Aansturen H-brug opstelling d.m.v. servoregelaars, EtherCAT communicatie en softmotion controller geschreven in CodeSys

 

 

Afstudeerproject

H-brug besturing

 

Gerealiseerd met:

Digitax ST regelaars

SM-EtherCAT optiemodules

IPC met touchpanel

CodeSys Developer

 

Afstudeerverslag 

 

Besturing van een H‐brug met Digitax ST servoregelaars, EtherCAT en 

een CodeSys SoftMotion controller. 

      Control Techniques B.V.    Projectnummer: 2011.019    Versie:  2.2    Startdatum: 6‐12‐2010    Einddatum: 31‐05‐2011         

Akkoord Bedrijf :    Akkoord Hogeschool:    Opsteldatum:   06‐06‐2011  Ad van Genderen    Derk Pruisken      Student:  Michael Eling 

Voorwoord 

 

De  aanzet  voor  dit  project  is  afkomstig  van  Control  Techniques  B.V.  Ik  volg  hier  een  duale  opleiding  elektrotechniek.  In  het  kader  van  mijn  afstudeerproject  en  de  groeiende  vraag  in  de  markt is ervoor gekozen een universele motion controller te ontwikkelen. 

 

Dit  rapport  is  bedoeld  voor  alle  betrokkenen  bij  het  afstudeerproject  en  de  beoordeling  ervan.  Hierbij wordt uitgegaan van de aanwezigheid van enige basiskennis binnen de elektrotechniek en  industriële  automatisering.  Het  rapport  geeft  inzicht  in  de  wijze  waarop  het  eindproduct  tot  stand is gekomen door middel van de uitwerking van een vijftal doelstellingen. 

 

Dank  gaat  uit  naar  alle  betrokken  collega’s  binnen  Control  Techniques  B.V.  voor  het  mogelijk  maken  van  dit  afstudeerproject  en  alle  technische  en  financiële  ondersteuning,  Hiflex  Automatiseringstechniek  B.V.  voor  de  geleverde  ondersteuning  voor  CodeSys  en  Stamhuis  Lineairtechniek voor het leveren van de H‐brug en technische ondersteuning. 

   

Samenvatting 

 

 

De  opdracht  bestaat  uit  het  ontwerpen  en  realiseren  van  een  op  CodeSys  gebaseerde  motion  controller voor de aansturing van een twee‐assige mechanische opstelling, aangedreven door één  enkele  tandriem  en  twee  motoren  op  een  vaste  opstelling.  Dit  wordt  ook  wel  een  H‐brug  genoemd vanwege de traditionele H‐vormige opbouw. Hierin wijkt het gebruikte model al gelijk  af, aangezien deze een kruisvormige opstelling betreft. De motion controller zal draaien op een  industriële PC met touchscreen. 

 

De  keuze  voor  het  ontwikkelen  van  dit  positioneersysteem  komt  voort  uit  de  groeiende  vraag  naar totaaloplossingen voor de aansturing van complexe machines. Door gebruik te maken van  de H‐brug kan gedemonstreerd worden waar het systeem toe in staat is en wat de mogelijkheden  en voordelen zijn van het aansturen vanuit een industriële PC. 

 

De  gebruikte  programmeeromgeving  CodeSys  biedt  de  mogelijk  tot  het  schrijven  van  PLC  programma´s, visualisaties en ook motion controllers. Ook kan via CodeSys de aansturing van een  groot  aantal  veldbussen  en  industriële  netwerken  worden  afgehandeld.  CodeSys  werkt  volgens  de IEC 61131‐3 standaard voor industriële  automatisering,  een internationale  programmeertaal  voornamelijk toegepast voor PLC´s. 

 

De  aandrijving  van  de  H‐brug  is  gerealiseerd  met  Digitax  ST  servoregelaars  en  Unidrive  HD  servomotoren, beide van Control Techniques B.V. Via een EtherCAT verbinding worden deze de  regelaars  aangestuurd  vanuit  een  industriële  PC,  waar  een  op  CodeSys  gebaseerde  motion  controller op draait. Door de geschreven software op te splitsen in een aantal hoofdfuncties en  deze  vast  te  leggen  in  functieblokken,  hoeft  men  in  de  toekomst  alleen  de  benodigde  functies  ”aan  elkaar  te  knopen”.  Als  in  de  toekomst  andere  functies  nodig  zijn,  zullen  deze  op  dezelfde  manier  aangemaakt  worden,  zodat  een  steeds  groeiende  bibliotheek  met  functieblokken  ontstaat. 

 

Het gerealiseerde systeem zal gebruikt gaan worden voor beurzen, demonstaties, trainingen en  testopstellingen. Daarom is ervoor gekozen om de Industriële PC in een koffer te bouwen en de  servoregelaars op een los frame te plaatsen. Ook is de H‐brug op een staand frame gemonteerd  en zijn alle aansluitingen voorzien van stekkerverbindingen. Hierdoor is het geheel  makkelijk  te  vervoeren  en  kunnen  de  Industriële  PC  en  de  H‐brug  ook  onafhankelijk  van  elkaar  gebuikt  worden als bepaalde testen dit vereisen. 

 

Op moment van schrijven is het  systeem  al  vertoond op de  MOCON 2011 beurs,  Deze  beurs  is  volledig toegespitst op  motion control en alles wat daarbij komt  kijken.  Het systeem heeft  hier  zijn betrouwbaarheid kunnen bewijzen door twee dagen lang probleemloos te draaien. Hopelijk  is er bij de bezoekers interesse gewekt en kunnen we al op korte termijn het systeem toe gaan  passen in projecten.           

Inhoudsopgave 

 

Voorwoord 

 

Samenvatting 

1. Inleiding   

 

 

 

 

 

 

 

Blz. 6

 

2. Realisatie doelstellingen 

 

 

 

 

 

Blz. 7

 

2.1. Realisatie positioneersysteem

 

 

 

 

 

Blz. 8

 

2.1.1.   Selectie IPC       Blz. 8  2.1.2.   Wiskundig rekenmodel H‐brug         Blz. 12  2.1.3.   Opbouw applicatiesoftware       Blz. 17  2.2. Realisatie EtherCAT communicatie

  

 

 

 

Blz. 21

 

2.2.1.   De opstelling       Blz. 21  2.2.2.   EtherCAT protocol       Blz. 22  2.3. Realisatie elektromechanisch model

 

 

 

 

Blz. 23

 

2.3.1.   Selectie aandrijving       Blz. 23  2.3.2.   De motorterugkoppeling       Blz. 27  2.3.3.   De Servoregelaar       Blz. 28  2.4. Realisatie universele motion controller        Blz. 29  2.4.1.   Brandlabel       Blz. 29  2.4.2.   Aanmaken functieblokken       Blz. 29  2.4.3.   Visualisatie       Blz. 36  2.5. Systeem voor dagelijks gebruik

  

 

 

 

 

Blz. 37  2.5.1.   CodeSys in testopstellingen       Blz. 37  2.5.2.   Beursdemonstraties       Blz. 37 

3. Conclusies  

 

 

 

 

 

 

 

Blz. 40 

4. Aanbevelingen   

 

 

 

 

 

 

Blz. 40 

5. Bronnenlijst 

 

 

 

 

 

 

 

Blz. 41

 

 

Bijlagen   

 

 

 

 

 

 

 

Blz. 42

 

  Bijlage 1: Project management document      Blz. 43

 

  Bijlage 2: Flowchart            Blz. 57    Bijlage 3: Planning              Blz. 58    Bijlage 4: Datasheet H­brug          Blz. 59    Bijlage 5: CodeSys programma versie1        Blz. 61    Bijlage 6: CodeSys programma versie2        Blz. 74    Bijlage 7: Testrapporten servomotoren       Blz. 96 

 

6

 

Inleiding 

 

Als fabrikant van elektrische aandrijvingen en leverancier van oplossingen in aandrijftechniek en  automatisering,  krijgt  Control  Techniques  B.V.  steeds  meer  vraag  naar  totaaloplossingen  voor  positioneersystemen.  

 

Tot op heden leverde zij voor een groot aantal klanten al de elektrische aandrijvingen in de vorm  van servomotoren en bijbehorende regelaars. Echter de bovenliggende aansturing in de vorm van  een motion controller heeft zij niet in het pakket. Om ook hier in te kunnen voorzien is er voor  gekozen  een  Motion  Controller  te  ontwikkelen  op  basis  van  CodeSys  Developer.  Dit  is  een  geavanceerd  softwarepakket,  waarin  zowel  PLC‐programma’s  als  motion  controllers  en  visualisatie schermen geschreven kunnen worden. 

