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Schlaufensteuerung mit Prozessregler

Viele Frequenzumrichter stellen eine Reihe von Zusatzfunktionen, die bei Gestaltung einer Steuerung verwendet werden können, zur Verfügung. Durch Verwendung dieser Hilfsmittel spart man unter Umständen viel Programmierarbeit und hat sicher und stabil funktionierende Komponenten in seiner Steuerung. In der folgenden Schaltung nutzen wir den internen Prozessregler des Frequenzumrichters SK 500E von Nordac. Der implementierte Prozessregler ermöglicht, einen nachgeschalteten Antrieb mit einem Leitwert zu steuern und passend nachzuregeln. Er basiert auf einem PI-Regler. Auch andere Hersteller rüsten ihre Geräte mit ähnlichen Funktionen aus. Somit kann nahezu jeder beliebige Umrichter für solche und ähnliche Aufgaben eingesetzt werden.

Schema der Anordnung

Das Ziel des Versuches ist es, mithilfe eines Frequenzumrichters ein endloses Bandmaterial in eine Schlaufe zu fördern. Dabei soll eine festgelegte Materialhöhe in der Schlaufe eingehalten werden. Der Frequenzumrichter steuert einen 3-Phasen-Motor (Förderwalze) und bekommt das Feedback über die Materiallage von einem Laser, der ein Signal von 0V bis 10V liefert. Das Material soll eine Höhe in der Mitte der Schlaufe einhalten. Der Laser liefert hier ein Signal von 5V. Mit einem zweiten Motor (Zugwalze) wird das Material aus der Schlaufe rausgezogen. Die Geschwindigkeit des Motors wird in dem Fall mit einem Potenziometer reguliert. Das Signal von dem Potenziometer wird gleichzeitig als Leitwert dem Prozessregler zugeführt.

Schaltplan

Schaltplan

Zugwalze

Die Zugwalze (hier ein einfaches Zahnrad) wird von einem Schrittmotor in Bewegung gebracht. Die notwendige Leistung liefert der Motortreiber DM420. Der Motortreiber wird von Arduino Nano gesteuert. Ein kleiner Arduino-Sketch bedient die Schnittstelle zu dem Treiber sowie einen digitalen und einen analogen Eingang. An dem digitalen Eingang D2 ist der Schalter S2, mit dem der Motor gestartet wird, angeschlossen. Der analoge Eingang ist mit dem Potenziometer P1, der Einstellung der Geschwindigkeit dient, verbunden. Das Signal des Potenziometers dient gleichzeitig als Leitwert für den Prozessregler und wird dem ersten analogen Eingang des Frequenzumrichters zugeführt.

Schrittmotor

Motortreiber

Arduino Nano

Die Steuerung des Schrittmotors, der in dem Versuch als Zugwalze agiert, übernimmt Arduino Nano. Der kleine Mikrocontroller steuert den Treiber, an den der Schrittmotor angeschlossen ist. Das Programm gestalten wir einfach. Mit dem Potenziometer P1, der an den anlogen Eingang A0 des Arduino angeschlossen ist, wird die Drehzahl des Motors reguliert. So wird während des Tests eine Zugwalze simuliert, die mit jeweils anderer Geschwindigkeit das Material aus der Schlaufe zieht.

Arduino

int PUL = 12;                                  // Pulse
int DIR = 11;                                  // Drehrichtung
int ENBL = 10;                                 // Freigabe  
int Schalter_Start = 2;          

void setup() {
    pinMode (PUL, OUTPUT);
    pinMode (DIR, OUTPUT);
    pinMode (ENBL, OUTPUT);
    digitalWrite (ENBL, HIGH);
    pinMode (Schalter_Start, INPUT_PULLUP);
}

void Motor_drehen (int Schritte, int Pulslaenge, int Richtung, int Geschwindigkeit) {
    if (Richtung) { digitalWrite(DIR,HIGH); } 
        else 
        { digitalWrite(DIR,LOW); }
    for (int i = 0; i < Schritte; i++) {
        digitalWrite(PUL,HIGH);
        delayMicroseconds(Pulslaenge);
        digitalWrite(PUL,LOW);
        delayMicroseconds(Geschwindigkeit); }
}

void loop() {
    int Analog = analogRead (A0);              // Geschwindigkeit-Einstellung
    int Tempo = 5115 - (Analog * 5) ;

    if ((digitalRead(Schalter_Start) == LOW) and (Analog > 7)) {
        Motor_drehen (1, 400, HIGH, Tempo);
    }
}
// *****************************************************************************        
    

Distanzsensor

Damit der Prozessregler seine Aufgabe richtig bewältigen kann, benötigt er eine Rückmeldung, um die Ergebnisse seiner Bemühungen überprüfen zu können. In der Schaltung übernimmt die Rolle ein Keyence Laser, mit dem die Tiefe der Schlaufe gemessen wird. Das Ergebnis der Messung wird von ihm in Form eines analogen Signals 0-10V geliefert. Das Signal wird dem zweiten analogen Eingang AIN2 des Umrichters zugeführt.

Laser als Distanzsensor

Förderwalze

Das Material wird in die Schlaufe mit einem Drehstrommotor gefördert. Der Motor ist sehr klein und eignet sich ausgezeichnet zum Aufbau von Testschaltungen auf einem Küchenbrett.

Drehstrommotor

Frequenzumrichter

Die Hauptaufgabe in der Schaltung fällt dem Frequenzumrichter zu. Er muss den Drehstrommotor auf die richtige Drehzahl bringen, um das Material in der Schlaufe stets möglichst auf einer konstanten Höhe zu halten.
Läuft der Motor zu langsam, kommt es zu Materialstraffung und schließlich zum Bandriss. Dreht er zu schnell, läuft die Schlaufe voll. Um das Ziel zu erreichen, wird durch entsprechende Parametrierung der in dem Umrichter implementierte Prozessregler aktiviert. Er arbeitet mit zwei externen Größen:
- Leitwert, das Signal stammt von dem Potenziometer P1, analoger Eingang 1
- Istwert, das Signal liefert der Laser, analoger Eingang 2
Bei beiden Signalen handelt es sich um analoge Signale. Leitwert-Signal kann in dem Beispiel maximal den Wert von 5V erreichen. Der Laser liefert ein Signal im Bereich 0-10V.

Frequenzumrichter

Die Parameter:

P102 – Rampe Auf – 2s
P103 – Rampe Ab – 2s
P104 – Minimale Frequenz – 0 Hz
P105 – Maximale Frequenz – 12,5 Hz
P400 – Analogeingang 1 –Frequenzaddition
P402 – Abgleich Analogeingang – 0,7 V (anpassen)
P405 – Analogeingang 2 – Istwert Prozessregler
P411 – Max. Freq. Nebensollw. – 10
P412 – Sollwert Prozessregler – 5V
P413 – P-Anteil PID regler – 50%
P414 – I-Anteil PID Regler – 100 %
P415 – D-Anteil PID Regler – 70 %/ms (Doppelte Funktion des Parameters, hier Begrenzung)
P416 – Rampenzeit PI-Sollw.– 3s
P420 – Digitaleingang 1 – Freigabe rechts
P505 – Abs. Minimalfrequenz – 0,2 Hz

Testschaltung

Testschaltung

Kurzvideo

Schlaufensteuerung mit Nordac-Prozessregler

Regler