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Möge der Antrieb mit dir sein

Text: Norbert Maleszka, Siemens Foto: Brendan Hunter, Siemens
Mit neuer Antriebstechnik an einem bewährten Steuerungssystem werden höhere Beschleunigungen und Verfahrgeschwindigkeiten an Radioteleskopen möglich. Damit können in kürzerer Zeit deutlich mehr Himmelsobjekte exakt angefahren und beobachtet werden. Premiere hat die neue Technik am Twin-Teleskop des geodätischen Observatoriums Wettzell.

Warp ist das überlichtschnelle Science-Fiction-Antriebssystem des Raumschiffs Enterprise aus der Fernsehserie Star Trek. Star Track ist aber nicht zwangsläufig Fiktion, sondern meint auch eine von mehreren Betriebsarten von Radioteleskopen. Mit diesen peilt man Himmelsobjekte wie Quasare (quasi-stellare Radioquellen) nach vorgegebenen Fahrplänen an beziehungsweise verfolgt sie, um kurz deren Mikrowellenstrahlung zu erfassen. Im globalen Verbund mehrerer Radioteleskope, bei der sogenannten Very Long Baseline Interferometry (VLBI), lässt sich aus dem Vergleich der Signallaufzeiten unter anderem millimetergenau die Verschiebung der tektonischen Platten oder das Rotationsverhalten der Erde ermitteln. Je mehr Objekte man bei bestimmten Messkampagnen anpeilen kann, umso präziser das Ergebnis. Deshalb wünschen sich Kartographen und Vermessungsingenieure (Geodäten) immer schneller und präziser verfahrbare Radioteleskope.

Bis zu drei Mal schneller als etablierte Systeme und damit sozusagen mit Warp-Geschwindigkeit arbeitet das neue Twin-Teleskop Wettzell (TTW), das am geodätischen Observatorium für den ersten Einsatz vorbereitet wird. Die Reflektoren der beiden Teleskope haben einen Durchmesser von über 13 Metern und können wahlweise separat oder im virtuellen Verbund arbeiten. Entwickelt, gebaut, einschaltfertig ausgerüstet und montiert wurden die beiden Teleskope von Vertex Antennentechnik.

Antriebstechnik der Zukunft

Verfahrgeschwindigkeiten von erstmals bis zu zwölf Grad pro Sekunde in der Drehbewegung (Azimut) und bis zu sechs Grad pro Sekunde in der Neigung (Elevation) setzen eine präzise Regelung und eine schnelle Kommunikation zwischen der Antenna Control Unit ACU 8100 von Vertex und den Frequenzumrichtern (Servoverstärkern) für die Drehmoment- beziehungweise Drehzahlregelung der Motoren voraus. Wichtig ist dabei frei programmierbares, ruckfreies Beschleunigen - mit bis zu drei Grad pro Sekunde hoch zwei - und Abbremsen, um die Mechanik zu schonen und den Energieverbrauch zu minimieren. Der 24-Stunden-Betrieb des TTW wird von häufigen Positionswechseln geprägt sein, die automatisch nach Fahrplänen, teils auch über Remote-Verbindungen von anderen Standorten aus gesteuert werden. Voraussetzung für die Genehmigung war ein sogenannter Green Mode mit Rückspeisung generatorischer Energie in den Zwischenkreis sowie zeit- und energiesparender Fahrweise.

Anbindung über CAN-Bus

Um nicht an einen einzigen Anbieter gebunden zu sein, sucht Vertex schon länger nach einer alternativen Lösung bei den Frequenzumrichtern. Diese müssen von der ACU über CAN-Bus schnell und exakt angesteuert werden und die speziellen Funktionen der Anwendung umsetzen können. "Siemens war diesbezüglich schon immer ein Kandidat", sagt der Leiter der Elektrotechnik bei Vertex, Klaus Willmeroth. "Jedoch haben wir bislang bei jeder Systemumstellung dieses Ausmaßes den hohen Entwicklungsaufwand gescheut", so Willmeroth weiter.

