aufgaben erledigten die Entwickler von MSF Vathauer bislang zumeist nach den Vorgaben der Kunden sowie nach den vorgegebenen Anwendungsszenarien, ohne die Geräte in die konkrete Anwendung zu implementieren. Die Erprobung der neuen Funktionen konnte also erst in einem zweiten Schritt und an einem anderen Ort erfolgen, und zwar erst nach der Inbetriebnahme. Gerade wenn sich dann zeigt, dass zusätzliche Loops erforderlich sind, entsteht ein Zeitaufwand, den es einzusparen gilt. Mit dem Ziel, die Entwicklungszyklen zu verkürzen und einen größeren Anteil des Entwicklungsumfangs von der Hardware- in die Software-Ebene zu verlagern, kooperierte MSF-Vathauer mit dem Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik (IEM), einer Forschungseinrichtung in einem It's-OWL-Transferprojekt.

Anwendungsszenario Rollenbahn

Im Rahmen des Transferprojektes entwickelten die beiden Forschungspartner einen Hardware-in-the-Loop (HiL)-Prüfstand, mit dem sich typische Entwicklungsaufgaben wie neue Frequenzumrichterfunktionen beschleunigen und zugleich direkt validieren lassen. Der Prüfstand bildet das Anwendungsszenario Fördertechnik am Beispiel einer Rollenbahn nach. Auf der Steuerungsseite besteht er aus einer Steuerung und einem Frequenzumrichter, der auf einen Antriebsmotor wirkt. Ein Lastmotor simuliert die Umgebungsbedingungen. Drehzahl und Drehmoment des Antriebsmotors werden hier ebenso erfasst wie die relevanten elektrischen Größen. Der reale Frequenzumrichter mit neuen Funktionen interagiert also mit einer virtuellen Fördertechnikanlage, die sich vor Ort in der Entwicklung befindet.

Simulation mit realitätsgetreuen Ergebnissen

Die Entwickler von MSF-Vathauer sind mit diesem HiL-Prüfstand in der Lage, typische Anwendungsfälle sowie Anwendungsszenarien zu simulieren. Dabei kommen bewährte Lösungen wie Matlab/Simulink und andere Simulations-Tools zum Einsatz. Der Frequenzumrichter tauscht während dieser Simulationen Daten mit der Steuerung des Prüfstandes aus, sodass sich die relevanten Datensätze ebenso exakt erfassen und dokumentieren lassen, als wenn die Versuche an einer realen Rollenbahn stattfinden würden.

Konfiguration selbstverbessernder Funktionen

Neben der Zeitersparnis bietet der HiL-Prüfstand aus Sicht von MSF-Vathauer den Vorteil, dass die bisherige Funktionsentwicklung durch eine direkte Validierungsmöglichkeit ergänzt wird. Außerdem haben die Entwickler nun die Möglichkeit, neue selbstverbessernde und rekonfigurierbare Funktionen zu simulieren. Hierfür nutzen sie methodische Ansätze wie z.B. einen modellbasierten, gewerkeübergreifenden Entwurf und beziehen so auch die direkte physikalische Rückwirkung des Prüfstandes in ihre Entwicklungsarbeit ein.