 

Tijdens  het  project  zal  een  motion  controller  voor  zowel  complexe  systemen  als  simpele  aandrijvingen  van  diverse  grootte  en  omvang  gerealiseerd  worden.  Het  geheel  moet  kunnen  werken op een industriële PC, zonder hierin merkgebonden te zijn. De industriële PC moet zowel  stand‐alone  als  onder  een  bovenliggend  systeem  kunnen  draaien  en  direct  kunnen  communiceren met de elektrische aandrijvingen die hij bestuurt. 

 

Dit  verslag  is  een  weergave  van  de  werkzaamheden  en  vorderingen  gedurende  de  afstudeerperiode. In hoofdstuk 2 wordt het hoofddoel uitgewerkt zoals vooraf vastgelegd in het  opgestelde  PMD.  De  doelstelling  is  uitgewerkt  in  een  vijftal  subdoelen,  zoals  weergegeven  in  hoofdstuk 2.1 t/m 2.5. In deze hoofdstukken wordt uitleg gegeven over de gemaakte keuzes en  geven  inzicht  in  hoe  het  uiteindelijke  systeem  tot  stand  is  gekomen.  Het  PMD  en  verdere  relevante  documenten  zijn  bijgevoegd  in  bijlagen  1  t/m  7.  Waar  nodig  zullen  in  het  verslag 

 

7

 

Realisatie doelstellingen 

 

Voorafgaand  aan  het  project  is  er  een  PMD  opgesteld  waarin  alle  doelstellingen  vastgesteld  en  uitgewerkt zijn. Aan de hand hiervan is een lijst met activiteiten met een globale tijdsplanning opgezet.  Om  een  duidelijk  beeld  te  scheppen  van  de  gemaakte  vorderingen,  zullen  de  reeds  afgeronde  werkzaamheden toegelicht worden. In bijlage 1  is het PMD te vinden waarin alle activiteiten uitgewerkt  zijn,  Hier zullen verder alleen de doelstellingen en de behaalde resultaten vermeld worden. 

 

Hoofddoel 

 

Aan  het  einde  van  het  project  zal  een  positioneringsysteem  zijn  ontwikkeld  dat  in  staat    is  tweedimensionale  vormen  te  tekenen  op  een  vel  papier.  Hiervoor  zal  een  twee‐assig  servosysteem  gebruikt gaan worden, aangedreven door Control Techniques servoregelaars en motoren.  Doel 1  Aan het einde van dit project is een positioneringsysteem gerealiseerd op basis van een CodeSys  programmeeromgeving, draaiende op een geschikte Industriële PC (IPC).  Doel 2  De IPC en de servoregelaars zullen onderling communiceren door middel van een EtherCAT  verbinding, gerealiseerd met een geschikte netwerkadapter voor de IPC, SM‐EtherCAT  optiemodules voor de servoregelaars en standaard CAT5e Ethernetkabel.  Doel 3  Het systeem zal geschikt zijn voor de aandrijving van een reeds bestelde H‐brug met twee servo‐ assen, die worden aangestuurd met Digitax ST servoregelaars van  Control Techniques.  Doel 4 

Het  eindproduct  is  reproduceerbaar  voor  verkoopdoeleinden  en  is  aan  te  passen  voor  de  aansturing  van  3  of  meer  assen.  In  overleg  met  de  fabrikant  van  de  IPC  zal  deze  een  Control  Techniques brandlabel krijgen. 

Doel 5 

De IPC en bijbehorende software kan intern gebruikt worden voor trainingen en testopstellingen,  om de kennis van de CodeSys programmeeromgeving te vergroten. 

 

8

 

2.1 Realisatie positioneersysteem 

Aan het einde van dit project is een positioneringsysteem gerealiseerd op basis van een  CodeSys programmeeromgeving, draaiende op een geschikte Industriële PC (IPC).      2.1.1 Selectie IPC    Om duidelijk een beeld te scheppen van de structuur van het systeem is eerst een flowchart opgezet  waarin de onderlinge verhoudingen van alle componenten duidelijk naar voren komt. Deze flowchart  is opgenomen in bijlage 2.   

Vervolgens  is  er  grondig  onderzoek  gedaan  naar  de  werking  en  voornamelijk  de  beperkingen  van  CodeSys en de benodigde hardware. Hieruit blijkt al snel dat voor de EtherCAT verbinding maar een  beperkt  aantal  netwerkkaarten  geschikt  is.  Uit  het  onderzoek  is  de  volgende  lijst  met  systeemvereisten naar voren gekomen.  Industriële Panel­PC:   Doorbouw   Voet/flens montage   24 VDC of 230 VAC supply   Mogelijkheid uitbreiding met UPS  Hardware:   1 GB RAM   1 GHz Pentium of gelijkwaardig   1 GB hard disk  Touchpanel:   Minimale resolutie 1024 x 768  2 Ethernet controllers:   10/100 Mbit voor EtherCAT:  IntelPro100  RTL8139  RTL8169   10/100/1000 Mbit voor netwerk  Interfaces:   USB   RS232  Software:   Windows XP of XPe   CodeSys V3   CodeSys RTE   CodeSys Visualisation       

 

9

  Aan de hand van de systeemvereisten van CodeSys en de benodigde performance, is een Panel‐PC  geselecteerd met touchscreen en Windows XP besturingsysteem. De keuze voor zowel het merk als  type is gemaakt door geschikte IPC’s van een aantal fabrikanten te vergelijken volgens bovenstaande  systeemvereisten  en  de  mogelijkheid  tot  brandlabelen.  Dit  heeft  geleid  tot  de  volgende  productvergelijking:  Duranmatic      Fabrikaat: Winmate Panel PC’s    Type: T‐serie I570     Touchpanel optioneel, keuze uit:  o Resistief  o Infrarood  o SAW   Grafisch krachtig, hoge resolutie heldere beeldschermen   Veel verschillende bouwvormen:  o Panel  o Rack  o Chassis  o Open frame  o Rear Mount   Standaard NIC niet geschikt voor EtherCAT   Evt. geschikte NIC via beschikbaar PCI‐slot   Standaard 12V DC gevoed, met losse 230V AC adapter   Optioneel 24V DC gevoed (Adapter/Intern?)   Leverbaar met WindowsXP(e) of Linux   Fanless systeem (geluidloos)   Zeer laag energieverbruik (80W)   Leverancier in Dordrecht   Opslagmedia: 2,5” SATA   Ingebouwde geluidskaart   Leverbaar in verschillende schermafmetingen  Telemeqanique    Fabrikaat: eigen  Type: vrij samen te stellen 

 Modulair  systeem  (Control  panel,  CPU‐unit,  optiesloten  en  voeding  in  losse  componenten)   Display met touch‐screen of membraam toetsenbord   Display gemaakt voor doorbouw in wand   Overige units als koppelbaar systeem (control box) inbouw in kast   Volledig samen te stellen naar wens   Control box neemt zeel veel ruimte in   Relatief hoog energieverbruik. (120‐350 W, afhankelijk van samenstelling)   

 

 

 

1

0

  ESA    Fabrikaat: eigen  Type: XS615   Standaard uitgevoerd met touch screen   Standaard NIC niet geschikt voor EtherCAT   Evt. geschikte NIC via beschikbaar PCI‐slot   Standaard 24 VDC gevoed   Zeer laag energieverbruik (80 W)   Diverse opslagmedia leverbaar:  o CompactFlash (1/2/4 GB)  o HDD (80 GB/120 GB SATA)  o 8 GB Solid‐State   Leverbaar met WindowsXP(e)  Hiflex    Fabrikaat: MSC‐Tuttlingen   Leverbaar in custom design (logo)  Type: TC/BC   Standaard uitgevoerd met touch screen   EMC‐afgeschermde behuizing   Leverbaar in 12,1” en 17”   Doorbouw of flensbevestiging   Voorzien van 1 Ethernet connectie (type navragen)   Standaard 24V DC gevoed   Zeer laag energieverbruik (gemiddeld 30‐50 W, max: 75 W)   Leverbaar met Windows XPe   Opslag op CompactFlash (512 MB tot 4 GB)   Fanless systeem (geluidloos)  Type: BeBo   Standaard uitgevoerd met touch screen   EMC‐afgeschermde behuizing   Leverbaar in 12.1/15/17/19”   Doorbouw   Voorzien van 2 Ethernet connecties (type navragen)   Evt. geschikte NIC via beschikbaar PCI‐slot   Optie tot uitbreiding met fieldbus:  o CANopen  o InterBus  o ProfiBus   Standaard 24 VDC gevoed   Energieverbruik afhankelijk van beeldformaat en performance‐level (max 115 W)   Leverbaar met WindowsXP   Opslag op CompactFlash (512 MB tot 4 GB)   Fanless systeem mogelijk (geluidloos)   High‐performance uitvoering leverbaar (met fan)   

 

1

1

  De IPC van Telemeqanique valt al  vrij  snel af. Deze is volledig modulair opgebouwd wat handig  kan zijn, maar in dit geval zoeken we een compact lichtgewicht systeem. 