Es wurde eine ausreichend schnelle Kommunikation zwischen der Vertex-Steuerung und dem modularen Umrichtersystem Sinamics S120 über CAN-Bus untersucht. Fazit: Der geforderte Regeltakt von fünf Millisekunden war problemlos zu bewältigen. Mit dem Auftrag über die Entwicklung und den Bau des Twin-Teleskops für das Observatorium Wettzell war schließlich der richtige Zeitpunkt für die praktische Umsetzung gekommen. Für den Einsatz industriebewährter Siemens-Komponenten sprach angesichts üblicher Betriebszeiten von 20 bis 30 Jahren auch die lange, weltweite Verfügbarkeit von Ersatzteilen.

Nach einem Sitrain-Basiskurs in Sinamics-Programmierung hat Automatisierungs- und Antriebsspezialist Jochen Voßkamp die Antriebslösung auf das neue System portiert. Dabei mussten je zwei gegeneinander verspannte Motoren für die Drehbewegung sowie auf beiden Seiten der Azimutgabel über CAN-Bus angesteuert werden. Er hat dazu die Möglichkeiten der grafischen Projektierung mit Sinamics Drive Control Chart (DCC) genutzt, in Summe rund 50 der frei verfügbaren Regelungs-, Rechen- und Logikbausteine (Drive Control Blocks/DCB) miteinander verschaltet und die vom Betreiber geforderten Betriebsarten realisiert.

Bewegung der Teleskope

Es wurden für die Umsetzung der Dreh- und Neigungsbewegung der Teleskope modulare Antriebsverbände aus folgenden Kernkomponenten spezifiziert:

Active Infeed:

Das ist eine Einspeisevariante für Sinamics, bestehend aus Active Line Modul (ALM) und Active Interface Module (AIM) mit Clean Power Filter. Das ALM erzeugt aus der dreiphasigen Netzspannung eine konstante, geregelte Zwischenkreisspannung. Das zwischen ALM und Netz angeordnete AIM filtert Oberschwingungen weitestgehend heraus, sorgt netzseitig für eine nahezu sinusförmige Stromaufnahme und somit für sehr geringe Netzrückwirkungen; ein Basic Filter Module hilft gegen Störaussendung gemäß Kategorie C2 nach EN 61800-3.

Control Units CU320:

Die Regelungsbaugruppe mit Performance-Erweiterung und CAN-Bus-Anschaltung dient als Bindeglied zur überlagerten Antenna Control Unit, die sämtliche Berechnungen ausführt und die Drehmomentsollwerte vorgibt.

Single Motor Modules:

Das sind Leistungsteile für jeweils einen Motor. Durch diese Komponenten werden jegliche Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz und auf die hochempfindlichen Messsysteme sicher ausgeschlossen und ein absolut zuverlässiger Betrieb gewährleistet. Auch getaktete, unterbrechungsfreie Sitop-Stromversorgungen leisten dazu einen Beitrag. Sämtliche Verriegelungen überwacht und steuert eine speicherprogrammierbare Steuerung Simatic S7 300.

Anwendungsspezifischer Betrieb

Neben dem eingangs genannten Star-Track-Modus wurden weitere anwendungsspezifische Betriebsarten für die flexible und sichere Nutzung der Teleskope umgesetzt. Diese können von beiden Teleskopen unabhängig voneinander ausgeführt werden. Darüber hinaus lassen sich beide Einheiten auch in Master-Slave-Kopplung betreiben.

Energie und Kosten sparen

Für die Genehmigung zwingend war ein energieeffizienter Betrieb des Twin-Teleskops. So sollte das Rückspeisen generatorischer Energie beim Abbremsen in den gemeinsamen Antriebszwischenkreis möglich sein. Das modulare Sinamics-System bringt alle Komponenten dafür mit und erlaubt parametrierbares Zu- und Abschalten der Rückspeisung.

Über seine Steuerung generiert Vertex im laufenden Betrieb zeit- und energieoptimale, weich verschliffene Verfahrkurven, die in den Antrieben präzise umgesetzt werden. Die ACUs kennen den Fahrplan und verfahren die Teleskope nicht mit Höchstgeschwindigkeit, sondern langsam und ohne Lastspitzen zum nächsten Haltepunkt. So lässt sich im Idealfall die Reibung im System zum Abbremsen nutzen und bei zukünftig bis zu 1000 Positionierungen pro Tag der Energieverbrauch in Summe reduzieren.

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