Taajuusmuuttaja servotyyppisissä sovelluksissa Markku Jokinen, LAC, 20.03.2012 Taajuusmuuttaja servotyyppisissä sovelluksissa © ABB Group April 8, 2017 | Slide 1

Luennoitsija: Markku Jokinen ABB Drives/LAC/FA/SSW and algorithms 6/2010 -> Vastuualueet: Nopeus- ja paikanmittaus algoritmit, nopeus- ja paikkasäätö, säätöteknilliset asiantuntijatehtävät, yliopistoyhteistyö FA:n osalta Väitös: 2010 ” CENTRALIZED MOTION CONTROL OF A LINEAR TOOTH BELT DRIVE: ANALYSIS OF THE PERFORMANCE AND LIMITATIONS” D-työ: 2004 ”Induktiomoottorikäytön paikkasäädön suorituskyky” Tutkimusapulainen LUT: 5/2003 -> © ABB Group April 8, 2017 | Slide 2

Esityksen sisältö Taustaa servomaailmassa työskentelyyn Taajuusmuuttaja liikkeenohjauskäyttönä Säätöalgoritmit taajuusmuuttajassa (nopeus ja paikka) Säädön suunnittelu Case: porttaalirobotti Taajuusmuuttajan sovellusohjelmointi Sovellukset: torninosturi, hissi © ABB Group April 8, 2017 | Slide 3

Työskentely servomaailmassa Keskeisimmät osa-alueet Säätötekniikka: lineaarinen säätöteoria Mallinnus: mekaaninen ymmärrys tarvitaan Ohjelmointikyky: C, C++, VHDL Nopea ymmärtäminen, kyky omaksua uusia asioita Tarvittavat ohjelmistot VisualStudio (tai vastaavat) Matlab, m-file + simulink Office paketti Valmius opetella uusia ohjelmia nopeasti (mm ModelSim yms, CAD yms) © ABB Group April 8, 2017 | Slide 4

Miksi servotekniikka? Suorituskyky ero servokäyttöjen ja perinteisten AC-käyttöjen välillä kaventunut Servosovellusten markkinat kasvavat nopeasti Taloustietoa 22 % EU:n bruttokansantuotteesta tulee valmistuksesta (manufacturing) 70 % työstä on tekemisessä valmistusteollisuuden kanssa Historiaa ja tulevaisuutta Ensimmäinen massatuotanto alkoi 1913. Tuli ensimmäinen tuotantolinja (Henry Ford) 1970-luvulla tuli ensimmäisen ”joustavat” valmistustavat FMS-robotit Tulevaisuudessa valmistusteollisuus tulee kasvamaan => tarpeita muuntelukykyisille robottisovelluksille © ABB Group April 8, 2017 | Slide 5

Miksi servotekniikka? Markkinan koko samaa luokkaa kuin industrial puoli Kasvaa nopeasti Työntekijän kannalta Paljon haasteita Paljon kehitettävää (autotuning, säätö yms) Vähän oikeita osaajia => mahdollisuus vaikuttaa © ABB Group April 8, 2017 | Slide 6

Keskeisimmät trendit Hajautettu säätö (ethernet pohjaisten väylät) Adaptiiviset säädöt Käytön helppous IEC standardin mukaiset ohjelmistot Rapid prototyping Sovellusohjelmointi mahdollisuudet © ABB Group April 8, 2017 | Slide 7

Tarkkuusluokat Differences between repeatability and accuracy. The desired point is in the origin. a) Low accuracy and low repeatability, b) low accuracy and high repeatability, and c) high accuracy and high repeatability. © ABB Group April 8, 2017 | Slide 8

Servojärjestelmä Ethernet EtherCAT CANopen PROFIBUS/PROFINET I/O RT Alternative: MODBUS PROFIBUS/PROFINET I/O RT © ABB Group April 8, 2017 | Slide 9

Keskeiset synkronointitavat Synchronization methods. a) Independent motions, no synchronizing, b) a classical master/slave configuration, c) synchronized motion, d) co-ordinate motions, and e) fully co-ordinate motions. SC is the servo controller, FC is the frequency converter, j(t) is the motion reference, and w(t) is the velocity reference. © ABB Group April 8, 2017 | Slide 10

Synkronointitavan merkitys 1/2 Isäntä-orjaohjausmenetelmä Rinnanohjaus © ABB Group April 8, 2017 | Slide 11

Synkronointitavan merkitys 2/2 Kompensaattori parantaa tuloksia merkittävästi vain, jos kelkkojen välillä on dynaamista eroa. Esitetty kompensaattori poistaa kelkkojen välistä paikkaeroa tehokkaasti, vaikka akseleiden välillä esiintyisi nopeita dynaamisia muutoksia. © ABB Group April 8, 2017 | Slide 12