Ook  de  IPC’s  van  Hiflex  vallen  af.  De  IPC’s  zijn  wel  geschikt  maar  Hiflex  is  op  het  gebied  van  motion control directe concurrentie en daarom is er vanuit Control Techniques besloten om hier  geen IPC’s te kopen. 

 

Na deze eerste selectie zijn er nog twee systemen over, de IPC van Duranmatic en van ESA. Beide  systemen  voldoen  volledig  aan  de  gestelde  eisen  maar  ESA  is  meer  gericht  op  industriële  toepassingen  dan  Duranmatic  en  levert  dan  ook  robuustere  systemen  voor  zwaar  industrieel  gebruik. Ook hebben we met ESA al goede ervaringen op het gebied van HMI’s en touchpanels.   

 

1

2

  2.1.2 Wiskundig rekenmodel H­brug 

 

Door  de  complexe  opbouw  van  de  H‐brug  is  het  toepassen  van  een  standaard  twee‐assige  aansturing, waarbij zowel de X‐as als de Y‐as een eigen motor heeft niet mogelijk. 

Om  het  werkingsprincipe  van  de  H‐brug  te  begrijpen  en  te  kunnen  vertalen  naar  een  werkend  programma, is een wiskundige benadering gemaakt van het bewegingsprincipe. 

 

Om een gewenste verplaatsing te realiseren onder een bepaalde hoek, dienen de twee motoren  samen te werken. Uit het model in de databladen van de H‐brug kan het werkingsprincipe van de  opstelling  bepaald  worden.  Hieruit  is  op  de  maken  dat,  in  tegenstelling  tot  conventionele  portaalmachines, niet iedere bewegingsas een eigen motor heeft. 

 

Bij  een  conventionele  portaalmachine  zal  het  aansturen  van  één  motor  resulteren  in  een  rechtlijnige verplaatsing over de betreffende as. Zo zal het aandrijven van beide assen met gelijke  snelheid,    een  verplaatsing  onder  een  hoek  van  45  graden  tot  gevolg  hebben.  Dit  vergelijkend  met de H‐brug komt men al snel tot de conclusie dat hier een heel ander principe van toepassing  is. Zo zal het aansturen van één as resulteren in een verplaatsing onder een hoek van 45 graden,  en zal men voor een horizontale en verticale verplaatsing beide motoren met dezelfde snelheid  moeten aansturen. Dit resulteert in het volgende principe:       

Als  beide  assen  in  dit  voorbeeld  met  gelijke  snelheid  worden  aangedreven  kan  geconcludeerd  worden  dat  bij  gelijke  draairichting  een  horizontale  verplaatsing  plaatsvindt,  en  bij  een  tegenovergestelde  draairichting  een  verticale  verplaatsing.  Bij  een  diagonale  verplaatsing  niet  gelijk  aan  45  graden,  zal  een  verhouding  in  snelheid  berekend  moeten  worden  voor  beide  motorassen. 

 

1

3

      Om dit te realiseren kan het model opgesplitst worden in vier kwadranten, elk een bereik van 90  graden bevattend. Per kwadrant kan voor beide assen de draairichting bepaald worden, en kan  bepaald  worden  welke  as  de  maximale  snelheid  mag  behalen  en  welke  as  geschaald  moet  worden.    Kwadrant 1  As 1: positief  maximale  snelheid  As 2:  geschaald  Kwadrant 2  As1:  geschaald   As 2: negatief  maximale  snelheid  Kwadrant 4  As 1:  geschaald   As 2: positief  maximale  snelheid  Kwadrant 3  As 1: negatief  maximale  snelheid  As 2:  geschaald    De  kwadranten komen overeen met de richting van de opgegeven verplaatsing. De verhouding  tussen  de  twee  assen  is  per  kwadrant  hetzelfde,  echter  verandert  het  voorteken  van  de  te  schalen as afhankelijk van het kwadrant. Voor een beter beeld van de werking van de H‐brug, kan  de invloed van iedere aandrijfas afzonderlijk bestudeerd worden. 

 

Bij  het  aansturen  van  aandrijfas  1  zal  de  H‐brug  als  volgt  bewegen,  afhankelijk  van  de  draairichting van de as:                                            aandrijfas 1 

 

1

4

  Bij het aansturen van aandrijfas 2 zal de H‐brug volgens onderstaande illustratie bewegen. Bij het  aansturen van beide assen kunnen de vectoren van de verplaatsing bij elkaar opgeteld worden  waardoor het systeem onder iedere gewenste hoek kan verplaatsen en iedere positie binnen de  opstelling bereikt kan worden.        aandrijfas 2 

 

1

5

  Vanuit  de  verplaatsing  over  de  X‐as  en  Y‐as  in  mm  kan  de  totale  verplaatsing  onder  hoek  α  berekend worden. Deze verplaatsing kan opgesplitst worden in een component geleverd door as  1 en een component geleverd door as 2. Deze componenten staan lijnrecht op elkaar en onder  een hoek van 1/4π –α ten opzichte van de totale verplaatsing.                              De afgelegde weg kan berekend worden met de volgende vergelijkingen:            sin 1 4     sin 1 4     Uit de databladen is op te maken dat de H‐brug een overbrenging heeft van 160 mm/omw. Dus  één omwenteling levert een verplaatsing van 160 mm op. Aan de hand van deze gegevens kan  het benodigde aantal omwentelingen per as bepaald worden voor de berekende verplaatsing.    . /160    Vanuit de verplaatsing kan een maximaal toegestane snelheid worden berekend per as. Hierbij is  de  verhouding  in  snelheid  gelijk  aan  de  verhouding  in  verplaatsing,  met  als  voorwaarde  dat  de  snelheid van de gecombineerde beweging niet  hoger is dan de maximale waarde opgegeven in  de  databladen  van  de  H‐brug.  Hierin  word  een  maximale  snelheid  van  V=4  m/s  opgegeven.  Uitgaande  van  de    overbrenging  van  de  H‐brug  van  160  mm/omw.  komt  dit  op  het  volgende  toerental uit:    4000 160 60 1500 /       X  Stotaal  Sas1  Sas2  1/4π –α α  0rad.  1/2 πrad.  Y 

 

1

6

  Om  op  een  gecombineerde  snelheid  van  maximaal  4  m/s  uit  te  komen  zal  de  verhouding  in  snelheid  tussen  de  beide  assen  berekend  moeten  worden.  Deze  verhouding  is  gelijk  aan  de  verhouding in verplaatsing per as ten opzichte van de totale verplaatsing.    1500     1500     Direct van positieopdracht naar snelheid per as komt dit op het volgende neer:    1500 sin 1 4     1500 sin 1 4    

Ter  controle  kan  de  snelheid  van  beide  assen  teruggerekend  worden  naar  een  totale  snelheid.  Aangezien  de  vectoren  van  beide  assen  loodrecht  op  elkaar  staan,  mag  dit  eenvoudig  met  de  stelling van Pythagoras. 

 

60 1000 160 4 /  

 

Deze  formule  kan  gebruikt  worden  voor  ieder  kwadrant.  Hierbij  dient  rekening  gehouden  te  worden met het voorteken van n1 en n2, afhankelijk van het kwadrant.    Deze vergelijking voorziet echter niet in een X of Y verplaatsing gelijk aan 0, dus een horizontale  of verticale beweging. Aangezien in dit geval de verplaatsing voor as 1 en as 2 even groot is, is de  snelheid voor beide assen ook even groot. Ook dienen beide vectoren opgeteld weer 4 m/s dus  1500 rpm te zijn.    1500    1500         1500 2     1500 2     1060,660172

 

   

 

1

7

    2.1.3 Opbouw applicatiesoftware    De software voor de Motion Controller is geschreven en getest in een demoversie van CodeSys, dit  om er zeker van te zijn dat het pakket voldoet aan de eisen, alvorens een dure licentie te kopen.    De software is opgebouwd uit functieblokken en globaal opgedeeld in drie programma’s:     CNC controller (CNC_Control)   Home functie (SM_Home)   Motion controller (SM_PosControl)    Verder bevat de software een globale variabelenlijst (GVL), een visualisatiescherm en een EtherCAT  master met een slave configuratie. In CodeSys wordt dit weergeven in een zogeheten Device Tree,  die er als volgt uitziet. De programma’s en de GVL zijn terug te vinden in bijlage 5.          EtherCAT configuratie Visualisatie Task manager  Programma’s  GVL 

 

1

8

 

Uitleg programma’s 

CNC controller    Dit programma leest coördinatenlijsten met een *.txt extensie vanaf de harde schijf en vertaalt  deze  naar  een  bewegingsprofiel  voor  de  motion  controller.  Ook  controleert  dit  programma  op  scherpe  bochten  in  de  uit  te  voeren  beweging.  Vormen  als  bijvoorbeeld  een  driehoek  kunnen  namelijk niet in één vloeiende beweging getekend worden. Zowel de regelaar als de motor zullen  theoretisch  een  oneindig  grote  versnelling  moeten  genereren  om  dit  te  kunnen  doen.  Het  programma corrigeert dit door op de kritieke punten te stoppen en vervolgens pas de bocht te  maken.               

