NI PACs und PXI ersetzen SPSen bei der Steuerung und Regelung einer Hochleistungszentrifuge

Author(s):
Robb Wallen - University of Colorado at Boulder

Industry:
University/Education, Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI, Real-Time Module,

The Challenge:
Ersetzen eines bestehenden SPS-Systems mit 200 I/O-Punkten durch ein anspruchsvolles Steuer- und Datenerfassungssystem für eine Zentrifuge mit Beschleunigungen bis zu 400 g

The Solution:
Einsatz der Software National Instruments LabVIEW und einer breiten Palette an PAC-Produkten von NI als Ersatz für das bestehende SPS-Steuerungssystem sowie die Erstellung eines flexiblen Datenerfassungssystems auf Grundlage von NI-Hard- und -Software in weniger als vier Monaten

Die geotechnische Zentrifuge an der University of Colorado in Boulder, die Beschleunigungen bis zu 400 g ermöglicht, ist eine der leistungsfähigsten Zentrifugen der USA und kann zwei Tonnen Material mit der 200-fachen Erdanziehungskraft schleudern. Unter Verwendung industrietauglicher PXI-Chassis und Embedded-Controllern mit dem Echtzeitbetriebssystem NI LabVIEW Real-Time ersetzten Forscher die bestehende SPS-Steuerung mit 200 I/O-Punkten und 2000 Kontaktplan-Programmzeilen zur SPS-Programmierung, um ein effizienteres, robustes und einfach zu aktualisierendes System zu erstellen, das die zur Systemeinrichtung benötigte Zeit verringert und die Zuverlässigkeit erhöht. Die Zentrifuge benötigt zwei unabhängige Systeme zur Steuerung und zur Datenerfassung. Ein System stellt Funktionen für die Steuerung und Überwachung des Zentrifugenbetriebs bereit und das andere eine flexible Steuerung und Datenerfassung für die Nutzlasteinheit (wissenschaftliche Experimentiereinheit) der Zentrifuge.

Das frühere Steuerungssystem für die Zentrifuge basierte auf proprietärer Hard- und Software. Es war kompliziert, da es über 300 Digital-I/O-Kanäle umfasste, von denen die meisten für den Betrieb eines fest verdrahteten Bedienpults vorgesehen waren. Die festgelegte Anordnung des Bedienpults sowie die über 2000 Zeilen alten SPS-Codes machten die Erweiterung des Systems um neue Funktionen unmöglich. Mit zunehmendem Altern des Systems fielen Teile davon immer wieder aus.

Reparaturen erforderten zeitaufwändige Fehlerbehebung, und die Ausfallzeit war erheblich. Es wurde beschlossen, ein modernes Steuerungssystem auf Grundlage von PC-Technologie anzuschaffen. Eine weitere Anforderung an ein neues System bestand darin, dass es von der Universität gepflegt und einfach aktualisiert werden konnte.

PAC-Flexibilität und Wiederverwendung des Systems

Mit Programmable Automation Controllers (PACs) von NI wurde ein alterndes, unzuverlässiges SPS-Steuerungssystem durch eine SPS der nächsten Generation ersetzt – einem PAC-System. Die Flexibilität von NI LabVIEW ermöglichte es, sowohl das Steuer- und Regelsystem der Zentrifuge als auch das In-Flight-Steuerungs- und -Datenerfassungssystem für das Experiment durch dieselbe PXI-Hardwareplattform zu ersetzen. Die gesamte Anwendung konnte mit einer einzigen Entwicklungsumgebung programmiert werden.

Da das Budget begrenzt war, musste das neue System in vier Monaten implementiert werden, während die Zentrifuge aufgrund einer größeren Aktualisierung des Kühlsystems stillstand. Durch den Einsatz von PACs konnte in dieser kurzen Zeit und innerhalb des festgelegten Budgets ein zuverlässigeres und leistungsfähigeres Komplettsystem bereitgestellt werden.

