19.03.2016

Messdatenverarbeitung für Zerkleinerungsanlagen mit Twincat 3

Ethercat-basiertes CM-System

TAR Automation ist Spezialist für hochwertige Automatisierungstechnik und unterstützt produzierende Unternehmen bei der Integration von Automatisierungslösungen. Neben der Planung und Umsetzung von Neuanlagen und der Modernisierung bestehender Produktionsmaschinen entwickelt TAR Systemlösungen in den Bereichen Motion Control und Condition Monitoring. Für die Zustandsüberwachung in Produktionsanlagen hat das in Dinslaken ansässige Unternehmen nun ein effizientes Condition-Monitoring-System (CMS) entwickelt.

Autor: Ralf Stachelhaus, Beckhoff Automation GmbH & Co. KG.


Ethercat macht Subsysteme überflüssig

Abtastraten von 100kHz waren in der Vergangenheit mit Feldbussystemen nicht möglich. Allerdings ermöglicht Ethercat Nutzdatenraten von weit über 90 Prozent mit Voll-Duplex-Fast-Ethernet und Buszykluszeiten von wenigen µs. Mit der Oversampling-Technologie, dem Zwischenspeichern von Messdaten direkt im Ethercat-Slave, lassen sich die Abtastraten weit über den eigentlichen Buszyklus hinaus steigern. 'Verteilte Uhren' in den Ethercat-Slaves, die sogenannten 'Distributed Clocks', sorgen für eine netzwerkweite, zeitlich synchronisierte Messwerterfassung. Der Jitter liegt deutlich unter einer Mikrosekunde, meistens sogar unter 100ns. Damit lassen sich viele Funktionen, die bis dato aus Geschwindigkeitsgründen mit dezentral intelligenten Subsystemen realisiert wurden, in die Steuerung integrieren. Die Messdaten kommen über Ethercat schnell genug zum 'Controller'. Beckhoff nutzt die Ethercat-Eigenschaften zur Entwicklung von immer neuen Messtechnik-I/Os, u.a. stehen Klemmen für die Temperaturmessung, Wägezellenauswertung, Strom- und Spannungserfassung, Schwingungsüberwachung und diverse Analogsignale, wie +/-10V oder 0...20mA, zur Verfügung.

Die Steuerungsplattform des von TAR entwickelten Condition-Monitoring-Systems besteht aus einem Embedded-PC CX5140 mit Twincat 3 Software, der Twincat-Condition-Monitoring-Bibliothek und den Ethercat-Klemmen.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

"In den Anfängen unseres Unternehmens haben wir nahezu ausschließlich klassische SPS- und Scada-Produkte genutzt, heute setzen wir verstärkt auf PC-basierte Automatisierungslösungen von Beckhoff", erklärt Alfred Rachner, Geschäftsführer von TAR Automation. "Die multifunktionale Automatisierungsplattform Twincat 3 ermöglicht unseren Ingenieuren eine effiziente Entwicklung aller erforderlichen Software-Komponenten - modular strukturiert und dennoch in einer einzigen Entwicklungsumgebung integriert. Dazu passend findet sich in der fein skalierten Reihe der Embedded-PCs immer die optimale Hardwareplattform für die Leistungsanforderung der zu lösenden Aufgabe."

Hochgenau und flexibel

"Mit der PC-basierten Steuerungslösung lassen sich etliche neue Funktionen in die Automatisierungstechnik integrieren, die bisher ausschließlich mit dedizierten 'Blackbox-Komponenten' realisiert werden konnten. Das Condition Monitoring für die Zustandsüberwachung von Produktionsanlagen ist dafür ein gutes Beispiel", so Alfred Rachner. Ein herkömmliches CMS wird üblicherweise als Subsystem in der Anlage installiert. Es besteht aus einer Spezialhardware zur Messwerterfassung und -auswertung, verfügt über eine feste Anzahl von Kanälen und einen definierten Funktionsumfang. Damit sind solche Systeme sehr unflexibel: Der Anwender kann auf veränderte Anforderungen nicht reagieren, die Zustandsüberwachung ist schlecht integrierbar und in der Regel sehr teuer. Größere Flexibilität und niedrigere Kosten waren für TAR der Treiber bei der Entwicklung seines CMS TAR 9964 auf Basis eines Embedded-PCs CX5140 mit Twincat 3 Software, der Twincat-Condition-Monitoring-Bibliothek und den Ethercat-Klemmen als Steuerungsplattform. Für den Anschluss der IEPE-Beschleunigungssensoren werden z.B. die Condition-Monitoring-Klemmen EL3632 verwendet. Diese Konfiguration bietet viele Vorteile:

  • • Das System ist komplett frei programmierbar; zusätzliche Funktionen können jederzeit ergänzt werden.
  • • Schwingungs- und Analogkanäle, Temperaturerfassung oder Digital-I/Os können jederzeit über die modularen Ethercat-Klemmen nachgerüstet werden.
  • • Ethercat als breitbandiges Echtzeit-Netzwerk mit hochgenauen Uhren zur Synchronisation sowie Oversampling-Technologie ermöglicht Abtastraten bis zu 100KHz für Analogsignale und 50KHz für Beschleunigungswerte.
  • • Die CM-Klemme EL3632 ermöglicht den Anschluss von IEPE-Sensoren (Beschleunigung, Mikrofone etc.) und verfügt über Oversampling-Technologie, parametrierbare Hardware-Antialiasing-Filter, digitale Filter und Offsetkompensation.
  • • Basisanalyse-Algorithmen stehen als SPS-Bibliothek zur Verfügung; die Funktionalität ist jederzeit veränder- und erweiterbar.
  • • Problemlose Integration beim Kunden, da alle gängigen Schnittstellen, wie Profibus, Profinet, EtherNet/IP, CANopen, Ethernet etc. zur Verfügung stehen.
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Prozessoptimierung eines Granulators

Zur Anwendung kommt das CMS z.B. bei der Überwachung und Prozessoptimierung einer Zerkleinerungsmaschine, die Wertstoffe, wie Leiterplatten, Kühlgeräte, Waschmaschinen, aber auch Kunststoffe oder Autoreifen zu Granulat zerkleinert. Der Granulator verfügt über einen 400kW-Antrieb für die Messerwelle und ein 12kW-Hydraulikaggregat für die Nachdrückeinheit und die Statorverstellung. An der Messerwelle sind Beschleunigungssensoren installiert, deren Daten über die EL3632 erfasst werden. Mithilfe von Bausteinen aus der Twincat-CM-Bibliothek werden diese Daten zunächst in einer sehr schnellen Task akquiriert und gebündelt. In einer oder mehreren weiteren Tasks werden verschiedene Analysebausteine verwendet, wie Fourieranalyse, Grenzwertüberwachung, Mittelwertbildung, Klassifikation etc. Die CM-Bibliothek sorgt auch für die zeitlich korrekte Korrelation der Akquisitions- und der Analysetasks. Das integrierte CMS ergibt handfeste Vorteile für den Betreiber der Zerkleinerungsanlage:

  • • Lagerüberwachung: Bislang erfolgte die Überwachung der Lager über die Temperaturerfassung, sodass sich anbahnende Lagerschäden in der Regel zu spät erkannt wurden. Mit Hilfe der Schwingungsanalyse und der entsprechenden Grenzwert- und Trendauswertung lassen sich potentielle Lagerschäden jedoch erkennen, bevor ein großer finanzieller Schaden entsteht.
  • • Überschmierung wird jetzt erkannt.
  • • Optimierter Betrieb der Anlage: Wenn der Arbeitsraum nicht weit genug geschlossen ist, 'tanzt' das Material auf der Messerwelle und wird nicht richtig zerkleinert. Diese erhöhten Vibrationen können nun gemessen und die Zustellung durch Nachdrücken korrigiert werden.
  • • Ein lockerer Keilriemen wird jetzt erkannt; die Keilriemenspannung kann automatisch nachgeregelt werden.
  • • Erkennen von stumpfen Messern: Bisher wurde die Anlage 'auf Gehör' gefahren und die Messer wurden von Hand geschliffen. Nun liefert das CMS zuverlässige Messwerte für das Erkennen eines stumpfen Messers; das Schärfen erfolgt automatisch.
  • • Anbindung an die Maschinenregelung: Bisher erfolgte die Materialzufuhr mehr oder minder nach Gehör; Versuche, sie mit optischen Messsystemen zu regeln, waren erfolglos, da die zu zerkleinernden Materialien sehr unterschiedlich in Größe und Form sind. Über die Vibrationsanalyse des CMS lässt sich nun zuverlässig erkennen, wann der Granulators geleert ist und automatisch neues Material zugeführt werden kann. Durch die kontinuierliche Ausnutzung der Maschine wird die Produktivität um bis zu 50 Prozent gesteigert.

