Beim Prototyp eines Seilroboter-basierten Hochregallagers setzen die Forscher auf eine zuverlässige und kostengünstige industrielle Steuerungsplattform: PC-Control und Twincat 3.Beckhoff
In der Intralogistik bestehen automatische Regalbediengeräte (RBG) aus einer schienengebundenen Fahreinheit, auf der eine Hubeinheit mit der eigentlichen Ein-/Auslagervorrichtung montiert ist. Damit lassen sich gezielt Güter ein- und auslagern. Bei diesem Konstruktionsprinzip kommen selbst vergleichsweise geringen Nutzlasten von 20 bis 50 kg gewaltige Massen für Fahrwerk, Mast und Hubeinheit zusammen, konkret: zwischen 1 und 2 t. Um dies zu vermeiden, ersetzten die Forscher der Universität Duisburg die komplette Fahr- und Hubeinheit durch eine Leichtbau-Plattform mit integrierter Ein-/Auslagervorrichtung. Diese Plattform wird als sogenannter paralleler Seilroboter mit acht verspannten Seilen vor dem Hochregal bewegt. Ergebnis ist ein mechanisch einfaches und extrem leichtes System, das in verschiedensten Größen aufgebaut werden kann – ohne die bei traditionellen Hochregallagern zu beachtende, massebedingte Höhenbegrenzung.
Großes Energiespar- und Leistungspotenzial
Die Leichtbau-Plattform mit der Ein-/Auslagereinrichtung wird über acht Seilwinden bewegt und positioniert.Bildquelle: Lehrstuhl Mechatronik, Universität Duisburg-Essen
Die enorme Massereduktion der Seilrobotertechnik von über 90 % gegenüber konventioneller Technik führt zu enormen Leistungssteigerungen bei einer wesentlich besseren Energiebilanz. Umgesetzt und erprobt wurde das Konzept an der Universität Duisburg-Essen mit einem 6 m hohen, 12 m breiten und 1 m tiefen Prototyp. Realisiert haben ihn die beiden Lehrstühle für Mechatronik beziehungsweise für Transportsysteme und -logistik sowie der Lehrstuhl für Rechnereinsatz in der Konstruktion. Der zu bewegende Endeffektor – die Leichtbau-Plattform mit der Ein-/Auslagereinrichtung – wiegt nur rund 80 kg, kann aber bis zu 20 kg Nutzlast aufnehmen. „Wir haben ein extrem verbessertes Masseverhältnis erreicht“, fasst Dr. Tobias Bruckmann vom Lehrstuhl für Mechatronik zusammen. Auch die Energieeinsparung kann sich sehen lassen: Eine Modellrechnung, basierend auf einem einfachen Modell und idealisierten Annahmen, hat einen um 70 % reduzierten Energieverbrauch ergeben.
Hinsichtlich der erreichbaren Umschlagleistung besteht ebenfalls ein großes Optimierungspotenzial. Als Auslegungsgrundlage dienten bei Projektstart typische RBG-Werte, das heißt 6 m/s Plattform-Geschwindigkeit und 5 m/s² Beschleunigung. Dazu ergänzt Christian Sturm, ebenfalls vom Lehrstuhl für Mechatronik: „Um diese Werte zu erreichen, sind Windenantriebe mit lediglich 7 kW Leistung erforderlich.“ Beim Prototyp kommen aber 14-kW-Motoren zum Einsatz, die deutlich höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ermöglichen. Weiterer Grund: Da die stärkeren und damit schwereren Antriebe nicht wie beim klassischen Regalbediengerät mit transportiert werden müssen, spielt ihre Masse hinsichtlich der Dynamik des Systems keine Rolle.
Standard-Steuerungstechnik in der Forschung
BeckhoffDr. Tobias Bruckmann (rechts) und Christian Sturm sehen zwei Stärken bei Twincat3: Matlab/Simulink-Modelle laufen auf einer leistungsfähigen Hardware, die sich flexibel mit Standard-Komponenten erweitern lässt.
