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Bewegungsregelung

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Schwingungsfrei entwickeln

Text: Peter Kemptner für B&R Foto: Gutzemberg
Beim Verfahren von Kranlasten erschweren Pendelbewegungen das schnelle und treffsichere Absetzen. Dem entgegenzuwirken wird schnell komplex und teuer. Mit einer softwarebasierten Lösung muss das aber nicht sein.

Weil am Containerumschlagplatz hoher Zeitdruck herrscht, gilt es, unproduktive Nebenzeiten zu reduzieren; zum Beispiel die Transportzeiten zwischen Produktionsschritten sowie beim Be-, Ent- und Umladen. Jedoch stellt bei Kränen die zu bewegende Last ein Pendel dar, das mit jedem beschleunigen und bremsen einen Impuls erhält. Im Produktionsprozess auf ein Auspendeln zu warten, kommt nicht in Frage. Ebenso wenig darf aus Zeitgründen der Lauf verlangsamt werden.

Kombinierter Ansatz

Bei Anti-Sway-Systemen, die der Pendelbewegung entgegenwirken, handelt es sich traditionell um Vorrichtungen, die mittels Gegenzug die Pendelbewegungen dämpfen. Zusätzlich kommen hydraulisch gesteuerte Seilwinden zum Einsatz. Solche Lösungen setzen jedoch der Dynamik Grenzen, sind wartungsintensiv und damit kostspielig. Alternativ könnten gezielte gegenläufige Bewegungen der Kranbrücke, der Laufkatze und der Hauptseilwinde selbst den Pendelbewegungen entgegenwirken. Viele solche Ansätze sind jedoch nur eingeschränkt anwendbar. Der Bahnkurven-Folgeregler zum Beispiel: Er beeinflusst die Sollbewegung der Krankatze und den Sollwinkel der Last für vorgegebene Bewegungsprofile. Er verhindert jedoch den Einsatz von integrierten Geschwindigkeitsreglern und ändert die Seillänge, was zu erheblichen Verlustleistungen führt.Einen neuen Ansatz präsentiert Gernot Grabmair, Professor für Elektro- und Regelungstechnik an der FH Wels: „Es handelt sich um eine Kombination des Bahnkurvenfolge-Regelungskonzepts mit wahlweiser Sensorunterstützung.“ Durch Vorgabe der Sollgeschwindigkeit und -beschleunigung sowie durch wahlweise Verwendung von Moment, Kraft oder Geschwindigkeit als Stellgrößen werde eine hinreichend glatte Regelung der Bahnkurven auch bei variabler Seillänge erreicht.Das Regelungskonzept wurde durch Modellierung der Last mit variabler Seillänge und durch Modellierung des mechanischen Teils der Dynamik erstellt. Eine systematische Reduktion des nichtlinearen mathematischen Systemmodells ermöglicht wahlweise die Verwendung der Laufkatzengeschwindigkeit als Stellgröße. Dabei befreien portorientierte Modellierungs-Tools davon, Differentialgleichungen für das Simulationsmodell herleiten zu müssen. Bei Verwendung eines symbolischen Pakets wie MapleSim bleiben diese für weitere Analysen verfügbar.

Schonend modellieren

„Heutige portorientierte Modellierungswerkzeuge wie Simulink, MapleSim oder das lizenzfreie Scilab/XCos gestatten die ressourcenschonende Modellierung, Überprüfung und Optimierung von Steuerung und Regelung für Aufgaben wie die Schwingungsunterdrückung“, sagt Grabmair. „Da wäre es ein Verschenken von Effizienz, würde man die zugrunde liegende Mathematik jedes Mal neu algorithmisch nachvollziehen.“Die Möglichkeit zur Programmierung von Automatisierungssystemen in Automation Studio von B&R unter Verwendung der Programmiersprache C ermöglicht die Einbindung etlicher Modellierungs- und Simulations-Tools. Aus deren Modelldaten kann automatisch C-Code generiert und an Automation Studio übergeben werden. Für Simulink existiert ein eigenes Target-Modul. Eine ähnliche Anbindung ist auch für MapleSim verfügbar. Damit kann die Durchgängigkeit der Entwicklungsarbeit bis zum Test der Anwendung mit der tatsächlichen Ziel-Hardware und eines echtzeitfähig simulierten Streckenmodells bis zur Emulation reichen. Die Möglichkeit, dabei direkt auf die Steuerung zuzugreifen, bringt auch Erleichterungen für die Inbetriebnahme. In Feinpositioniertests konnte die Produktivität mit der vorgestellten Lösung nachweislich bis zum Fünffachen erhöht werden. Das schwingungsberuhigte Verfahren der Laufkatze ist im Automation Studio bereits als Funktionsblock hinterlegt. „So steht diese Entwicklung allen B&R-Kunden in leicht anwendbarer Form und mit professioneller Unterstützung für die Inbetriebnahme zur Verfügung“, schließt Grabmair.

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