S

(t) 

V

(t) 

A

(t)  Zonder correctie  Met correctie 

 

1

9

  Home functie      Deze functie stuurt de H‐brug naar een vast nulpunt, in dit geval linksonder. Omdat de motoren  voorzien  zijn  van  absoluut  encoders,  is  er  voor  de  home  functie  geen  schakelaar  nodig  op  de  opstelling.  De  absoluut  encoders  geven  een  vaste  waarde  voor  iedere  positie  van  de  motoras,  zelfs nadat de motoren spanningsloos zijn geweest. Dit betekent dat er alleen een offset gegeven  hoeft te worden voor de herkenning van de nulpositie.        De offset is gelijk aan de encoderpositie van beide motoren op de gewenste X/Y positie van de  opstelling.  Deze  kan  dus  eenvoudig  ingesteld  worden  door  de  opstelling  handmatig  op  de  gewenste positie te zetten en de waarde van de encoders uit te lezen. 

 

 

Om  het  uitlijnen  te  vereenvoudigen,  zijn  de  encoderposities  en  X/Y  coördinaten  zichtbaar  gemaakt in de visualisatie.      (0,0)  Home (X,Y) Encoder B Encoder A  Encoder  positie  Home  positie  Offset 

 

2

0

  Motion controller 

 

De  motion  controller  verwerkt  de  positieopdrachten  vanuit  de  CNC  controller  en  verzorgt  de  start/stop  en  reset  logica  van  de  regelaars.  De  positieopdrachten  worden  verwerkt  door  een  interpolator.  De  interpolator  berekent  aan  de  hand  van  de  ruwe  positieopdrachten  het  benodigde  bewegingsprofiel  voor  zowel  de  X‐  als  Y‐as.  Hierdoor  ontstaat  er  een  soepele,  gecontroleerde  beweging.  De  bewegingsprofielen  worden  vervolgens  omgerekend  naar  bewegingsprofielen  voor  de  motorassen.  Hiervoor  wordt  het  eerder  behandelde  wiskundige  model gebruikt. 

 

De  geïnterpoleerde  bewegingsprofielen  voor  de  motorassen  worden  verder  verwerkt  door  een  tweetal positiecontrollers en vervolgens naar de EtherCAT master verstuurd. Voor de visualisatie  is  er  nog  een  rekenfunctie  gemaakt,  die  de  actuele  encoderposities  terugvertaalt  naar  X/Y  coördinaten. Dit is nodig omdat er alleen een terugkoppeling is op de motorassen en niet op de 

 

2

1

 

2.2 Realisatie EtherCAT communicatie 

De  IPC  en  de  servoregelaars  zullen  onderling  communiceren  door  middel  van  een  EtherCAT  verbinding,  gerealiseerd  met  een  geschikte  netwerkadapter  voor  de  IPC,  SM­ EtherCAT optiemodules voor de servoregelaars en standaard CAT5e Ethernetkabel.      2.2.1 De opstelling      Er is een testopstelling gebouwd met twee regelaars met servomotoren en EtherCAT optiemodules,  aangesloten op de IPC met CodeSys. De IPC functioneert nu als Motion Controller en als master voor  de EtherCAT bus.       

  In  CodeSys  wordt  alleen  een  EtherCAT  master  aangemaakt  en  moeten  de  regelaars  toegevoegd  worden als slaves. De gegevens van de regelaars kunnen uitgelezen worden vanuit een xml bestand.  Dit bestand bevat alle communicatie instellingen en standaard benamingen. Deze xml bestanden zijn  beschikbaar op een afgeschermd deel van de Control Techniques website.      IPC  ‐Motion controller  ‐EtherCAT master  Motor A Motor B Servoregelaars EtherCAT modules Encoders

 

2

2

    2.2.2 Het EtherCAT protocol 

 

  De  master  communiceert  met  de  slaves  via  een  DSP402  protocol.  Dit  is  een  gestandaardiseerd  protocol voor motion toepassingen. DSP402 maakt gebruik van Process Data Objects (PDO’s). Dit zijn  pakketten waarin een bepaalde hoeveelheid informatie verzonden en ontvangen kan worden. Er is  een  opsplitsing  gemaakt  tussen  verzenden  en  ontvangen  door  RxPDO’s  (receive)  en  TxPDO’s  (transmit) te gebruiken. Deze PDO’s bevatten informatie over de bestemming,  de afzender en de te  schrijven en/of te lezen objecten. In de handleiding van de EtherCAT module is de functie, opbouw  en adressering van de verschillende objecten vastgelegd.   De  adressering    is  in  Hexadecimale  code  en is als volgt opgebouwd:   Object index nummer:   (0x0000)   Object sub‐index nummer:  (0x00)   Grootte in Bytes:    (1‐4)      Om bijvoorbeeld te schrijven naar parameter 20.21 van de regelaar, dit is een vrij programmeerbaar  32‐bits datawoord in menu 20, moet het volgende adres gebruikt worden:   Index 0x2000 + menu nummer   Sub index 0x00 + parameter nummer   Grootte 4 (32 bits = 4 bytes)   

Het  getal  20  decimaal  is  14  in  Hexadecimaal,  21  is  15  in  Hexadecimaal.  Het  adres  van  parameter  20.21 is dus 0x2014, sub 0x15, size 4. De benodigde PDO’s voor de positiecontroller zijn al vastgelegd  in CodeSys en hier hoeft dan ook niets aan gedaan te worden. CodeSys wijst ook adressen toe aan de  indexen voor gebruik binnen de PLC logica volgens de vaste IEC 61131‐3 norm voor PLC software.  De  toewijzing  van  parameter  20.21  in  CodeSys  zal  er  dan  als  volgt  uitzien:  %QW0  (Q=uitgaand,  W=Datawoord, 0= adres 0). 

 

In het DSP402 protocol zijn ook standaard functies vastgelegd voor homing, storingsafhandeling en  start/stop logica. Deze homing functies zijn echter alleen geschikt voor standaard X/Y modellen en  niet  voor  de  complexe  aansturing  van  onze  opstelling.  Vanuit  veiligheid  is  ervoor  gekozen  om  de  storingsafhandeling  en  start/stop  logica  hardwarematig  af  te  handelen.  Dit  betekent  dat  de  reeds  ingestelde PDO’s voldoende zijn voor de communicatie met de regelaars.      Om de regelaars goed te laten werken in combinatie met de motion controller moet de IPC weten  hoeveel encoderpulsen hij kan verwachten per omwenteling en wat de totale overbrenging is vanaf  de motoras tot aan de lineaire beweging van de opstelling. Deze gegevens kunnen ingevoerd worden  in de instellingen van de EtherCAT slaves.   

  Tijdens  het  opzetten  van  de  communicatie  ontstaan  al  vrij  snel  problemen.  De  EtherCAT  bus  lijkt  hardwarematig  goed  te  werken,  maar  de  master  lijkt  geen  verbinding  te  kunnen  maken  met  de  regelaars. Na contact opgenomen te hebben met de Nederlandse distributeur, blijkt dat zij hier ook  niet direct een oplossing voor hebben. Na veel zoekwerk blijkt een software update voor CodeSys de  oplossing te zijn, echter is hierover geen enkele informatie te vinden op de website van de fabrikant.      Na de uitgevoerde update werkt de EtherCAT verbinding uitstekend en kan begonnen worden met  het testen van de reeds geschreven motion software. Aan de hand van de wiskundige benadering en  de verplaatsing van de motorassen kan bepaald worden of de ontwikkelde motion controller correct  werkt en de opgegeven X/Y coördinaten correct vertaalt naar motorposities, zonder de limieten te  overschrijden. 

 

2

3

 

2.3 Realisatie elektromechanisch model 

Het systeem zal geschikt zijn voor de aandrijving van een reeds bestelde H­brug met twee  servo­assen,  die  worden  aangestuurd  met  Digitax  ST  servoregelaars  van    Control  Techniques. 

