Elektronische Königswelle (Electronic Line Shaft - ELS)
Elektronische Königswelle
Die virtuelle Leitachse (virtueller Master) versorgt das Achsmodul mit Daten zur elektronischen Königswelle. Das Achsmodul erzeugt mit der Bewegungsfunktion MultiCam die Kurvenscheiben-Sollwerte für die einzelnen Achsen. Eine Vielzahl von synchronisierten Einzelachsen generiert den Bewegungsablauf des Verpackungsprozesses.
In der Praxis tritt oft der Fall auf, dass die Geschwindigkeit und Beschleunigung einer Achse, die mit der Königswelle gekoppelt sind, begrenzt werden müssen. Grund sind zum Beispiel Drehzahl- und Drehmomentgrenzen des Antriebs, Haltekraft auf ein Produkt usw.
Hierfür gab es bisher zwei Möglichkeiten:
oVerlassen der Kurve in Bereichen, in denen die Geschwindigkeits- / Beschleunigungsgrenzen verletzt werden, und Wiederaufsynchronisieren, wenn der kritische Bereich verlassen wurde.
oGeschwindigkeit der Königswelle so langsam wählen, dass die Grenzen nicht verletzt werden.
Das Verlassen der Kurve hat den Nachteil, dass die Synchronität zur Königswelle (Virtual Master) verloren geht. Dies ist für den Verpackungsprozess gefährlich, vor allem, wenn mehrere Slaveachsen von dieser Königswelle (Leitachse) koordiniert werden.
Eine langsame Geschwindigkeit der Königswelle hat den Nachteil, dass ggf. eine einzige kritische Stelle im Prozess die Geschwindigkeit für den gesamten Verpackungsprozess bestimmt. Diese ist meist nicht akzeptabel.
Um das Problem zu lösen, wurde die intelligente Königswelle entwickelt.
Intelligente Königswelle (Intelligent Line Shaft - ILS)
Bei ILS „dreht“ sich die Leitachse nicht mehr mit einer starren, gleich bleibenden Geschwindigkeit. Die Leitachse kann im Verlauf eines Zyklusdurchlaufs ein Geschwindigkeitsprofil abfahren, das partielle Schwachpunkte einzelner Slaveachsen berücksichtigt. Hierdurch bleibt die Synchronität zur Königswelle erhalten. Zudem kann die Geschwindigkeit der Königswelle sehr hoch gewählt werden, da sie erforderlichenfalls „automatisch“ reduziert wird. Ist die kritische Bewegungsphase der Slaveachse abgeschlossen, beschleunigt die Leitachse automatisch wieder.
Intelligent Line Shaft
Bei der intelligenten Königswelle muss die virtuelle Leitachse (virtueller Master) Informationen über die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Einzelachsen erhalten. Die Leitachse überwacht vorausschauend, ob die Einzelachse ein vorgegebenes Limit für Geschwindigkeit oder Beschleunigung überschritten hat. Sie drosselt rechtzeitig vor der kritischen Bewegungsphase die Leitgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Höhe der zu erwartenden Grenzwertüberschreitung.
Geschwindigkeit und Beschleunigung der Einzelachse können in der Folge die jeweiligen Grenzwerte nicht mehr überschreiten. Außerhalb der kritischen Bewegungsphase erhöht die virtuelle Leitachse ihre Geschwindigkeit auf einen Wert über der Höchstgeschwindigkeit - bis zum Grenzwert für das nächste „schwache“ Glied. Der Erfolg: Eine neue Effektivgeschwindigkeit über der Höchstgeschwindigkeit ohne Überschreitung der vorgegebenen Höchstgeschwindigkeit oder -beschleunigung der Einzelachse.
Das Verfahren eröffnet Spielraum für unterschiedliche Optimierungsziele. Steht ausschließlich die Geschwindigkeit im Fokus, können durch die ´Entschärfung´ des schwächsten Glieds in der mechatronischen Kette je nach Anwendung Geschwindigkeitssteigerungen zwischen 10 und 30 % realisiert werden. Ziel kann aber auch sein, bei gleich bleibender Geschwindigkeit die Standzeit der Maschine zu erhöhen oder die auf Packmittel und Packgut einwirkenden Kräfte zu reduzieren. In allen Fällen besteht die Möglichkeit, die Optimierung durch Begrenzen der maximalen Geschwindigkeit oder/und der maximalen Beschleunigung zu erreichen.
Die Vorteile dieser Methode liegen auf der Hand. Der in der Praxis realisierbare Nutzen ist eine Frage der Umsetzung. Die maschinenspezifische Programmierung der erforderlichen Algorithmen kann sich im Einzelfall zu einer aufwändigen und komplexen Angelegenheit entwickeln.
Realisierung als IEC 61131-3-POU
Der ILS-Optimierungsansatz wurde in einem parametrierbaren, IEC 61131-3 konformen Softwaremodul gekapselt, wodurch die Komplexität von ILS für den Anwender nicht mehr spürbar ist. Das Softwaremodul ist maschinenübergreifend einsetzbar. Bis zu zehn Slaveachsen lassen sich über einen Maschinenzyklus optimieren, sowohl auf Maximalbeschleunigung als auch -geschwindigkeit. Der Implementierungsaufwand bleibt minimal: Der Baustein mit der implementierten Softwarefunktion, der gebührenfrei erhältlich ist, kann ausgehend von der PacDrive-Vorlage innerhalb von einer Stunde in das Programm integriert werden.