Potentiale für Systemintegratoren

"Auch für TAR eröffnen sich durch die Integration von Condition Monitoring in die Automatisierungs- bzw. Steuerungswelt ganz neue Möglichkeiten und Absatzpotentiale", formuliert Alfred Rachner: "Twincat als Integrationsplattform ist für uns geradezu ideal: Von der einfachsten Steuerungsaufgabe über Motion Control, CNC-Anwendungen, Condition Monitoring und Sicherheitstechnik können wir mit einem einzigen System jede Aufgabe lösen. Damit entfallen die Kosten für die Schulung der Programmierer auf verschiedene Plattformen, und innerhalb der Abteilungen muss nur ein einziges Engineering-System installiert und gepflegt werden. Für die Instandhaltung unserer Kunden gilt natürlich grundsätzlich das Gleiche." "Darüber hinaus unterstützt Twincat alle gängigen Feldbusschnittstellen, wie Profibus, Profinet, EtherNet/IP, CANopen etc., so dass wir uns problemlos in die Steuerungswelten integrieren können, die wir bei unseren Kunden vorfinden - beispielsweise wenn eine Modernisierung einer Anlage gewünscht ist. Am effektivsten ist natürlich eine vollständig integrierte SPS/NC/CMS-Lösung auf Twincat-Basis, aber das geht natürlich nur bei Neuanlagen." Die Verfügbarkeit von - hinsichtlich Leistung und I/O-Konfiguration - skalierbaren Embedded-PCs bietet, in Kombination mit den vielfältigen Vernetzungsmöglichkeiten, viele Freiheitsgrade in der Steuerungsarchitektur und damit optimale Lösungsansätze für die jeweilige Aufgabenstellung: "Ganz gleich ob als kleine Stand-alone-Lösung, Vernetzung von dezentralen, intelligenten Steuerungen oder als leistungsfähige zentrale Lösung - alles ist möglich", unterstreicht der TAR-Geschäftsführer. "In Kombination mit OPC-UA als Standard für die vertikale Vernetzung lassen sich auch die Warenwirtschaftssysteme anbinden, sowohl innerhalb eines Standortes als auch standortübergreifend."

Twincat 3 optimiert Messdatenverarbeitung

Mit Twincat 3 ist der Anwender in der Lage, einzelne Programm-Tasks auf unterschiedliche Kerne der CPU zu verteilen. Möchte er z.B. seine Messwerte durch rechenintensive Algorithmen beurteilen lassen, so kann er eine eigene Analyse-Task definieren und diese auf einem separaten Kern der CPU laufen lassen. Des Weiteren bietet Twincat 3 für die Messdatenverarbeitung eine CM-Bibliothek für SPS-Programmierer. Als 'Software-Baukasten' konzipiert, können Anwender, je nach Applikation und Wissensstand, zwischen mathematischen Basis-Algorithmen oder Anwenderbausteinen wählen. Letztgenannte gehen in Richtung Applikation und setzen sich aus den Basis-Algorithmen zusammen und kapseln z.B. die Algorithmen, die für eine Wälzlagerüberwachung notwendig sind. So kann der Anwender den Baustein mit Lagergeometriedaten konfigurieren und Grenzwerte teachen. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, Detailkenntnisse der intern ablaufenden Berechnungen zu haben.

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