SCALE-RT | Modellbasiertes Design mit dem PFC200

 

Wangen, 27. Mai 2014


Modellbasiertes Design mit dem PFC200

2013 hat WAGO mit der PFC200 eine neue SPS-Generation auf den Markt gebracht. Durch die darauf basierende Lösung von COSATEQ können Automatisierer nun Techniken des modellbasierten Designs für Entwurf, Test und Inbetriebnahme von Maschinen- und Anlagen-Steuerungen nutzen. Die Vorteile sind kürzere Projektierungszeiten, selbstdokumentierender Code, automatisierte Testabdeckung und raschere Inbetriebnahme.


Wangen, den 27.Mai 2014 - Die Lösung von COSATEQ führt bislang getrennte Welten zusammen. Auf der einen Seite das modellbasierte Design auf Basis von MATLAB/Simulink, auf der anderen die Kompaktsteuerungen der PFC200-Serie von WAGO. Das Bindeglied zwischen der WAGO-SPS und MATLAB/Simulink beruht auf einer Toolchain mit der Echtzeit-Simulationsumgebung SCALE-RT von COSATEQ. „Anwender können damit auf unsere mehr als zehnjährige Erfahrung mit Simulations-Toolchains und hochperformanten Echtzeitsystemen zurückgreifen“, bemerkt Gerd Leiprecht, Geschäftsführer der COSATEQ.
Was die Lösung von COSATEQ für die Anwender bedeutet, erkennt man daran, dass MATLAB/Simulink mit weltweit hundertausenden Lizenzen der Standard für die Analyse und den Entwurf technischer Regelsysteme ist. Die graphische Programmiersprache Simulink ist die Sprache, die Ingenieure wie Reglungstechniker anwenden und bereits vom Studium her kennen.

Kompakter Controller für steuerungs- und regeltechnische Aufgaben

Die Controller-Reihe PFC200 bildet eine Automatisierungsplattform mit den Schwerpunkten Prozessindustrie, Gebäude- und Schiffsautomatisierung, Prüfstandsbau sowie Maschinen- und Anlagenbau. Sie eignen sich beispielsweise für die Steuerung von Abfüll-, Verpackungs-, Textil-, Fertigungs-, Metall- und Holzverarbeitungsmaschinen. Ausgestattet mit der leistungsstarken Cortex-A8-Prozessorarchitektur, einem echtzeitfähigen Linux-Betriebssystem und Ethernet- sowie Feldbus-Schnittstellen ist die Controller-Reihe nahtlos in das modulare WAGO-I/O-SYSTEM eingebunden. Mit der Vielfalt aus mehr als 400 digitalen, analogen sowie Sonderbusklemmen der Serien 750/753 lassen sich komplexe Automatisierungsaufgaben lösen und hochpräzise Regelsysteme realisieren.
Die Frage ist, wie man komplexe Steuerungs- und Regelungsaufgaben zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten und hoher Regelgüte in möglichst kurzer Zeit in den Griff bekommt. Gerade bei den heute üblichen hohen Anforderungen an Prozessstabilität und -qualität stößt die klassische code-basierte Entwicklungsmethode inzwischen an wirtschaftliche und technische Grenzen. Den Weg aus diesem Dilemma weist die modellbasierte Designmethodik.

ModellbasierteS Design mit MATLAB/Simulink

Mit MATLAB/Simulink stehen bewährte Designtools zur Verfügung, die sich bereits in vielen Anwendungen verschiedener Branchen bewährt haben. Mit dem Modellierungs- und Simulationstool Simulink können beispielsweise die Anforderungen an einen Regler mithilfe von grafischen Funktionsblöcken als Datenflussmodell abgebildet werden. Durch das Verschalten der verschiedenen Funktionsblöcke und ihrer Parameter lassen sich sehr komplexe Anforderungen umsetzen. Ein Beispiel: Für den oft genutzten PID-Regler gibt es einen Funktionsblock, der vom Entwickler nur noch parametrisiert und verschaltet werden muss. Alles geht komfortabel am Bildschirm.
Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass mit der Modellierung quasi automatisch der Reglerentwurf dokumentiert wird. Mit MATLAB/Simulink lässt sich darüber hinaus auch die Regelstrecke, also der Prozess nachbilden.
Das Gesamtmodell lässt sich auf dem PC als Model-in-the-Loop (MiL) simulieren oder, falls die Regelstecke soweit reduziert werden kann, auf der Zielhardware als Processor-in-the-Loop (PiL) implementieren und simulieren werden.
Solange das Simulationsergebnis nicht zufriedenstellend ist, verfeinert der Entwickler das Modell schrittweise weiter.

