Aufbau einer Rapid-Control-Prototyping-Umgebung mit industriellen Antrieben

Inhalt:
In der modernen Produktentwicklung werden immer häufiger modellbasierte Verfahren verwendet, um die Entwicklungs- und Prüfzeit zu verkürzen. Klassische Entwicklungsprozesse für Regler und Funktionen finden beispielsweise häufig direkt am Prozess, direkt auf der Zielhardware statt. Die direkte Programmierung ist einerseits vorteilhaft, da der Programmierer unmittelbar auf Probleme und Unstimmigkeiten reagieren kann, andererseits wird die Komplexität der verwen-deten Lösungen durch physikalische und ökonomische Randbedingungen stark beschränkt. Ein modellbasiertes Verfahren in der Entwicklung ist Software-in-the-Loop (SIL), bei dem die Ansteuerung einer realen Hardware mithilfe eines Echtzeitrechners, auf dem die Regler und Funktionen ausgeführt werden, erfolgt. Der vorliegende Beitrag beschreibt die Entwicklung eines SIL-Prüfstands, um industrielle Antriebe durch ein Echtzeitsystem anzusteuern. Hierbei wurde auf moderne Antriebs- und Echtzeitkomponenten zurückgegriffen. Neben der Verwendung eines MoviC-Frequenzumrichters und zwei CMP-Synchron-Servomotoren von SEW Eurodrive wurde das modulare Echtzeitsystem dSPACE Scalexio verwendet. Die Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Echtzeitsystem und dem Umrichter ist der Feldbus EtherCat (Ethernet for Control Automation Technology). In Abbildung 1 ist ein Wirkschaltbild des Prüfstands abgebildet. Das Ziel des Prüfstands ist in erster Linie die Erweiterung der Ausbildung von Studierenden an industriellen Frequenzumrichtern und deren Ansteuerung über Prozessdaten. Es soll im Weiteren möglich sein, dass an die Motoren einfache mechanische Elemente, wie beispielsweise Schwungmassen oder Pendel, angebunden werden können. Die Auslegung von Reglern und Steuerungsalgorithmen kann damit besonders effizient mit realen Systemen getestet werden. Ferner bietet der Prüfstand einen Zugang zur Realisierung für EtherCat-basierte Anwendungen mit Echtzeitsystemen im Rahmen von Forschungsprojekten. Hierbei können beispielsweise neue Methoden in der Bahnplanung und Regelung von Industrierobotern untersucht werden. Der Prüfstand wurde im Rahmen von studentischen Arbeiten vollständig aufgebaut und in Betrieb genommen. Der finale mechanische Aufbau des Prüfstands wurde in einem Konstruktionsprogramm der Firma MiniTec entworfen und dabei die notwendigen mechanischen und elektrischen Komponenten festgelegt. Als Ergebnis sentsteht ein fahrbares Rack, an dem sämtliche Antriebskomponenten auf einem Installationslochblech angebracht und verdrahtet werden. Dadurch wird eine möglichst hohe Transparenz für den Bediener erzielt. In Abbildung 3 ist ein erster Testaufbau des geplanten Prüfstands zu sehen.