Simulation für Schneider Electrics PacDrive von Machineering

Was macht der Motor eigentlich?

Gemeinsam mit Schneider Electric hat Machineering eine antriebsnahe Maschinensimulation für das PacDrive-System entwickelt. Maschinen können getestet und Antriebsstränge ausgelegt werden, bevor die Maschine überhaupt gebaut wird. Das reduziert die Time-to-Market.
 Durch die Kooperation mit Machineering kann mittels Simulation und Bestimmung des Momentenbedarfs eine passende Antriebsbestimmung schon in der Konstruktionsphase durchgeführt werden.
Durch die Kooperation mit Machineering kann mittels Simulation und Bestimmung des Momentenbedarfs eine passende Antriebsbestimmung schon in der Konstruktionsphase durchgeführt werden. Bild: Machineering GmbH & Co. KG

Bei dem neuen Patent wird die Simulation der mechanischen Konstruktion direkt mit dem Steuerungssystem PacDrive3 verbunden, sodass sich der Konstrukteur darauf verlassen kann, dass die einzelnen Maschinenmodule bereits im Vorfeld getestet und passend ausgelegt sind. „Der größte Vorteil liegt sicherlich darin, dass Probleme im Ablauf erkannt werden können, lange bevor die reale Maschine in der Werkshalle steht“, sagt Reinholt Schlechter, Segment Manager CPG bei Schneider. „Gerade bei Servo-Anwendungen ist es doch sehr wichtig zu wissen, welche Momente zu den jeweiligen Bewegungen auftreten. Mit dem Patent ist es in unserem System PacDrive nun möglich, dieses in Echtzeit zu bestimmen.“ Zusammen mit Machineering kann Schneider nun die bestmögliche Auslegung des Antriebes durchführen. Machineering liefert dabei die mechanisch relevanten Daten für den jeweiligen Antriebsstrang. Dabei geht es in den meisten Anwendungsfällen um schnelle und komplexe Bewegungsabläufe, wobei die Synchronität elementar ist. Doch auch Wiederholgenauigkeiten beeinflussen die Qualität und die Performance von Maschinen. Um dieses zu jeder Zeit zu gewährleisten, ist gerade die exakte Auslegung der Antriebe wichtig.

Über Simulation und Bestimmung des Momentenbedarfs kann eine passende Antriebsbestimmung schon in der Konstruktionsphase durchgeführt werden. Dabei kann in der Simulation geprüft werden, wie sich die Erhöhung der Maschinengeschwindigkeit auf den einzelnen Antrieb auswirkt. In der Simulation wird dabei die Geschwindigkeit erhöht und das Ergebnis direkt angezeigt. Gerade dann, wenn ein Antrieb nicht mehr ausreichend ist und ein größerer Motor verwendet werden muss, bringt das eine Menge Vorteile für den Maschinenbauer. Denn wie sah die Welt zuvor aus? Die Maschine wurde gebaut und die Maschinengeschwindigkeit wurde irgendwann erhöht. Dann kam es unter Umständen dazu, dass der eingebaute Antrieb nicht ausreichend dimensioniert war. Ein neuer Antrieb musste bestellt und mechanische Teile angepasst werden. Die Zeit bis zur Auslieferung der Maschine verzögert sich dadurch erheblich und höhere Kosten in der Inbetriebnahme waren die Regel.

 Durch die skalierbare Performance von PacDrive3 können Anwendungen mit wenigen Servoachsen ebenso wie anspruchsvolle Lösungen mit bis zu 99 Servoachsen oder 30 Robotern wirtschaftlich automatisiert werden.
Durch die skalierbare Performance von PacDrive3 können Anwendungen mit wenigen Servoachsen ebenso wie anspruchsvolle Lösungen mit bis zu 99 Servoachsen oder 30 Robotern wirtschaftlich automatisiert werden.Bild: Machineering GmbH & Co. KG