Um das System stets sicher betreiben zu können, muss das Steuerungssystem höchste Ansprüche erfüllen: Acht Servoantriebe sind synchron anzusteuern sowie zeitgleich Kraftsensoren und Winkelencoder für alle acht Seile auszulesen. Diese Messwerte bilden die Grundlage für eine modellbasierte Regelung, die wiederum eine leistungsfähige Echtzeitplattform verlangt. Hierzu Dr. Tobias Bruckmann: „Da wir die Regelung in Matlab/Simulink implementiert haben, stellte die Automatisierungs-Suite Twincat 3 von Beckhoff für unsere Forschungsgruppe eine ideale, leistungsfähige und erschwingliche Lösung dar. Statt prototypischer Regelsysteme für den akademischen Einsatz konnten wir bewährte Standard-Komponenten nutzen.“
Der Schaltschrank-PC C6640 liefert reichlich Rechenleistung für die gesamte Steuerungstechnik. Er kommuniziert per Ethercat mit Sensoren, Antrieben und den Komponenten der Leichtbau-Plattform, darunter die Ein-Auslagervorrichtung und der Laserscanner zur Feinpositionierung. Da der Seilroboter-Betrieb zuverlässige Messungen der Seilkräfte erfordert, nutzen die Forscher analoge Eingangsklemme vom Typ EL3356-0010 mit XFC-Technik (Extreme Fast Control). Die darüber erfassten Daten der Kraftmessdosen bilden die Grundlage für eine präzise und möglichst schwingungsfreie Bewegung des Effektors. Die gemessenen Seilspannungen verarbeiten die in Matlab/Simulink implementierten Regelalgorithmen zu Stellsignalen für die einzelnen Antriebsachsen. „Dabei haben wir insbesondere von der XFC-Funktionalität des Oversampling profitiert“, erläutert Christian Sturm. Mit ihrem zehnfachen Oversampling liefern die Klemmen bezogen auf den Regeltakt von derzeit 1 ms deutlich geglättete Signale, die ohne weiteres Preprocessing in den Reglern verarbeitet werden konnten. Weiterhin sind Parametrierung und Anschluss einfach und die Klemmen als Standard-Komponenten zudem kostengünstig.
Die Benutzeroberfläche des Seilroboters wurde komplett mit Twincat 3 erstellt.Bildquelle: Lehrstuhl Mechatronik, Universität Duisburg-Essen
Ein entscheidender Vorteil des Steuerungssystems ist dessen Industrietauglichkeit, die es den Ingenieuren erlaubt weiter am eigentlichen Forschungsschwerpunkt – den Regelalgorithmen – zu arbeiten. „Anstatt dezentraler Regler für Antriebe und Plattform benötigen wir nur einen zentralen Echtzeit-PC mit breitem Datenbus“, bestätigt Bruckmann. Dabei spielt es keine Rolle, ob Messwerte nur 1 m entfernt sind oder über 20 m bis zur Steuerungseinheit zu übertragen sind. Bei früheren Prototypen waren gerade die Datenerfassung und die Motoransteuerung über große Distanzen ziemlich aufwendig. „Wir waren überrascht, wie einfach die Inbetriebnahme bei unserem großen Prototyp war“, so Bruckmann. Und ein weiterer Faktor kommt hinzu: Die Beckhoff-Technik bietet auch im Hinblick auf die Serienfertigung, einen großen Vorteil. Einerseits können die Forscher ihre gewohnte Matlab/Simulink-Welt nutzen, andererseits stehen dem Automatisierer seine IEC-61131-3-Sprachen uneingeschränkt zur Verfügung. „Dank dieser Durchgängigkeit muss im späteren Praxisbetrieb beispielsweise für das Ergänzen der Sicherheitsfunktionen kein zweites Steuerungssystem eingebunden werden“, erklärt Bruckmann.
Mittler zwischen Forschung und Fertigung
Als Meilenstein sehen die Forscher die einfache Kopplung von Matlab/Simulink mit Twincat 3 an. Erst damit konnten sie aus ihrem wissenschaftlichen Arbeitsfeld heraus ein industrietaugliches System verwenden. Zudem ließ sich damit die ganze Hardware-Ebene einfach strukturieren und modular aufbauen. Alle am Ethercat-System angeschlossenen Komponenten sind als Hardware-Abbild in Twincat 3 dargestellt, sodass sie sich ohne großen Aufwand über die Kommunikation mit dem Software-Modul zur Steuerung koppeln lassen. Außerdem kann das System einfach und kostengünstig mit weiteren I/O-Modulen ausgebaut werden. „Verglichen mit unseren herkömmlichen Systemen zu einem Bruchteil der Kosten“, betont Sturm.
Auch das kleinere Labormodell, welches das Prinzip des Seilroboters für das Handling im dreidimensionalen Raum nutzt, ist mit einer PC-basierten Steuerung ausgerüstet.Beckhoff
Potenzial für künftige Weiterentwicklungen bietet Twincat 3 ebenfalls. Beispielsweise ist die Unterstützung der Multicore-Technologie insbesondere im Hinblick auf die industrielle Anwendung von Bedeutung. Damit lassen sich Aufgaben wie die Lagerverwaltung und die Sicherheitskonzeption bei Bedarf auf eigene Prozessorkerne auslagern. Hinzu kommt die Offenheit durch die Einbindung in Visual Studio, was aus Sicht von Bruckmann seinen Reiz hat. Gerade in Forschung und Entwicklung nutzen Anwender gerne die neue Programmiertechnik, um ein komplettes Projekt von der Echtzeitprogrammierung bis hin zur Visualisierung zu erstellen. Als nächster Schritt steht beim Projekt Seilroboter die Integration in C/C++-geschriebene Softwareblöcke an. Auf diese Weise könnten andere Hardware-Schnittstellen – beispielsweise ein Kamerasystem – implementiert werden.
Stefan Ziegler
(sk)