Steuerungssystem für die Zentrifuge

Das neue Steuerungssystem nutzt den Echtzeitcontroller NI PXI-8176 mit LabVIEW-Real-Time-Software. Dieses PXI-System wurde in dem Schrank verschraubt, in dem sich das ursprüngliche SPS-System befand, nimmt aber nur 1/20 des Platzes im Schrank ein. Es wurde jeweils ein Digital-I/O-Modul NI PXI-6526 und ein Multifunktions-Datenerfassungsmodul NI PXI-6031E genutzt, um eine Schnittstelle zu den Digital- und Analog-I/Os über die vorhandene Verdrahtung herzustellen. Die I/O-Kompatibilität zwischen dem alten SPS- und dem neuen PXI-System ermöglichte Zeit- und Kosteneinsparungen, da die ursprüngliche Verdrahtung wieder verwendet und die Messdichte der PXI-Plattform verstärkt genutzt wurde. Das statische, fest verdrahtete Bedienpult wurde durch einen Standard-PC auf Grundlage von Windows ersetzt, auf dem eine grafische Benutzeroberfläche ausgeführt wird, die mithilfe von LabVIEW erstellt wurde. Das Standard-Ethernetkabel (Kategorie 5) ersetzte Hunderte einzelner Leiter, die die SPS mit dem alten Bedienpult verbanden.

Weitere NI-PAC-Produkte ergänzten die PXI-Plattform, um die Anforderungen an das Steuer- und Regelsystem zu erfüllen. Die Zentrifugensteuerung muss nicht nur das über 900 PS verfügende DC-Antriebssystem sowie die Brems- und Kühlsysteme steuern, sondern sich auch an die am Zentrifugenarm montierte Ausrüstung zur Feststellung eines Ungleichgewichts ankoppeln lassen. Das ursprüngliche System bewältigte diese Aufgabe so, dass viele Analogsignale durch einen elektrischen Schleifringaufbau und zwei Etagen höher zur SPS geleitet wurden. Dieses fehleranfällige System wurde durch FieldPoint-Hardware von NI ersetzt, die die Analogsignale digitalisiert, bevor sie über eine serielle Schnittstelle an den PAC geschickt werden. So wird die Verdrahtung vereinfacht und die Auflösung des Ausgleichssystems verbessert.

Die neue Verarbeitungsleistung des PXI-Embedded-Controllers wurde genutzt, um Messungen der Zentrifugenvibration durchzuführen. Dazu wurden der Dynamiksignalanalysator NI PXI-4472, LabVIEW, das LabVIEW Sound and Vibration Toolkit und das LabVIEW Order Analysis Toolkit eingesetzt. Die Hard- und Software verarbeitet Schwingungswerte, die an wichtigen Punkten an maschineller Ausrüstung in Echtzeit gemessen wurden und extrahiert mengenmäßige Datenpunkte, die zeitlich verfolgt werden. Ein Vergleich der historischen Schwingungswerte mit Echtzeitdaten trägt dazu bei, potenzielle Probleme beim Motor, Getriebe und Führungsschienensystem der Zentrifuge festzustellen.

Steuerungs- und Datenerfassungssystem

Das alte Datenerfassungssystem der Zentrifuge, ein wichtiger Bestandteil für Forschungsprojekte, bestand aus einer lose verbundenen Sammlung von Ausrüstungkomponenten. Diese Digitalisierer, Signalkonditionierer, Servosysteme und Steuerungsrechner verteilten sich über drei für die Zentrifuge genutzte Etagen und waren untereinander mit kilometerlangen Kabeln verbunden. Zudem waren sie in ihren Einsatzfunktionen beschränkt und in ohem Maße komplex. Ausfälle waren an der Tagesordnung, und Prüfstücke wurden vergeudet. Da Zentrifugenexperimente eine genaue Abstimmung zwischen unterschiedlichen Hard- und Softwaresystemen erfordern, ist die enge Integration zwischen Komponenten von entscheidender Bedeutung.