Säädön jakaminen Motion Controllerin ja Taajuusmuuttajan välillä © ABB Group April 8, 2017 | Slide 13

Position & Synchronization Control Motion Control Position & Synchronization Control Point to point positioning Pos ref 2 Pos speed 1 Prof Acc 1 Prof Dec 1 Pos filt 1 Pos style 1 Profile 1 Pos ref 1 Pos speed 1 Prof Acc 1 Prof Dec 1 Pos filt 1 Pos style 1 Position Ref. profile Selection IPO Pos Filt Profile 2 FB profile SP Block profile Synchronization Position P-Control AI1 AI2 FB D2D 2ndENC VM Sync Ref handling Dynamic Limiter Syncro Ref. Selection Speed Ref Pos CAM + Speed Feed FWD ENC1 ENC2 DI Fast DI Homing ctrl Virtual Master EO Encoder Emulation Position feedback Cyclic correction © ABB Group April 8, 2017 | Slide 14

Paikkasäätö Paikkasäätö P-paikkasäädin, joskus PI(D) Jos PID säädin => ei nopeussäätöä Nopeusmyötäkytkentä, pelkkä derivointi © ABB Group April 8, 2017 | Slide 15

Nopeussäätö Useimmilla valmitajista näin PI(D)-säädin + alipäästösuodatin + kaistanestosuodin + kiihtyvyyden kompensointi (inertian kompensointi) Poikkeuksia löytyy muutama Konffattavia bi-quad filtereitä, estimaattoreita, mallipohjaisia myötäkytkentöjä, värähtelyn kompensaattoreita Yleensä jonkunlainen auto-tuning funktio, ei suodattimille. Harvoilla värähteleville kuormille. http://www.youtube.com/watch?v=Nl71v8EpFio Lisäksi prosessi PID-säätimiä, kitkan kompensointi taulukoimalla, yms. Osa tehtävä itse sovellusohjelmoinnilla © ABB Group April 8, 2017 | Slide 16

Säätösuunnittelu: Case Porttaalirobotti A = johteen maksimikiihtyvyys C = SKS-ohjeen mukaan laskettu käyttäen ”todellisia” hitausmassoja D = Valmistajan antama maksimikiihtyvyys testilaitteelle F = Valmistajan ohjeiden mukaan laskettu käyttäen ”todellisia” hitausmassoja © ABB Group April 8, 2017 | Slide 17

Säätösuunnittelu: Case Porttaalirobotti X-akselin mekaniikan vahvistus ja vaihe X-akselin jousivakio kuvaaja © ABB Group April 8, 2017 | Slide 18

Säätösuunnittelu: Case Porttaalirobotti Momentin nousunopeuden rajoitussuotavaa. Voi tehdä myös alipäästösuodattimella (ei tehokasta) Kaistanpoistosuodatin hyvä, jos korkea taajuus ja resonanssin taajuus ei vaihtele. © ABB Group April 8, 2017 | Slide 19

Säätösuunnittelu: Case Porttaalirobotti Mekaniikan yhtälöt Yksinkertaistettuna Jousivakio lasketaan Hooke:n laista Efektiivinen Jousivakio Grahamin opeista © ABB Group April 8, 2017 | Slide 20

Robusti säätösuunnittelu QFT (quantitative feedback theory) Perustuu klassiseen säätöteoriaan ja on taajuus-taso suunnittelu menetelmä Perusideana Yksinkertainen Mahdollisimman pienet vahvistukset Täyttää prosessin suorituskykyvaatimukset Suorituskyky vaatimukset annettavissa Prosessin parametri epävarmuus voidaan huomioda Suorituskyky vaatimuksia © ABB Group April 8, 2017 | Slide 21

Robusti säätösuunnittelu QFT (quantitative feedback theory) Kaskadisäätöön liittyvät huomautukset Nopeussäätimen parametrit Paikkasäätimen vahvistus Nopeussäätimen virittäminen tärkeää nopeussäätö rajoittaa paikkasäädön suorituskykyä Suuri Mt arvo tarkoittaa pienempää vaihevaraa ja suurempaa ylitystä Ilman nopeusmyötäkytkentää suorituskyky huono Kiihtyvyyden kompensointi ei välttämättä auta suorituskyvyssä © ABB Group April 8, 2017 | Slide 22

Robusti säätösuunnittelu QFT (quantitative feedback theory) Kiihtyvyyden kompensointi parantaa suorituskykyä matalilla taajuuksilla, mutta aiheuttaa värähtelyä korkeilla taajuuksilla joustavilla järjestelmillä => taajuutta rajoitettava, jos kiihtyvyyden kompensointia käytetään © ABB Group April 8, 2017 | Slide 23