Vorteile der antriebsnahen Simulation

In der heutigen Zeit simulieren nahezu alle Maschinenbauer die einzelnen Maschinenteile. Somit sind die Grundlagen meist vorhanden. Die Simulation der mechanischen Konstruktion wird nun direkt mit dem Steuerungssystem PacDrive3 verbunden und durch diese Vereinigung entstehen Mehrwerte. Maschinen können getestet werden und Antriebsstränge genau ausgelegt werden, bevor mit dem Bau der Maschine begonnen wird. Verkürzte Lieferzeiten sind die Folge. Beim Zusammenbau kann sich der Konstrukteur darauf verlassen, schon virtuell getestete Maschinenmodule zu verbauen. Des Weiteren können mit der Lösung des SimAdvisor die Regelparameter während der Konstruktionsphase optimiert eingestellt werden. Damit ist es dann möglich, vier mechanische Kenngrößen des Antriebsstrangs zu ermittelt, um die optimalen Regelparameter zu bestimmen. „Hierbei, aus meiner eigenen Erfahrung als Applikateur, werden Regler nicht 100% richtig eingestellt. Die Maschine funktioniert gut, aber nicht optimal“, sagt Schlechter. „Wir haben bei Tests herausgefunden, dass wir mit einem gut eingestellten Regler gegenüber dem neuen Verfahren bis zu 80% den Schleppfehler reduzieren können. Das bedeutet, dass wir die Abweichung von Soll- zu Istwert je nach Anwendungsfall um 80% verbessern konnten.“

Da der Momentenbedarf der Bewegung bekannt ist, kann die Maschine mit wenig Verschleiß betrieben werden. In der realen Maschine kann im laufendem Betrieb festgestellt werden, ob sich die Parameter geändert haben. Somit ist eine automatische Parameter-Einstellung zum optimalen Betrieb von Anlagen möglich und auch die Möglichkeiten zur vorbeugende Wartung sind gegeben. Wenn beispielsweise ein Joghurtfüller einen Becher mit 125g füllt und dann auf dem gleichen Maschinenteil einen 500g Becher füllen soll, dann stimmen die mechanischen Daten für den Antrieb nicht mehr. Diese können dann in den Rezeptdaten abgespeichert werden, und die Anlage wird trotzdem optimiert produzieren können. Änderungen in dem mechanischen Daten können auch im Vorfeld einen Hinweis liefern, dass zeitnah mechanische Probleme auftreten könnten. Ein Serviceeinsatz kann aufgrund dieser Hinweise frühzeitig geplant werden, bevor es zu einem ungeplanten Stillstand kommt.

„Zum einen möchten wir den Kunden helfen, mit Schneider-Electric-Technik bestmögliche Maschinen zu bauen. Des Weiteren wollen wir nachhaltig sein und versuchen, Maschinen optimal zu betreiben und möglichst ohne Ausfälle beim Endkunden produzieren zu lassen“, erklärt Schlechter. Als Technologiekonzern soll Schneider bei den Kunden als innovatives und zukunftsorientiertes Unternehmen wahrgenommen werden. „Wir wollen im gesamten Bereich der CPG Kunden zeigen, dass wir deren Nöte und Herausforderungen kennen und hier Lösungen suchen. In unserem Applikationsteam werden wir hierzu unterschiedliche Leistungen anbieten. Wir verstehen uns als Partner unserer Kunden.“ Das gilt für die Leistung des schleppfehlerarmen Fahrens genauso wie für das Verfahren zum Bestimmen der vorbeugende Wartung.