   

  2.3.1 Selectie aandrijving   

   

  Voor  de  Selectie  van  een  geschikte  aandrijving  is  gebruik  gemaakt  van  CTsize.  Dit  is  een  selectieprogramma  van  Control  Techniques.  In  CTsize  kunnen  alle  mechanische  gegevens  en  het  benodigde dynamisch gedrag van de opstelling ingevoerd worden. Omdat CTsize geen H‐brug kent is  er voor een lopende band gekozen. Deze heeft hetzelfde gedrag als de Tandriem in de H‐brug maar  beschikt maar over één motor, hier dient rekening mee gehouden te worden bij de berekening.   

  Als  er  vanuit  één  motor  wordt  uitgegaan  zijn  de  volgende  gegevens  van  toepassing  voor  de  loopwielen en aandrijving.   omtrek = 160mm   Massa = 4Kg   Diameter  50,93     De resulterende Massatraagheden worden door CTsize berekent.     

 

2

4

    De  volgende  stap  is  het  opgeven  van  het  gewenste  bewegingsprofiel.    Er  is  voor  gekozen  het 

dynamisch gedrag voor het maken van een vierkant en een driehoek in te vullen aangezien dit de  zwaarste bewegingen zijn.              Vierkant    BxH = 200x200 mm    Acceleratie =7.5 m/s2             Driehoek      BxH = 200x200 mm      schuine zijde =   200 √2 282.843      Acceleratie =7.5 m/s2     

 

2

5

    Na  het  invoeren  van  alle  mechanische  gegevens  en  het  gewenste  bewegingsprofiel  kan  nog  een 

reductie  opgegeven worden zoals  een  tandwiel,  reductiekast, of tandriem.  Er is  voor gekozen een  haakse  reductiekast  te  plaatsen  met  een  ratio  van  5:1.  Hierdoor  kunnen  relatief  kleine  motoren  worden geplaatst omdat het koppel bijna 5 maal hoger is aan de uitgaande as van de reductiekast.  Door de keuze voor de haakse reductiekast zullen de motoren ook niet recht naar voren steken als  deze op de H‐brug worden gebouwd. De massatraagheid en het rendement van de reductiekasten  zijn uit de specificaties van de fabrikant gehaald.          De laatste stap is het opgeven van het type regelaar en motor dat gebruikt moet worden voor de  selectie.  CTsize  zal  vervolgens  opgeven  welke  vermogens  van  deze  types  geschikt  zijn  voor  de  aandrijving  en  welke  veiligheidsmarges  deze  hebben.  Afhankelijk  van  de  verwachte  omgevingstemperatuur, bedrijfsduur en mogelijk  zwaardere belastingen  in de  toekomst  moet een  veiligheidsmarge in acht genomen worden. 

 

 

2

6

    De  keuze  voor  een  Digitax  ST  servoregelaar  stond  al  vast,  echter  kan  in  CTsize  een  geschikt  type 

geselecteerd worden met voldoende vermogen. De keuze voor een bepaald type regelaar en motor  is  soms  een  kwestie  van  proberen.  CTsize  geeft  vervolgens  aan  of  deze  keuze  voldoet  en  hoeveel  marge  er  nog  is.  De  uiteindelijke  keuze  is  een  Digitax  ST1204  met  een  unimotor  HD  6000RPM  servomotor geworden. hieronder is te zien wat dit betekent voor het systeem. hierin is de koppel‐ toeren karakteristiek van de motor uitgezet en is met kruisjes de benodigde waarde weergegeven.    Zolang deze binnen de overeenkomstige lijn blijven betekent dit dat de aandrijving geschikt is.           

  In  bovenstaande  resultaten  is  duidelijk  te  zien  dat  de  motor  veel  groter  is  dan  nodig.  Door  leveringsproblemen  met  een  aantal  typen  motoren  is  dit  het  enige  geschikte  model  wat  binnen  korte  tijd  geleverd  kan  worden.  De  keuze  voor  een  bepaalde  aandrijving  wordt  dus  niet  alleen  bepaald door de toepassing, maar ook door de levertijden van de aandrijving. 

   

  Na  het  maken van de  selectie zijn  de  motoren  en reductiekasten  besteld. Het  aanbouwen  van  de  reductiekasten  aan  de  motoren  doen  we  zelf.  De  motoren  worden  na  het  aanbouwen  van  de  reductiekasten eerst getest volgens de standaard testprocedures van Control Techniques, dit om een  goede werking te garanderen en te controleren of de reductiekasten correct zijn gemonteerd. Een  verkeerde  montage  of  productiefouten  kunnen  leiden  tot  excessieve  slijtage,  defecten  of  oververhitting van de motoren door de wrijving. Door te controleren op “vreemde”geluiden tijdens  het  draaien  en  het  meten  van  motorstromen  en  warmteontwikkeling  na  ongeveer  een  half  uur  draaien, kan bepaald worden of de reductiekasten correct zijn aangebouwd. Na het afronden van  de testprocedure wordt een testformulier ingevuld. Hierin zijn de testresultaten van de motoren  vastgelegd. De testformulieren zijn bijgevoegd in bijlage 7.  

   

 

2

7

  2.3.2 De motorterugkoppeling      Als terugkoppeling voor de snelheid en positie is gekozen voor SinCos EnDat 2.1 Servo encoders.  Dit  houdt  in  dat  de  encoder  eigenlijk  drie  verschillende  functies  bevat.  Om  de  werking  van  de  encoders te kunnen begrijpen, wordt hier op de volgende pagina’s dieper op in gegaan.  

 

Om  de  dataoverdracht  van  de  encoders  betrouwbaar  te  maken,  wordt  er  gebruik  gemaakt  van  een  differentiële  overdracht,  waarbij  voor  ieder  signaal  een  geïnverteerd  signaal  wordt  meegezonden.  Dit  principe  komt  overeen  met  het  RS485  protocol,  wat  veel  voor  veldbussen  wordt gebruikt. 

 

 SinCos 

 

Dit  is  de  positieterugkoppeling  van  de  encoder.  Deze  werkt  met  een  Sinus‐  en  een  Cosinus generator, die beide 4096 golven per motoromwenteling maken. Door deze  signalen  te  interpoleren,  kunnen  er  40962  =  16777216  unieke  posities  per  omwenteling  geproduceerd  worden.  Verder  wordt  er  per  omwenteling  nog  een  derde  signaal  gegenereerd  om  de  omwentelingen  te  tellen.  Ook  dit  signaal  bevat  4069 pulsen. Dit betekent dus dat de encoder totaal 16777216 X 4069 unieke posities  kan onderscheiden.       SinCos signalen in de encoder.    Als de maximale waarde echter overschreden wordt, zal de encoder weer beginnen  met aftellen naar nul en dus zal een negatieve positieterugkoppeling ontstaan, met  als  gevolg  een  snel  groeiende  volgfout  die  de  regelaar  zal  proberen  te  corrigeren  door te versnellen met als gevolg een nog sneller toenemende volgfout. De meeste  regelaars  kunnen  dit  detecteren  en  ingrijpen.  Voor  alleen  een  snelheidsregeling  zal  de  regelaar  dit  corrigeren  en  gewoon  doordraaien.  Voor  een  positieregeling  zal  de  regelaar  echter  geen  andere  keuze  hebben  dan  stoppen  en  een  foutmelding  genereren.  Bij  het  monteren  van  de  motoren  op  de  opstelling  moet  er  dus  voor  gezorgd worden dat de motoren de maximale positie niet overschrijden. 

   

 

2

8

     EnDat 2.1   

EnDat  2.1  is  een  communicatieprotocol,  speciaal  voor  encoders  en  kan  voor  verschillende  doeleinden  gebruikt  worden.  De  verbinding  kan  gebruikt  worden  als  positieterugkoppeling,  klokpuls  voor  synchronisatie  en  voor  het  opslaan  van  motorgegevens.  De  positieterugkoppeling  wordt  in  ons  geval  niet  gebruikt,  deze  is  namelijk  hetzelfde  als  de  SinCos  signalen,  alleen  beperkt  door  de  Baudrate  van  het  datakanaal. Bij hoogdynamische systemen levert dit vervelende vertragingen op in de  terugkoppeling.  De  klokpuls  en  de  mogelijkheid  tot  dataopslag  zijn  echter  wel  interessant.  Zo  kan  de  klokpuls  gebruikt  worden  als  watchdog  timer  om  een  constante terugkoppeling te garanderen. En de dataopslag kan de totale motormap  bevatten,  hierin  staan  alle  belangrijke  gegevens  van  de  motor  en  de  encoder  opgeslagen. 

 

Eenmaal  goed  ingesteld  en  opgeslagen  hoeft  men  bij  het  inregelen  alleen  maar  de  motormap  uit  te  lezen.  Hierin  staan  de  instellingen  voor  de  encoder  en  alle  parameters  voor  de  servomotor,  zoals  toerental,  motorpolen,  nominale  motorstroom, maximale spanning, koppelconstante, maar ook de ideale instellingen  voor de versterkingsfactor Kp en Ki van de koppelregeling. 