Erfahrungen mit dem alten System und Beschränkungen beim Weiterleiten von Signalen an die Schleuderzentrifuge und umgekehrt führten zur Wahl eines PXI-basierten PACs als Plattform zur Steuerung und Datenerfassung für das Experiment. Das PXI-System dreht sich auf der Zentrifuge, die nahe der Drehachse montiert ist, und bildet eine stabile, industrietaugliche und robuste Plattform für die Zentrifuge. Der industrielle Formfaktor trägt dazu bei, dass der PXI-PAC gegenüber den mechanischen Beanspruchungen, die durch die Zentripetalbeschleunigung der Maschine auf ihn ausgeübt werden, widerstandsfähig ist. Das breite Angebot an Hardware für diese Plattform, darunter Bildverarbeitungssysteme und Motorensteuerungen, ersetzte das alte System durch ein eng integriertes, robustes Produktpaket. Die Zusammenfassung der Ausrüstung auf dem Zentrifugenarm vereinfacht den Experimentaufbau erheblich.

Auf dem Datenerfassungssystem läuft ein mit LabVIEW programmiertes Windows-Betriebssystem. Zum PXI-System gehört eine Multifunktions-Datenerfassungskarte, die mit einem SCXI-Chassis verbunden ist, das über mehrere SCXI-Module für die Signalkonditionierung verfügt. Zu den SCXI-Modulen zählen NI SCXI-1520, NI SCXI-1102, NI SCXI-1540, NI SCXI-1125 und NI SCXI-1124. Neben Möglichkeiten zur Messung von Dehnung, Temperatur und Beschleunigung steht eine Karte des Typs PXI-4472 im PXI-System bereit, die Beschleunigungssensormessungen ausführt und ein Hochleistungsgerät zur Motorensteuerung NI PXI-7344 für die Steuerung von Ausrüstung zum Umgang mit Prüfstücken, die dezentral getestet werden sollen.

Das Bedienpersonal hat über ein handelsübliches drahtloses Netzwerk Zugriff auf das Datenerfassungssystem. In diesem Netzwerk werden ein integrierter Remote Desktop Client für Windows und LabVIEW-DataSocket-Verbindungen verwendet. Aufgrund des Netzwerkzugriffs kann der Bediener das System aus der Zentrifugenkammer, vom Kontrollraum oder vom Internet aus nutzen. Analogwandler werden mittels RJ-45-Steckbrettern und einem Ethernet-Kabel der Kategorie 5, das knapp 5,5 m zwischen dem Zentrifugenzentrum und der Nutzlastplattform überbrückt, an das PAC-System gekoppelt. Die RJ-45-Steckbretter eignen sich sehr gut für die Vielfalt an Analogsensoren, die für die geotechnische Forschung verwendet werden, und die Kategorie-5-Verkabelung wahrt die Integrität der Analogsignale. Das RJ-45-Steckbrett und die Verkabelung der Kategorie 5 boten eine beträchtliche Einsparung hinsichtlich Kosten und Arbeitsaufwand verglichen mit einem herkömmlichen verdrahteten System.

Eine einfache, umfassende Lösung

Unter Einsatz von NI-Produkten konnte eine umfassende Lösung für spezifische Anforderungen im Hinblick auf Steuerung und Datenerfassung innerhalb eines minimalen Zeitraums und, verglichen mit einem neuen SPS-Steuerungssystem, mit erheblichen Kosteneinsparungen erstellt werden. Der Großteil dieser Einsparungen ergab sich aus dem Einsatz von LabVIEW für die Programmierung beider Systeme und der Ausnutzung interner Fachkenntnisse. Das hohe Niveau an Integration und Modularität, das von der PXI-Plattform bereitgestellt wird, erhöhte die Zuverlässigkeit und Produktivität des Zentrifugenlabors beträchtlich und machte die Systeme viel einfacher und leistungsfähiger.

Weitere Informationen erhalten Sie über:

Robb Wallen

Geotechnical Centrifuge Laboratories

Department of Civil, Environmental, and Architectural Engineering

Engineering Center ECOT 441, UCB 428

University of Colorado at Boulder

Boulder, CO 80309, USA

E-Mail: wallenr@colorado.edu

 

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