Kiihtyvyyden kompensointi värehtelessä järjestelmässä Vasen yläkulma: Kaskadi Oikea yläkulma: PID-paikka Vasen alakulma: Kaskadi sekä kiihtyvyys- että nopeusmyötäkytkennällä Oikea alakulma: PID-paikka kiihtyvyysmyötäkytkennällä © ABB Group April 8, 2017 | Slide 24

Kitkankompensointi Kompensointiyhtälö Tämä on kuitenkin aika vaikea toteuttaa ja erilaisia onglemia on tiedossa. © ABB Group April 8, 2017 | Slide 25

Sovellusohjelmointi Toiminnallisuus eri kerroksissa: Inverter: DTC Motor: tukee kaikkia moottorityyppejä Drive: Paikka ja nopeussäätö + start ja stop logiikka. Lähtö on vääntömomenttireferenssi Machine: Sovelluksen vaatimet funktiot Ei voida tietää kaikkia asiakkaan vaatimia toimintoja ja ne voidaan tuoda sovellusohjelmoinnilla machine drive motor inverter Application program © ABB Group April 8, 2017 | Slide 26

Sovellusohjelmointi Mahdollistaa Lisää säätömahdollisuuksia Lisää parametreja ja diagnostointia Asiakassovelluksen salauksen IEC 61131-3 ohjelmointistandardi tarjoaa Laajasti käytetty kieli = useita kehittäjiä/osaajia Käyttäjä ei ole lukittunut yhteen valmistajaan Miksi driveen Suorituskyky (ei viiveitä) Kustannussäästö ja luettavuus (ei ylimääräisiä komponentteja) © ABB Group April 8, 2017 | Slide 27

Sovellusohjelmointi IEC-61131-3 on kansainvälinen standardikieli ohjelmoitaville controllereille Kielet Ladder Instruction list Function Blocks (Continuous Function Chart) Sequential Function Charts Structured text Lisäksi IEC standardin mukaiset data tyypit ja ohjelmointi rakenne Olio ohjelmointi Hyvät ohjelmointi työkalut © ABB Group April 8, 2017 | Slide 28

Sovellusohjelmointi Sopii myös PLC:lle että Driveen PLC & Drive IEC-programming Drive configuration and diagnostics © ABB Group April 8, 2017 | Slide 29

Sovellusohjelmointi Esimerkiksi: FA FUNC SET 1 (ramppi) FA FUNC SET 2 (erosuureen laskenta) FA FUNC SET 3 (nopeussäätö) FA FUNC SET 4 (vääntömomentin käsittely) © ABB Group April 8, 2017 | Slide 30

Sovellusohjelmointi © ABB Group April 8, 2017 | Slide 31

Sovellus: Case Hissi Yleensä Hisseille on aivan omat ohjaimensa: PLC + hissi suunniteltu taajuusmuuttaja Sovellusohjelmoinnilla voidaan standardi taajuusmuuttaja saada sopimaan hissisovelluksiin Mahdollistaa monipuolisemman asiakas palvelun hissifirmoille ja laajemman/nopeamman varaosapalvelun Hyvät safty ominaisuudet, suuret tehot, monipuoliset takaisinkytkentä mahdollisuudet, verkkoon jarruttavuus, UPS-pohjaisen turvatoiminnot. © ABB Group April 8, 2017 | Slide 32

Sovellus: Case Hissi Yleensä tarvitaan kahdet kontaktorit, mutta STO (safety torque off) mahdollistaa toisen poistamisen ABB voi tarjota anturittoman säädön, jota ei löydy normaaleista hissiohjaimista. One motor contactor replaced with STO © ABB Group April 8, 2017 | Slide 33

Sovellus: Case Hissi Drive logic control Mekaanisen jarrun säätö Pelastus operaatio Nopeusreferenssin valinta Nopeusprofiilin muokkaus Edistyksellinen hidastus Valvonta ja suojaus funktioita Vääntömomentin kompensointi Sulava liikkeellelähtö © ABB Group April 8, 2017 | Slide 34

Sovellus: Torninosturi Vaatimukset Kuorman pitää liikkua heilumatta Ohjaajalla oltava tuntuma liikkeeseen Tavat ohjata Momenttiohje tai nopeusohje joistikin kautta. © ABB Group April 8, 2017 | Slide 35

Sovellus: Torninosturi © ABB Group April 8, 2017 | Slide 36

Sovellus: Torninosturi testaus 1. simuloimalla 2. Hardware in Loop testejä 3. Simulaattori http://www.youtube.com/watch?v=v053XPYrNjA © ABB Group April 8, 2017 | Slide 37

Kiitoksia kuuntelemisesta! Loppu Kysymyksiä ???? Kiitoksia kuuntelemisesta! © ABB Group April 8, 2017 | Slide 38