 Servo 

 

Dit is het belangrijkste signaal om de motor aan te kunnen sturen. In tegenstelling tot  een  normale  Asynchrone  3  fasen  motor,  heeft  de  servomotor  een  permanent  magnetische rotor en vaak een veel groter aantal motorpolen. Dit heeft als voordeel  dat de motor geen slip en een vaste koppelconstante heeft. Echter betekent dit wel  dat  de  regelaar  verteld  moet  worden  welke  motorfase  hij  op  welk  moment  moet  aansturen, afhankelijk van de positie van de rotor. Bij een normale Asynchrone motor  gaat dit vanzelf, doordat de rotor gemagnetiseerd wordt door de statorstroom.   

Door middel van een terugkoppeling van U,V, en W signalen vanuit de encoder, weet  de  regelaar  welke  fase  hij  op  welk  moment  moet  aansturen.  Dit  heeft  dus  wel  gevolgen voor de plaatsing van de encoder op de motoras, Als de UVW signalen van  de encoder  te  veel  verschillen  met  de rotorpositie klopt de terugkoppeling  naar  de  regelaar niet. Een paar graden afwijking kan in de regelaar nog gecorrigeerd worden  via een phasingparameter. Hier is het verschil tussen de rotor en encoder vastgelegd.   Dit ziet er als volgt uit:      UVW‐signalen in de encoder.      Phasing in de regelaar.     Rotor  positie Encoder  positie Phasing 

 

2

9

    De  geselecteerde  servomotoren  bepalen  het  benodigde  vermogen  voor  de  servoregelaars.  Deze 

regelaars kunnen al direct op een vaste opstelling gemonteerd worden en ingeregeld worden voor  gebruik met de servomotoren en aansturing via EtherCAT vanuit de geschreven software.          In de eerste fase zal de software nog getest worden zonder de H‐brug. Ten eerste is deze nog niet  binnen, maar op deze manier leidt een fout in de software ook niet tot beschadigingen aan de H‐ brug. Pas als de aansturing van de servomotoren en de positiebegrenzing onder controle is, zullen de  motoren  op  de  H‐brug  gemonteerd  worden.  Na  het  afronden  van  de  “droge”  test  kan  er  getest  worden met het volledige systeem, dus met de motoren op de H‐brug gemonteerd. 

 

  De  eerste  stap  is  het  uitlijnen  van  de  motorassen  met  de  bewegingsassen.  De  encoders  van  de  servomotoren geven een positieterugkoppeling naar de regelaar, die dit doorstuurt naar de master.  Door de H‐brug op de gewenste nulpositie te zetten en vervolgens de bijbehorende encoderpositie  in de software als offset in te stellen, weet de motion controller welke motorpositie overeenkomt  met de gewenste X/Y positie. Aangezien alleen de motoren een positieterugkoppeling hebben, zal   zowel de huidige als de gewenste X/Y positie altijd berekend moeten worden. Dit wordt gedaan aan  de  hand  van  het  wiskundige  model  in  de  software.  Fouten  in  de  berekening  zullen  dus  leiden  tot  verkeerde posities en mogelijke schade aan de H‐brug. 

 

  Het  testen  verloopt  soepel  en  enkele  uren  na  het  aansluiten  van  de  H‐brug  is  deze  in  staat  gecoördineerde bewegingen te maken. Door een groot vel papier onder de H‐brug te plaatsen en de  kop van de H‐brug van een balpen te voorzien, wordt pas echt duidelijk hoe nauwkeurig het systeem  is.  Zelfs  complexe  vormen  worden  zeer  nauwkeurig  getekend.  Door  meerdere  malen  dezelfde  vormen  te  tekenen  op  hetzelfde  stuk  papier,  wordt  de  nauwkeurigheid  bepaald.  Als  deze  zeer  nauwkeurig  is,  zullen  de  getekende  lijnen  steeds  op  dezelfde  plek  komen.  Afwijkingen  zullen  resulteren in verschuivingen in de getekende figuur. Zonder verdere aanpassingen werkt de H‐brug  naar behoren en is deze in staat herhaaldelijk bewegingen uit te voeren zonder afwijkingen. 

 

3

0

 

2.4 Realisatie universele motion controller 

Het eindproduct is reproduceerbaar voor verkoopdoeleinden en is aan te passen voor de  aansturing  van  3  of  meer  assen.  In  overleg  met  de  fabrikant  van  de  IPC  zal  deze  een  Control Techniques brandlabel krijgen. 

 

  2.4.1 Brandlabel   

  Gezien  de  voorlopig  nog  kleinschalige  afname  van  IPC’s  is  een  brandlabel  nog  geen  optie.  Dit  is  achteraf gezien ook niet noodzakelijk, aangezien de ontwikkelde motion controller op iedere PC die  geschikt  is  voor  CodeSys  kan  draaien.  Dit  maakt  het  eindproduct  ook  reproduceerbaar  en  zelfs  toepasbaar in bestaande situaties. De uitbreiding voor meerdere assen of andere systemen zal een  aanpassing  is  de  software  vereisen,  maar  dit  betekent  wel  dat  er  altijd  een  oplossing  op  maat  geleverd wordt.      2.4.2 Aanmaken functieblokken      In CodeSys is er een mogelijkheid om zelf functieblokken te schrijven. Hierbij kunnen de benodigde  in‐en uitgangsvariabelen aangemaakt worden. Deze worden dan als aansluitingen weergegeven als  het functieblok elders in de software aangeroepen wordt. Het voordeel is ook dat de aangemaakte  functieblokken meerdere malen gebruikt kunnen worden.      Device tree met functieblokken bibliotheek en visualisaties.   

  Uiteraard  is  de  keuze  gemaakt  om  deze  methode  te  gaan  gebruiken  en  een  bibliotheek  aan  te  maken  met  standaard  functies  en  bijbehorende  visualisaties.  In  eerste  instantie  is  ervoor  gekozen  om de reeds gemaakte motion controller globaal op te splitsen in functies. hierbij is het volgende  onderscheid gemaakt:     CNC‐controller   Coördinaten transformatie   Drive controller   Home functie   Jog functie    Op de volgende pagina’s zal een korte uitleg gegeven worden van deze functieblokken. De  volledige code van de functieblokken en het totale programma is bijgevoegd in bijlage 6. 

 

3

1

    CNC­controller 

   

De  CNC‐controller  vertaalt  tekstbestanden  met  G‐code  naar  bruikbare  positie‐en  snelheidsdata  voor  de  coördinaten  transformatie.  Deze  data  bestaat  uit  één  string  met  gegevens.  Via  een   aantal  ingangen  voor  het  starten  en  stoppen  van  de  functie  kan  de  CNC‐controller  bediend  worden.  Hierbij  dient  zelf  nagedacht  te  worden  over  de  start‐en  stoplogica,  aangezien  dit  per  toepassing  verschilt.  Verder  kan  voor  dit  functieblok  een  standaard  snelheid,  acceleratie  en  deceleratie  opgegeven  worden.  Deze  gegevens  worden  gebruikt  als  er  geen  snelheden  zijn  opgenomen  in  de  tekstbestanden.  Aan  de  uitgaande  kant  van  het  functieblok  zijn  functies  opgenomen zoals statusinformatie en het aansturen van andere functies die afhankelijk zijn van  de CNC‐controller.             

 

3

2

    Coördinatentransformatie 

 

Dit  functieblok  vertaalt  de  door  de  CNC‐Controller  aangeleverde  data  voor  het  gewenste  type  mechanische opstelling en splits dit op in separate positieopdrachten voor iedere as. Ook vertaalt  dit  functieblok  de  encoderterugkoppeling  naar  positiedata  voor  visualisatiedoeleinden.  In  de  toekomst  zullen  er  nog  veel  meer  transformatiemethodes  bijkomen  voor  andere  mechanische  opstellingen  en  systemen,  maar  voorlopig  is  dit  beperkt  tot  de  H‐brug  die  voor  dit  project  gebruikt wordt, met als aanvulling een los functieblok voor een derde as.           

Omdat  de  transformatieblokken  alleen  rekenwerk  doen  en  geen  verdere  bedieningsfuncties  of  statusmeldingen bevatten, is ervoor gekozen om hier geen visualisatie voor te maken. 

