Automatisierungstechnik-Wirtschaft
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Die Komplexität von automatisierten Systemen, die durch eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gesteuert werden, wie es Prüfstände in der Automobilindustrie sein können, nimmt weiter zu. Die herkömmliche Planung, Programmierung und Bewertung dieser Systeme ist auf lange Sicht nicht kosteneffizient. Daher ist es für den Erfolg eines Unternehmens wichtig, die Effizienz des Entwicklungs- und Fertigungsprozesses zu steigern. Ziel dieser Masterarbeit ist es daher, eine Anwendung zu entwickeln, die den Prozess solcher Systeme stärker automatisiert. Dies bedeutet, dass eine SPS-Software oder ein Validierungsplan für ein System nahezu automatisiert erstellt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die programmierte Anwendung in der Lage, Daten aus einer externen Quelle zu importieren und konvertieren. Die importierte Datei wird aus einem aktuellen Schaltplanprojekt eines solchen automatisierten Systems erstellt. Die Anwendung wandelt diese Daten in nützliche Informationen um, die in der entwickelten Anwendung verarbeitet werden, um den Entwicklungsprozess zu automatisieren. Zusammengefasst erlaubt das entwickelte Programm die Erstellung einer Hardwarekonfiguration, das Anlegen lokaler und globaler Variablen, die Erstellung von definierten Quellcodezeilen in der Entwicklungsumgebung TwinCAT3 sowie die Erstellung eines Bewertungsplanes. Je nach Komplexität des Systems ist das manuelle Eingreifen von Entwickler*innen in die Projekterstellung möglich bzw. notwendig. Allerdings macht diese Anwendung den Entwicklungsprozess von Anlagen, welche von einer SPS gesteuert werden, effizienter und führt zu einer Senkung der Fehleranfälligkeit.
Wasserkonditioniereinheiten dienen der Versorgung von Fahrzeugteilen mit dem benötigten Kühlwasser auf Fahrzeug-Prüfständen. Innerhalb definierter Grenzen kann die Temperatur, der Volumenfluss und der Druck des Kühlmediums eingestellt werden. Die Inbetriebnahme der Temperaturregelung solcher Anlagen stellt dabei ein zeitintensives Unterfangen dar und erzeugt oftmals nur ein unzureichendes Ergebnis. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Parameter des verwendeten PID-Reglers automatisiert zu berechnen. Dies soll durch Verwendung eines thermischen Modells der Anlage erfolgen, welches automatisiert identifiziert wird. Die notwendigen Applikationen werden dabei mittels Matlab®/Simulink® umgesetzt und anschließend in einer speicherprogrammierbaren Steuerung ausgeführt. Im ersten Schritt werden die Einflüsse auf das thermische Verhalten mittels Versuchen an der Anlage ermittelt. Folgend wird ein thermisches Modell aus den physikalischen Zusammenhängen erstellt. Hierzu werden die einzelnen Anlagenteile in ihre Zustandsraumdarstellung überführt. Für die Parameter des thermischen Modells wird im folgenden ein Identifikationsverfahren implementiert, welches auf Grundlage eines rekursiven Least Squares Algorithmus und der Linearisierung der Temperaturverläufe basiert. Abschließend werden mit Hilfe des identifizierten Modells und den Chien-Hrones-Reswick Einstellregeln die Parameter des Temperaturreglers automatisiert berechnet. Die Validierung des Anlagemodells und des Identifikationsverfahrens zeigt dabei, dass das dynamische Verhalten mittels des identifizierten Modells nachgebildet werden kann. Die automatisch berechneten Reglerparameter ermöglichen einen stabilen Betrieb der Temperaturregelung und können als Startwerte für weitere Optimierungen herangezogen werden. Im Vergleich zur händischen Parametrierung des Reglers kann die Inbetriebnahmezeit auf wenige Stunden reduziert und die Regelgüte auf ein konstantes Niveau gebracht werden.
Matrix Laboratory (Matlab)/Simulink-Modelle werden häufig für die Prüfstandsregelung eingesetzt und auf optimierten Hardwarelösungen implementiert, um schnelle Reaktions- und Verarbeitungszeiten zu gewährleisten. Alternativ können diese Modelle auch direkt auf einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) implementiert werden, die standardmäßig in einem Prüfstand zur Realisierung von Sicherheitsfunktionen integriert ist. Erreicht diese SPS eine vergleichbare Performance in der Modellausführung ohne Funktionalitätseinschränkungen, kann sie auch für ausgewählte Anwendungsbereiche zur Prüfstandsregelung eingesetzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, Implementierungsmöglichkeiten von Matlab/Simulink-Modellen auf einer SPS aufzuzeigen und zu bewerten sowie die Performance ausgewählter Steuerungshardware zu analysieren. Nach einer Literaturrecherche und Experteninterviews mit dem Kooperationspartner werden Anforderungskriterien für eine Systembewertung definiert. Im praktischen Teil werden Modellimplementierungen von ausgewählten Testfunktionen sowie eine Performanceanalyse der Hardware durchgeführt und bewertet. Bei der Performanceanalyse wird einerseits die Modellausführungsgeschwindigkeit auf der CPU selbst und andererseits die Signallaufzeitverzögerung der dezentralen Ein-/Ausgabemodule bestimmt. Das Ergebnis dieser Masterarbeit ist eine Systembewertung der SPS-Systeme der Hersteller Siemens und Beckhoff für die Prüfstandsregelung. Aus dem ermittelten Signallaufzeitverzögerungen und Grenzfrequenzen der Systeme lassen sich potenzielle Anwendungsbereiche ableiten. Daher ist das gesammelte Wissen aus dieser Masterarbeit für Ingenieure zur Erstellung und Implementierung von Matlab/Simulink-Modellen auf einer SPS sowie für den Reglerentwurf interessant.