In der modernen Automatisierungstechnik sind Sensorik und Antriebstechnik eine Einheit. Sollen Maschinen gemäß den Ansätzen von Industrie 4.0 wissen, wann ein Problem im Betrieb auftritt, dann bietet sich der Einsatz virtueller Sensoren an. So z.B. im EU-Projekt iMain (www.imain-project.eu). Dann kann mit virtuellen Sensoren eine Aussage getroffen werden, zu welchem Zeitpunkt eine Anlage oder eine Komponente in naher Zukunft ausfällt bzw. bricht. Diese fiktiven Bauteile sind zum Einen von den rechnergestützten Simulationsmodellen der Maschine und andererseits über reale Sensoren mit Informationen über die auftretenden Spannungen in einzelnen Bauteilen gespeist. Bislang beugt man meist mit turnusmäßigen Services Ausfällen vor oder reagiert nur auf Probleme. Nutzt man real installierte Sensoren für das Detektieren von Produktionsunterbrechungen, so sind aufwändige und teure Applikationen notwendig, die zudem eine Überwachung benötigen. Belastungen werden zudem nur an den Stellen gemessen, an denen die Sensoren montiert sind. Algorithmen, Simulationen und mathematische Modelle unterstützen hingegen ganzheitliche Belastungsszenarien auf wirtschaftliche Weise, indem durch intelligente Auswertung der sowieso vorhandenen Stromsensoren im Umrichter zusätzliche Sensoren für Kraft oder Drehmoment entfallen. Bei zu großen Differenzen zwischen Realität und Berechnung lassen sich die Daten direkt mit realen Messwerten abgleichen und für Anpassung des Rechenmodells nutzen. Mit dieser Methodik sind sogar Prozessergebnisse und Momentaufnahmen von Maschinen und Anlagen darstellbar, für deren Bestimmung es bislang keine physischen Sensoren gibt.
Maschinenprozesse besser im Griff
Zur Prozesskontrolle durch virtuelle Sensorik trägt das Unternehmen Aradex schon seit zehn Jahren bei. Das Unternehmen fokussiert Hard- und Software für die Antriebe und Automatisierung von Maschinen und Anlagen, von der Steuerung über den Umrichter bis hin zum Motor und I/Os. Als Kernkompetenz gilt die hochpräzise und dynamische Messung und Regelung z.B. der Motorströme durch die selbst entwickelte Leistungselektronik. Mit Blick auf die Kundenbedürfnisse verbunden mit Trends wie Energieeffizienz und Industrie 4.0 gilt es, Prozessverbesserungen im Maschinenbau voran zu treiben, die Kosten und Aufwand im Blick haben. Ohne zusätzliche Sensoren und Hardware zeigt Aradex eine Lösungsmöglichkeit, die sich intelligenter Strommessung, mathematischen Modellbildung und komplexer Regelungstechnik bedient. Mit der virtuellen Sensorik sorgt man im System für mehr Prozesskontrolle und Prozessverbesserung.
Zusammenspiel der Systemarchitekturen
Die Basis des Systems ist FAPS, eine Verbindung von FPGA-Technik, die mit hoher Flexibilität in der Hard- und Software-Architektur arbeitet, verbunden mit physikalischen Grundlagenmodellen und einer System-Software für harte Echtzeit. Damit sind schnelle Regelalgorithmen verfügbar mit Zykluszeiten von 2µs für dynamische Ansprüche. Bezüglich der Integration von FAPS in Anlagen sind folgende Vorteile zu nennen: einfache Inbetriebnahme, schnelle Servofunktionen, umfangreiche Testmöglichkeiten sowie die Integration von Frequenzumrichter und Servoantrieb in einem System. Die deterministischen Regelzyklen im µs-Bereich sorgen für außergewöhnliche Genauigkeit, Dynamik und Präzision. Integrierte Analyse-Tools mit digitaler Oszilloskopfunktion erreichen eine Abtastzeit von 2µs für die komplette Reglerkaskade. In der Konsequenz schafft die hochgenaue Messtechnik im Umrichter für Maschinen die Voraussetzungen für eine erhöhte Prozesskontrolle ohne zusätzliche Sensoren – mit der Drehmomentbestimmung von bis zu 1:100.000.
Beispiele aus dem Maschinenbau
- Schleifmaschine: Beim Schleifprozess ist ein Kernaspekt der Punkt, an dem das Werkzeug das Werkstück berührt. Bisher sind für diese Anfunkerkennung meist Körperschallmikrophone im Einsatz – also ein zusätzlicher Sensor, den es zu kaufen, auszuwerten und zu warten gilt. Mit FAPS und der im Umrichter integrierten hochsensiblen Strommessung funktioniert die Anfunkerkennung ohne zusätzlichen Sensor. Nähert sich die Schleifscheibe dem Werkstück, so komprimiert sich die dazwischenliegende Luft und der Kraftaufwand bei einer weiteren Annäherung erhöht sich. Der Widerstand des Luftpolsters zwischen Werkstück und Werkzeug wird ermittelt. Wenn sich die Geschwindigkeit der Positionierung entsprechend des internen Stromverlaufs regeln lässt, ist sogar eine höhere Positioniergeschwindigkeit einstellbar als bei klassischen Körperschalldetektoren. Resultat ist die exakte Bestimmung des Drehmoments in Echtzeit.