 

3

3

    Drive controller    Dit functieblok communiceert direct met de EtherCAT master en handelt de volledige aansturing  van de geselecteerde regelaar af. in de controller is de start‐stop logica, de positiecontroller, en  een reset functie opgenomen. Bij het toevoegen van een extra regelaar op de EtherCAT bus hoeft  in  de  software  dus  alleen  een  drive  controller  toegevoegd  en  toegewezen  te  worden.  Het  toevoegen  van  een  extra  motor‐as  is  hierdoor  zeer  eenvoudig  geworden.  Er  kan  voor  gekozen  worden om direct positieopdrachten op te geven aan de controller of deze uit te lezen vanuit een  transformatieblok om zo meerdere assen geïnterpoleerd te laten werken.               

 

3

4

    Home functie      Om de aangestuurde assen in een beginpositie te zetten, is een home functie nodig. Afhankelijk  van  het  type  mechanische  opstelling  en  het  type  terugkoppeling  is  een  bepaalde  homing  methode  vereist,  zoals  eerder  in  het  rapport  al  uitgelegd  is.  De  home  functie,  zoals  deze  al  gebruikt  is  in  de originele software,  is hier  omgezet  naar  één  functieblok.  deze  is  echter alleen  geschikt voor een twee‐assig systeem met absoluut encoders. Voor de aansturing van een derde  as  is dus nog  een extra home  functie  nodig. Omdat  het hier maar om  de homing  gaat  van één  enkele as, kan hiervoor een standaard home functie gebruikt worden, waarbij een home‐switch  of  index  puls  op  de  encoder  gebruikt  kan  worden.  in  het  functieblok  zijn  echter  nog  wel  wat  bewakingen opgenomen om er zeker van te zijn dat de homing functie correct is afgerond.               

 

3

5

    Jog functie    De jog functie maakt het mogelijk om de opstelling “handmatig” te bedienen via toetsen op de  IPC. Hiermee kan de opstelling in een veilige positie worden gezet voor werkzaamheden of om  producten te verwijderen als deze bekneld zijn geraakt. Zodra de jog functie wordt geactiveerd,  worden alle andere functies geblokkeerd. Door de complexe opstelling is ook deze functie weer  moeilijk  te  realiseren,  aangezien  voor  een  horizontale  of  verticale  beweging  twee  assen  samen  moeten werken. In dit geval kan er geen interpolator gebruikt worden die de onderlinge snelheid  berekent en kan ook de standaard H‐brug transformatie niet gebruikt worden. Dit betekent dus  dat  zowel  de  draairichting  en  de  onderlinge  verhouding  van  de  motoren  opgegeven  moeten  worden  in  de  software  en  dat  beide  assen  elkaar  moeten  controleren.  Want  als  één  van  de  regelaars in storing gaat, mag de andere ook absoluut niet meer draaien.             

 

3

6

    2.4.3 Visualisatie 

 

Voor  het  maken  van  een  visualisatie  of  bedieningspaneel  hoeven  alleen  maar  de  gewenste  schermen  toegevoegd  te  worden  en  naar  wens  geplaatst  te  worden.  Als  voorbeeld  is  het  volgende  scherm  gemaakt.  Hierin  worden  de  basisfuncties  en  de  onderlinge  verhoudingen  weergegeven. 

 

 

 

3

7

 

2.5 Systeem voor dagelijks gebruik 

De  IPC  en  bijbehorende  software  kan  intern  gebruikt  worden  voor  trainingen  en  testopstellingen, om de kennis van de CodeSys programmeeromgeving te vergroten.      2.5.1 CodeSys in testopstellingen    De IPC kan al volledig gebruikt worden voor testdoeleinden waarbij CodeSys vereist is. CodeSys  werkt met projecten.  Het aanmaken van een ander project zal dan ook geen invloed hebben op  de werking van de motion controller.    Op dit moment is er nog geen cursusmateriaal geschreven voor het gebruik van CodeSys, maar al  een aantal is zelf aan de slag gegaan met CodeSys en uiteraard voorzie ik hen van ondersteuning  en uitleg als dit nodig is.    2.5.2 Beursdemonstraties    Door het voorspoedige verloop van het project is de H‐brug op de MOCON 2011 gebruikt  voor  demonstratiedoeleinden. Deze vond plaats op 20 en 21 april in de Brabanthallen, waarbij ik zelf  ook aanwezig was als exposant.   

 Prioriteit  werd  dus  een  representatief  systeem  te  bouwen  voor  beursdoeleinden.  Een  strak  ogend systeem en een goede werking kan mogelijk al op korte termijn potentiële klanten en dus  een geslaagd project opleveren. 

 

Om  beschadigingen  tijdens  transport  te  voorkomen  en  om  de  IPC  gemakkelijk  op  te  bergen,  is  deze  in  een  koffer  gebouwd.  De  koffer  is  waterdicht  en  stootbestendig.  Verder  is  de  koffer  uitgerust met een draadloos toetsenbord met muis. De IPC heeft een touchscreen, maar zonder  toetsenbord is het programmeren nagenoeg onmogelijk.             

 

3

8

  Om  demonstraties  te  kunnen  geven  op  de  MOCON  beurs  is  een  visualisatie  gemaakt  met  een  aantal  keuzes  voor  uit  te  voeren  bewegingen.  Achter  de  opstelling  is  een  Whiteboard  gemaakt  waarop met een op de H‐brug gemonteerde stift getekend kan worden. 

 

 

3

9

    Het systeem heeft zich tijdens de MOCON 2011 bewezen als stabiel en betrouwbaar systeem en    heeft  twee  dagen  lang  gedraaid,  zonder  enkele  problemen.  Er  is  behoorlijk  wat  belangstelling    geweest. Voornamelijk ook van Stamhuis, de leverancier van de H‐brug en van ESA, leverancier    van de IPC. 

 

   

 

4

0

 

Conclusies 

 

Aan  de  vraag  naar  een  universele  motion  controller  die  feilloos  samenwerkt  met  Control  Techniques  regelaars  is  zeker  voldaan,  echter  is  het  systeem  voor  simpele  Stand‐Alone  toepassingen  financieel  niet  aantrekkelijk  door  de  kosten  van  de  IPC  en  het  CodeSys  pakket,  welke beide veel meer kunnen dat noodzakelijk voor simpele Stand‐Alone toepassingen. 

 

Voor complexe systemen waarbij een hoge functionaliteit gevraagd wordt, kan er juist voordeel  behaald  worden.  Door  de  veelzijdigheid  van  CodeSys  kan  er  met  één  enkele  licentie  een  totaaloplossing  geleverd  worden  voor  een  gehele  productielijn.  CodeSys  kan  in  dit  geval  als  master  optreden  voor  verschillende  bussystemen  en  netwerken,  complexe  PLC  programma’s  afhandelen  en  meerdere  bedieningsschermen  beheren.  Normaal  gesproken  zouden  hiervoor  aparte pakketten aangeschaft moeten worden. Deze zullen onderling gekoppeld moeten worden  via interfaces om informatie uit te wisselen. Ook steeds meer PLC fabrikanten gaan over op een  CodeSys gebaseerde programmeeromgeving, waardoor een nog betere aansluiting ontstaat.   

Ook in de vraag naar een demonstratiemodel is voldaan. Het systeem heeft zich al bewezen op  een  beurs  en  blijkt  ook  relatief  eenvoudig  vervoerbaar.  Verder  zijn  er  al  een  aantal  haalbaarheidstesten  uitgevoerd  voor  potentiële  klanten.  Voor  het  gebruik  van  het  systeem  in  trainingen zal in de toekomst nog cursusmateriaal geschreven moeten worden, maar een aantal  collega’s heeft de mogelijkheid al aangegrepen om zich te verdiepen in de CodeSys omgeving.   

Voor  de  nabije  toekomst  zijn  plannen  om  de  H‐brug  uit  te  rusten  met  een  derde  as  om  ook  demonstraties en testen uit te kunnen voeren met zowel een X, Y,  als Z‐as. De software is hier  momenteel al volledig geschikt voor. 

Aanbevelingen  

    Met de huidige prijzen kost een IPC met CodeSys gemiddeld €4000,‐. Hier komen nog kosten bij  voor de benodigde in‐/en uitgangen die normaal in de PLC zijn opgenomen. Afhankelijk van de te  maken kosten bij het toepassen van conventionele oplossingen in de vorm van een PLC, motion  controller en mogelijk bedieningspanelen moet per project een afweging gemaakt worden.   

De  toepassing  van  de  H‐brug  is  ook  een  financiële  afweging.  Door  de  lage  massa  van  de  bewegende  delen  kan  veel  energie  bespaard  worden  en  hogere  productieaantallen  behaald  worden.  In  nieuwe  situaties  heeft  dit  dus  de  voorkeur  en  ook  in  de  ombouw  van  bestaande  systemen kan dit vaak op lange termijn voordeel opleveren. 