Toolchain für das modelbasierte Design

Bislang gab es jedoch keine Möglichkeit, das simulierte Regler-Modell auf die WAGO-Steuerungshardware zu übertragen. Genau dies ist nun dank der Lösung von COSATEQ möglich. Christian Locher, Projektleiter bei COSATEQ, sagt dazu: „Der Entwickler kann mithilfe der neuen Toolchain nun das Regler-Modell auf die PFC200 einspielen, diese über die I/O-Module mit der realen Strecke verbinden und das Regler-Modell weiter optimieren und testen.“ Ein weiterer Vorteil des modellbasierten Designs besteht darin, dass schon in einer frühen Entwicklungsphase Testvektoren generiert werden können, mit denen der Regler bei der Inbetriebnahme überprüft wird.
„Der Entwickler sieht die PFC200 als SPS mit großer I/O-Vielfalt. Statt auf teure DAQ-Karten von Fremdherstellern angewiesen zu sein, kann er aus dem vielseitigen Programm der WAGO-Busklemmen die passenden heraussuchen“, fügt Locher als weiteren Vorteil hinzu.

Altanlagen auf den neuesten Stand bringen

Das modellbasierte Entwicklungsverfahren kann nicht nur für Neuanlagen, sondern auch für die Modernisierung von Altanlagen eingesetzt werden. Ein Beispiel für die Entwicklung mit der Methodik des Rapid Control Prototyping (RCP) ist die Modernisierung einer Anlage, die textile Verbundmaterialien verarbeitet.
Ein Hochfrequenz-Schweißgerät verbindet die beiden Materialien. Vom Betrachter ist später nur noch eine Naht zu sehen. In der Anlage positioniert die PFC200 den Schiebetisch mit den übereinanderliegenden Textilbahnen so, dass der Stempel der Stanze genau über dem Arbeitsbereich steht. Ist die gewünschte Position erreicht, schaltet die Steuerung das HF-Schweißgerät ein und fährt den Stempel kraftgeregelt herunter. Nach dem Verschweißen der beiden Bahnen wird gewartet, bis die Naht abgekühlt ist. Danach schneidet die Stanze mit einem Rundmesser das Teil aus dem Verbundmaterial kraftgeregelt heraus.
Das modellbasierte Design ergibt hier mehrere Vorteile: Die Projektdauer misst wenige Wochen statt Monate. Dank optimierter Regelalgorithmen sinkt der Energieverbrauch erheblich und die Produktionsqualität steigt. Die Produktionsunterbrechung ist kürzer, da sie im Wesentlichen vom Einbau der neuen Hardware bestimmt wird.

Virtuelle Inbetriebnahme spart Kosten

Die Realisierung von COSATEQ ermöglicht alle Techniken des modellbasierten Designs. Außer dem Rapid Control Prototyping (RCP) sind dies beispielsweise Hardware-in-the Loop (HiL) und Software-in-the-Loop (SiL). Bei Hardware-in-the-Loop kann beispielsweise eine WAGO-SPS das Streckenmodell ausführen, während die andere als Regler arbeitet. Sinnvoll ist diese Vorgehensweise, wenn die Regelstrecke, etwa die zu regelnde Maschine, nicht zur Verfügung steht. Damit lassen sich auch Betriebszustände testen, die eine Anlage beschädigen und das Bedienpersonal gefährden könnte. Ebenfalls realisierbar ist damit ein weiterer Schritt in Richtung eines voll integrierten Engineering-Workflows – die virtuelle Inbetriebnahme. Die hohe Rechenleistung der PFC200 in Verbindung mit ihrer Ethernet-Konnektivität und dem integrierten Webserver ermöglichen die Simulation der gesteuerten Anlage und den Anschluss an ein abgesetztes Bedienpanel als Human-Machine-Interface (HMI). Über die HMI kann die simulierte Anlage genauso gesteuert werden wie später die reale Anlage. Fehler in der Umsetzung des Reglerkonzeptes oder suboptimale Regleralgorithmen werden frühzeitig erkannt und behoben.
„Das Bedienpersonal kann zu einem frühen Zeitpunkt eingebunden und geschult werden. Durch all diese Maßnahmen verkürzt sich die Inbetriebnahme vor Ort: Die Kosteneffizienz steigt und die Time-to-Market wird verkürzt“, hebt Gerd Leiprecht abschließend hervor.


 


Über COSATEQ

Die Cosateq GmbH & Co. KG ist ein innovativer Lösungsanbieter mit dem Fokus auf Echtzeitsimulation, Steuerungs- und Regelungstechnik und Hardware. Ein Team von hoch spezialisierten Ingenieuren am Standort Wangen betreut Kunden aus den Branchen Maschinenbau, Automotive sowie Luft- und Raumfahrt. Kernkompetenzen sind die professionelle Simulations- und Regelungstechnik sowie die Prüfstandentwicklung (HiL-/SiL-Simulatoren). Mehr Informationen unter www.cosateq.com


 



Artikel als PDF

Kontakt :: Freecall 0800 10 66 888 :: Tel: + 49 7522 9749 0 :: Fax: + 49 7522 9749 49 :: E-Mail: info@cosateq.com

AGB / Impressum / Scale-rt.com