Locker und elastisch oder zu fest – ob der Teig die richtige Konsistenz hat, soll ein industrieller Teigkneter selbstständig beurteilen. Dazu entwickeln Forscher einen intelligenten, selbstlernenden Regler. Der modellbasierte Regelalgorithmus wird mithilfe eines Rapid-Control-Prototyping-Szenarios validiert. Der Beitrag zeigt den Entwicklungsprozess auf, insbesondere aber die Implementierung einer Labview-basierten Profinet-Schnittstelle unter VeriStand.

Der Maschinen- und Anlagenbau steht vor einer großen Herausforderung: Anlagen müssen im Rahmen von Industrie 4.0 intelligent werden, beispielsweise mittels adaptiver oder selbstoptimierender Fertigungsprozessen. Dieser Trend ist auch in der Bäckereitechnik zu finden. Dazu arbeiten im Rahmen eines Verbundprojekts das Spitzencluster „Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe“ (It’s OWL) mit dem Unternehmen WP Kemper zusammen. Der Name des Projekts: intelligenter und optimierter Teig-Knetprozess (Inotek).

Für kleinere Bäckereien bietet die Firma WP Kemper unter anderem Knetautomaten an. Ausgestattet sind die Kneter mit einer hochwertigen Mechanik und einer zeitlichen Prozesssteuerung. Unverzichtbar ist im bisherigen Fertigungsprozess ein Bäckermeister, welcher die optimale Teigkonsistenz während des Knetvorgangs überwacht und gegebenenfalls den Prozess nachjustiert.

Im Rahmen des Projekts entwickeln die Experten nun einen intelligenten, modellbasierten Steuer- und Regelalgorithmus. Dieser soll mithilfe eines physikalischen Modells den Zustand der Teigherstellung überwachen, ermitteln und diesen durch entsprechende Aktor-Eingriffe maßgeblich und selbständig beeinflussen. Die Herausforderung ist, den in Simulink/Stateflow implementierten Regelalgorithmus in einem Rapid-Control-Prototyping-Szenario (RCP) mithilfe von Hard- und Softwarekomponenten an einem realen Teigkneter zu validieren.

Der Kneter-Prüfstand in der Praxis

Der in Betrieb zu nehmende Teigkneter-Prüfstand basiert auf einer handelsüblichen Teigknetmaschine Eco 50 von WP Kemper. Der Kneter besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: dem Bottich und der Knetspirale. Angetrieben werden diese Komponenten von elektrischen Servomotoren der Firma Lenze. Der Teig wird vermischt, indem jeweils Drehrichtung und -geschwindigkeit der Motoren eingestellt werden. Damit sind die Stellgrößen des Systems und der intelligenten Regelung definiert.

Serienmäßig werden diese über eine Siemens-SPS und einem Touch-Panel vorgegeben. Die SPS gibt Sollwerte der Drehzahlen und Drehrichtung an die Lenze-Servoregler vor, welche dann wiederum die internen Berechnungen zur direkten Ansteuerung der Servomotoren durchführen. Dies stellt den steuerungstechnischen Status Quo des Kneter-Prüfstands dar und soll als Basis für weitere Modifikationen dienen.

Zur Inbetriebnahme des intelligenten Regelalgorithmus binden die Ingenieure zusätzliche Hardwarekomponenten von National Instruments in die bestehende Infrastruktur ein. Kern dieser Erweiterung ist ein CRio-9082, das als Target zur Simulation der modellbasierten Regelung unter Echtzeitanforderungen dient. Die Konfiguration, die Einbindung des Modells, der Start und die Bedienung der Prüfabläufe erfolgen über VeriStand. Zusätzlich bringen die Forscher Drehmoment-, Kraft- und Temperatursensoren an.

Über deren Messwerte überwacht und ermittelt die Regelung den aktuellen Teigzustand. Die Aufnahme der zusätzlichen Sensorsignale übernehmen Analog-Eingangsmodule von National Instruments (Typ NI 9215 und NI 9237).

SPS als Profinet-Brücke

Da der Prüfstand auch weiterhin mit der serienmäßigen SPS samt Touch-Panel betrieben werden soll, erfolgt die Anbindung der Servomotoren über eine Profinet-Buskommunikation zwischen CompactRio und SPS. Hierzu erweitern die Forscher die Siemens-SPS im Vorfeld softwareseitig um den Modus Fernbetrieb. In diesem Modus fungiert die SPS als Profinet-Brücke zwischen weiteren externen Teilnehmern und den Servomotoren. Auf Basis eines definierten Bus-Protokolls können die vom Regelalgorithmus zu stellenden Sollwerte an die Servoregler übertragen werden. Als Grundlage für die Profinet-Anbindung des CompactRios dient ein CompactRio-Profinet-Slave-C-Series-Modul der Firma Comsoft.

Implementierung der Profinet-Schnittstelle

Die Einbindung der Profinet-Schnittstelle in VeriStand erfolgt durch ein Labview-basiertes Custom Device, das die Profibus-Kommunikation übernimmt und entsprechende Channels zur Verknüpfung der Modellein- und -ausgänge bereitstellt. Dieses synchron zur Primary Control Loop laufende Custom Device wurde mithilfe des Easy Custom Device Tools erstellt. Über bereitgestellte Labview-Methoden und Eigenschaftsknoten der Firma Comsoft werden die zu erstellende Datenpakete verschickt und empfangen.

Die Hauptaufgabe des implementierten Custom Devices ist es, die von der SPS kommenden Datenpakete in einzelne Datenfelder aufzuschlüsseln und diese der Entwicklungsumgebung bereitzustellen. Des Weiteren paketiert das Custom Device die Sollwert-Signale des Steuerungsmodells in ein Bytearray, das dann über Profinet verschickt und gemäß des definierten Protokolls auf der SPS verarbeitet wird.

Abbildung 2 zeigt exemplarisch, wie ein ankommendes Bytearray für die Weiterverarbeitung in einzelne Bestandteile zerlegt und der Wert den jeweiligen Variablen zugeordnet wird. Eine boolsche Variable wie das Signal der Anlagenstörung, hat die Größe von einem Bit. Numerische Werte wie die Ist-Position des Knethakens sind vom Datentyp Int32 und haben folglich eine Größe von 4 Bytes.

Die in dem Custom Device implementierte Funktionalität der Profinet-Kommunikation wird fortführend in VeriStand eingebunden. Durch die erzeugten Inputs und Outputs können die entsprechenden Datenfelder direkt mit den Ein- und Ausgängen des intelligenten Regelalgorithmus verbunden oder alternativ manuell über den VeriStand-Workspace vorgegeben werden. Somit wurde eine Verbindung zwischen den Ein- und Ausgängen des Steuerungsmodells und den entsprechenden Stell- und Istgrößen der Lenze-Servoregler ermöglicht.

Zusammenfassung

In diesem Beitrag wurde im Rahmen einer RCP-Anwendung die Implementierung einer Profinet-Schnittstelle unter VeriStand gezeigt. Ziel war die Kopplung einer Siemens-SPS mit einem CompactRio-9082 und die Inbetriebnahme einer intelligenten selbstlernenden Regelung eines industriellen Teigkneters. Mit der Realisierung des Custom Devices ist es gelungen, Hard- und Softwarekomponenten der Firma National Instruments mit klassischen Automatisierungssystemen zu vernetzen. Grundsätzlich lassen sich auf diese Weise eine Vielzahl von Schnittstellen aus der industriellen Automatisierungstechnik und somit weitere X-in-the-Loop-Szenarien realisieren.