Bild: machineering GmbH & Co. KG

Technische Umsetzung

Die Maschinensimulation ist ein Programm-Add-On, das in jede mit PacDrive3 automatisierte Anlage hinzugefügt werden kann. Sogar die Anwendung in Brownfield-Anlagen sind möglich. Das Programm-Add-On hängt sich, bildlich gesprochen, zwischen die reale Hardware und das beliebige Softwareprojekt des Kunden. Dieser Programmteil bietet dann die Möglichkeit, sich mit der Simulationssoftware iPhysics von Machineering via TCP/IP zu verbinden. Währenddessen werden alle notwendigen Daten ausgetauscht, um die Berechnungen zu dem zu erwarteten Drehmoment durchführen zu können. Die gewöhnlichen Bewegungsdaten werden ausgetauscht (Hardware in the Loop), um die Simulation durchzuführen. In der Steuerung wird nun parallel in Echtzeit das benötigte Drehmoment, welches getriebeabgangsseitig von der virtuellen Mechanik verlangt wird, berechnet. Das bedeutet, dass zu jedem Zeitschritt des Motionsystems das zu diesem Zeitpunkt benötigte Moment berechnet wird. Hiermit ist es möglich, im komplett virtuellen System den Bedarf zu ermitteln und somit eine sehr genaue Antriebsauslegung zu realisieren.

Später im realen System können diese Kennzahlen genutzt werden, um den Servomotor sinnvoll vorzusteuern. Hiermit lässt sich der Schleppfehler deutlich reduzieren. Ein weiterer Aspekt ist, dass der Motor effektiver betrieben werden kann. „Dadurch, dass wir wissen welches Moment benötigt wird, entlasten wir sozusagen den Regelkreis und es kommt zu deutlich weniger Stromschwingen“ erklärt Sebastian Walter, Senior Application Engineer CPG Solution. „Hier konnten wir feststellen, dass wir teilweise 1-2 Motorgrößen einsparen können, um dieselbe Leistung in der Maschine zu erreichen. Der reale Strom der Achse wird zudem gemessen. Daraus lassen sich vier Parameter der Mechanik auf Motor- und Mechanikseite ableiten, wie mechanische Reibung, geschwindigkeitsabhängige Reibung, bewegte Masse oder Trägheit (je nach Anwendungsfall) und den statischen Momentenanteil, wenn die Mechanik z.B. gegen die Erdanziehung arbeitet.

Der Strom wird so intelligent ausgewertet und dem Kunden eine Information zu seiner Mechanik in einer völlig neuen Qualität zur Verfügung gestellt. Bisher hat man versucht, ohne Kenntnisse über die Mechanik nur über den Strom, Anomalien zu erkennen und diese zu interpretieren. Mit der neuen Art der Berechnung kann nun genau gesagt werden, was sich verändert hat: Wird plötzlich mehr Gewicht bewegt? Hat sich ein Reibungsanteil verschoben? Man kann also zielgerichteter nach Problemen im Antriebsstrang suchen. Und das alles, ohne dass der Maschinenbauer eine zusätzliche Sensorik oder ähnliches einbauen muss. Bisher konnte die Simulation und Mathematik für beliebige eindimensionale Mechaniken wie Bänder, Hebelmechaniken, Schrittschaltgetrieben etc. angewendet werden. Auch wenn ein Motor mehrere eindimensionale Mechaniken antreibt, können die Werte bestimmt werden. Zusammen mit Machineering wurden noch weitere Funktionalitäten entwickelt. Mit dem Modell ist es nun möglich, Referenzierungen in der Simulation auf Drehmoment und Sensorik zu realisieren.

 Die Kennzahlen der Simulation können im realen System genutzt werden, um den Servomotor sinnvoll vorzusteuern. Hiermit lässt sich der Schleppfehler deutlich reduzieren.
Die Kennzahlen der Simulation können im realen System genutzt werden, um den Servomotor sinnvoll vorzusteuern. Hiermit lässt sich der Schleppfehler deutlich reduzieren. Bild: Machineering GmbH & Co. KG

Nächste Schritte

Zunächst soll diese neuartige Funktionalität bei den Kunden und den dazugehörigen Endkunden ausgerollt werden. Als nächste Entwicklungsschritte werden zusammen mit Machineering dann beliebige mehrdimensionale Mechaniken in Angriff genommen. „Die Zusammenarbeit war bis jetzt schon sehr erfolgreich. Wir freuen uns auf das, was noch kommt“, sagt Dr. Georg Wünsch, CTO von Machineering.

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