 

Voor te toekomst is het maken van cursusmateriaal met oefenopdrachten aan te bevelen om het  systeem  volledig  te  kunnen  benutten  voor  trainingen.  De  uitbreiding  van  het  systeem  met  een  derde  as  kan  hier  een  extra  dimensie  aan  geven  en  is  ook  een  mooie  uitbreiding  voor  demonstraties. 

 

4

1

 

 

Bronnenlijst 



www.Bahr‐modultechnik.de

 

Website fabrikant van de H‐brug 



www.Stamhuislineair.nl

 

Website Nederlandse distributeur Bahr‐modultechnik 



www.esahmi.com

 

Website leverancier IPC 



www.3s‐software.com

 

Website fabrikant CodeSys 



www.hiflex.nl

 

Nederlandse distributeur van CodeSys 



www.ctsupport.com

 

Ondersteuningswebsite van Control Techniques, alleen toegankelijk voor medewerkers   

 

 

4

2

 

 

Bijlagen 

 

1. Project management document  

 

Blz. 43 

2. Flowchart 

 

 

 

 

 

Blz. 57 

3. Planning 

 

 

 

 

 

Blz. 58 

4. Datasheet H‐brug   

 

 

 

Blz. 59 

5. CodeSys programma versie1 

 

 

Blz. 61 

6. CodeSys programma versie2 

 

 

Blz. 74 

7. Testrapporten servomotoren 

 

 

Blz. 96 

 

     

 

4

3

 

Bijlage 1: PROJECT MANAGEMENT DOCUMENT 

   

Besturing van een H‐brug met Digitax ST servoregelaars, EtherCAT en 

een CodeSys SoftMotion controller. 

        Control Techniques BV    Projectnummer: 2011.019    Versie:  1.1    Startdatum: 6‐12‐2010    Einddatum: 29‐04‐2011         

Akkoord Bedrijf :    Akkoord Hogeschool:    Opsteldatum:   28‐12‐2010  Ad van Genderen    Derk Pruisken      Student:  Michael Eling   

 

 

4

4

 

0. Uitvoeringsgegevens 

    Bedrijfsgegevens:    Control Techniques BV          Kubus 155          3364 DG Sliedrecht          tel  0184‐420 555          fax  0184‐420 721    Bedrijfsbegeleiding:    Ad van Genderen          ad.vangenderen@emerson.com          tel  0184‐420 555    Onderwijsinstelling:    Avans Hogeschool    Academie voor Techniek en Management          Lovensdijkstraat 61          4818 AJ Breda          tel   076‐525 05 00    Hogeschoolbegeleiding:   Derk Pruisken          hp.pruisken@avans.nl    Student:      Michael Eling          Pieter langendijkstraat 32          3351 GP Papendrecht          m.eling@student.avans.nl          tel  06‐3875 7395                                   

 

4

5

   

1. Situatiebeschrijving 

 

Bedrijfskarakteristiek  

 

Control  Techniques  is  marktleider  op  het  gebied  van  intelligente  aandrijf‐  en 

besturingssystemen 

Als  onderdeel  van  Emerson  Industrial  Automation  is  Control  Techniques  volledig  gericht  op  het  ontwerp  en  de  productie  van  elektrisch  regelbare  aandrijftechniek.  Onze  aandrijvingen  worden  gebruikt voor de besturing van motoren in een groot aantal verschillende toepassingen, uiteenlopend  van precisiemachines tot liften met een groot prestatievermogen en van hijskranen tot ventilatoren.  De  aandrijvingen  van  Control  Techniques  bieden  voor  iedere  willekeurige  toepassing  een  effectieve  oplossing om de productiviteit te verhogen en het energieverbruik te verlagen. 

Grenzeloos zakendoen 

Control  Techniques  is  een  wereldwijde  speler  met  productie‐  en  onderzoeksfaciliteiten  in  zowel  Europa  als  Azië.  Drive  &  Application  Centres  op  meer  dan  50  locaties  in  35  landen  bieden  klanten  expertise  op  het  gebied  van  lokale  technische  verkoop,  diensten  en  ontwerp.  Veel  van  deze  centra  bieden ook uitgebreide systeemontwerpen en bouwdiensten. 

Onze expertise ligt in uw bedrijfstak 

Onze ervaring en expertise op  het gebied  van een breed scala  van toepassingen stellen ons in staat  met u samen te werken om de prestaties van uw machines te optimaliseren. Samen kunnen wij het  voordeel bieden dat u nodig hebt om de sterke concurrentie van vandaag de dag altijd een stapje voor  te blijven. 

Uit  marktonderzoeken  is  gebleken  dat  onze  klanten  voor  Control  Techniques  kiezen,  omdat  ze  vertrouwen hebben in ons vermogen oplossingen te bieden op de punten waar productprestaties en  kwaliteitsondersteuning het meest worden gewaardeerd. 

 

     

 

4

6

 

2. 

Doelstellingen. 

 

Aan  het  eind  van  het  project  zal  een  positioneringsysteem  zijn  ontwikkeld,  die  in  staat    is  tweedimensionale vormen te tekenen op een vel papier. Hiervoor zal een twee‐assig servosysteem  gebruikt gaan worden, aangedreven door Control Techniques servoregelaars en motoren. 

 

 

Doel 1 

  Aan  het  eind  van  dit  project  is  een  positioneringsysteem  gerealiseerd  op  basis  van  een  CodeSys  programmeeromgeving, draaiende op een geschikte Industriële PC (IPC). 

 

Doel 2 

  De  IPC  en  de  servoregelaars  zullen  onderling  communiceren  door  middel  van  een  EtherCAT  verbinding gerealiseerd met een geschikte netwerkadapter voor de IPC, SM‐EtherCAT optiemodules  voor de servoregelaars en standaard CAT5e Ethernetkabel. 

 

 

Doel 3 

  Het  systeem  zal  geschikt  zijn  voor  de  aandrijving  van  een  reeds  bestelde  H‐brug  met  twee  servo‐ assen, die worden aangestuurd met Digitax ST servoregelaars van  Control Techniques. 

   

 

Doel 4 

  Het eindproduct is reproduceerbaar voor verkoopdoeleinden en is aan te passen voor de aansturing  van  3  of  meer  assen.  In  overleg  met  de  fabrikant  van  de  IPC  zal  deze  een  Control  Techniques  brandlabel krijgen.   

 

Doel 5 

  De IPC en bijbehorende software kan intern gebruikt worden voor trainingen en testopstellingen om  de kennis van de CodeSys programmeeromgeving te vergroten.     

3. Relevante documenten 

  Onderstaande documenten zijn ter verduidelijking bijgevoegd in de bijlagen:   3. Planning   4.Datasheet H‐brug           

 

4

7

 

4. Werkzaamheden

   

 

Doel  1 

1. Opzoeken van systeemvereisten voor CodeSys  2. Selectie maken voor merk en type IPC  3. Na goedkeuring van selectie de IPC bestellen  4. Inrichten van de softwareomgeving  5. Schrijven van de positioneersoftware   6. Schrijven van de communicatieprotocollen   

Doel 2 

1. Opbouwen van een testomgeving  2. Verbinding tot stand brengen tussen IPC en servoregelaars over EtherCAT  3. Testen van de geschreven software in de opgebouwde testomgeving  4. Analyseren van het gedrag van de testopstelling  5. Mogelijk de software aanpassen voor een correcte werking   

Doel 3 

1. Selecteren van geschikte servomotoren voor de H‐brug  2. Selecteren van geschikt type Digitax ST regelaar  3. Ontwerpen en tekenen van de elektrische installatie  4. Inventariseren van benodigde materialen en systeemkast voor de elektrische installatie  5. Na goedkeuring van het ontwerp het benodigde materiaal bestellen  6. Bepalen van de kastindeling in overleg met de afdeling paneelbouw  7. Paneelbouw opdracht geven voor het bouwen van de systeemkast  8. Servomotoren monteren op de H‐brug 

9. Montageframe  en  afscherming  maken  voor  de  H‐brug,  om  een  veilige  opstelling  te  realiseren  10. Testprotocol schrijven  11. Systeemkast testen  12. Inregelen van de servoregelaars voor een optimale aandrijving van de H‐brug  13. Testen van het totale systeem in combinatie met de geschreven software   

Doel 4/5 

1. Schema’s en tekeningen bijwerken tot definitieve versie 

2. Opschonen  van  de  geschreven  software  en  voorzien  van  duidelijk  commentaar  voor  aanpassingen in de toekomst 

3. Opstellen  van  documentatie  over  het  totale  verloop  van  het  project,  met  als  doel  het  reproduceerbaar maken van het systeem voor verkoop in de toekomst  4. Back‐up maken van het totale besturingsysteem en geschreven software en bijvoegen bij  de documentatie  5. Schrijven van een bedieningshandleiding