Basis für die Realisierung als standardisierte Softwarefunktion und die schnelle Implementierung ist ein universelles Softwaremodul, mit dem im Programmierkonzept Achsbewegungen aller Art generiert werden. Das so genannte 'Achsmodul' umfasst drei Standardmodi - Homing (Referenzieren), Manual (Handbetrieb) und Automatic (Automatikbetrieb). Im Automatic-Betrieb stehen unter anderem die Grundfunktionen Endless Feed und Multicam zur Verfügung, die in der Kombination für ein fortlaufendes Ausführen von Bewegungsprofilen der einzelnen Achsen sorgen.
In der Technologiefunktion ´EndlessFeed´ ist die Funktionalität des virtuellen Masters implementiert. Mit der Technologiefunktion ´MultiCam´ generiert das Achmodul aus den vorgegebenen Positionswerten des virtuellen Masters die Kurvenscheiben-Sollwerte der einzelnen Achsen. Auf diese Grundfunktion setzt das ILS-Softwaremodul auf. Sie erlaubt die Vorgabe von Maximalwerten für Beschleunigung und Geschwindigkeit für eine Achse, regelt das Feedback einer Achse an die virtuelle Leitachse und die Vorausberechnungen für den nächsten Maschinentakt.
Die Realisierung der Funktion als universeller Baustein in einem Programmierkonzept mit generell standardisierten Softwarefunktionen hat darüber noch einen weiteren Vorteil: ILS eignet sich nicht nur zur Optimierung von in der Entwicklung befindlichen Maschinen, sondern kann genau so gut für eine nachträgliche Optimierung bestehender Maschinen eingesetzt werden.
Vorteile:
oHöhere Taktzahlen der Maschinen von bis zu 30 Prozent ohne Änderungen an Mechanik oder Antrieben.
oKostenersparnis (ggf. kleinerer Antrieb ausreichend -> Drehmomentspitzen werden begrenzt, ggf. kein externes Bleedermodul notwendig).
oHöhere Lebensdauer der Maschinen durch Schonung der Mechanik.
oFür nachträgliche Optimierung bestehender Maschinen ebenso geeignet wie zur Optimierung von Neuentwicklungen.
oMöglichkeit zur Integration in vorhandene Maschinenprogramme mit Hilfe der PacDrive-Vorlage innerhalb von einer Stunde.
oBis zu zehn Slaveachsen optimierbar, sowohl auf Maximalbeschleunigung als auch -geschwindigkeit.
oFür PacDrive-Anwender kostenlos erhältlich.
Die Funktionsbausteine zur Realisierung der intelligenten Königswelle sind in der Bibliothek PacDriveLib zu finden.
Die Vorgehensweise zum Austausch der elektronischen Königswelle gegen die intelligente Königswelle finden Sie unter Konfiguration & Programmierung > Intelligente Königswelle ILS.
Die Traceaufzeichnung einer Anwendung mit der elektronischen Königswelle wird in der folgenden Abbildung gezeigt. Abhängig von der Leitgeschwindigkeit (MC_Master.RefVelocity) ergibt sich die Geschwindigkeit (MC_Slave1.RefVelocity) und Beschleunigung (MC_Slave1.RefAcceleration) der Folgeachse.
Elektronische Königswelle: Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsverlauf einer Slaveachse in Abhängigkeit von der Leitachsengeschwindigkeit.
Mit der intelligenten Königswelle lässt sich die Beschleunigung der Slaveachse (MC_Slave1.RefAcceleration) begrenzen. Hierzu wird die Leitgeschwindigkeit (MC_Master.RefVelocity) an den kritischen Stellen der Bewegung (Kurvenprofil) reduziert.
Intelligente Königswelle: Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsverlauf der vorherigen Slaveachse mit Beschleunigungsbegrenzung durch angepasste Leitachsengeschwindigkeit.
Es ist ebenfalls möglich, die Geschwindigkeit (MC_Slave1.RefVelocity) der Folgeachse zu begrenzen. Hierzu wird ebenfalls die Leitgeschwindigkeit (MC_Master.RefVelocity) an den kritischen Stellen der Bewegung (Kurvenprofil) reduziert.
Intelligente Königswelle: Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsverlauf der vorherigen Slaveachse mit Geschwindigkeitsbegrenzung durch angepasste Leitachsengeschwindigkeit.
Die intelligente Königswelle kann mehrere Begrenzungen beachten. Die folgende Traceaufzeichnung zeigt diese Begrenzungen:
oNegative Geschwindigkeit der Folgeachse 1 (MC_Slave1.RefVelocity)
oPositive Beschleunigung der Folgeachse 2 (MC_Slave2.RefAcceleration)
oPositive Geschwindigkeit der Folgeachse 3 (MC_Slave3.RefVelocity) und
oNegative Beschleunigung der Folgeachse 3 (MC_Slave3.RefAcceleration)
Intelligente Königswelle: Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsverlauf mehrerer Slaveachsen mit Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsbegrenzung durch angepasste Leitachsengeschwindigkeit.
