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Schlaufensteuerung mit Distanzsensor

In dem Experiment kommen zwei Motoren und ein Distanzsensor zum Einsatz. Die Motoren bewegen zwei Walzen, die Bandmaterial transportieren. Zwischen den beiden Walzen wird eine Materialschlaufe, die unter anderen zum Abbau von Materialspannungen dient, gebildet. Das Produktionstempo wird von der Zugwalze bestimmt. Die Höhe bzw. Tiefe der Schlaufe, die vor der Zugwalze entsteht, wird von einem Distanzsensor, der ein Signal 0-10V liefert, überwacht. Mit dem Signal wird die Förderwalze gesteuert. Ihre Aufgabe ist es, dafür zu sorgen, dass in der Schlaufe, die auch als Materialspeicher angesehen werden kann, stets genügend Material vorhanden ist.
Die Förderwalze wird ausschließlich mit dem Signal des Distanzsensors gesteuert. Zwischen den Steuerungen der Zug- und Förderwalze gibt es keine Schnittstelle, über die weitere Signale ausgetauscht werden. Die Versuchsanordnung:

Schema der Anordnung

Zugwalze

Gleichstrommotor

In der Testanordnung wird die Zugwalze von einem Gleichstrommotor angetrieben. Die Drehzahl des Motors wird manuell mithilfe eines Treibers vorgegeben. Bei dem Treiber handelt es sich um ein fertiges Modul, das Gleichstrommotoren bis 48V mit dem PWM Signal steuern kann. Die Drehzahleinstellung wird hier mit einem Potenziometer realisiert.

Motortreiber

Distanzsensor

Als Signalgeber fungiert in der Testschaltung ein Laser der Firma Keyence. Hier kann natürlich jeder beliebige Sensor, der ein Signal 0-10V liefert, angewendet werden. Der Laser arbeitet mit einer Spannung von 20 bis 30VDC und kann Entfernungen von 60 bis 5000 mm erfassen.

Keyence-Laser als Distanzsensor

Förderwalze

3-Phasen Motor

Unsere Förderwalze wird von einem 3-Phasen-Motor angetrieben. Der Motor selbst wird mit einem Frequenzumrichter der Firma Nordac gesteuert (SK 500E). Die Aufgabe des Umrichters ist, die Drehzahl der Förderwalze in Abhängigkeit des Wertes aus der Schlaufe dem Produktionstempo anzupassen. Damit der Umrichter seine Aufgabe bewältigen kann, muss er parametriert werden.

Frequenzumrichter

Um den optimalen Motorlauf zu gewährleisten, sollen die richtigen Motordaten in dem Umrichter eingegeben werden.
Mit weiteren Parametern wird das gewünschte Verhalten des Umrichters bestimmt. Die Aufgabe ist alles andere als kompliziert und wird wie folgt definiert:
Ist die Materialschlaufe voll und das empfangene Lasersignal 0V beträgt, soll der Motor stehen bleiben und kein Material mehr in die Schlaufe fördern.
Ist die Materialschlaufe leer und das empfangene Lasersignal 10V beträgt, soll der Motor mit seiner maximalen Drehzahl das Material in die Schlaufe nachfordern.
Die Drehzahländerungen zwischen den beiden Grenzwerten von 0V und 10V sollen stufenlos erfolgen. Der Umrichter soll mit einem Schalter ein- bzw. ausgeschaltet werden können.
In der Form entspricht die Aufgabe den Standardeinstellungen des Umrichters (Werkseinstellungen), die nur geringfügig angepasst werden müssen. Die hier relevanten Parameter sind:

P102 – Rampe Auf – 10s (Werkseinstellung 2s)
P103 – Rampe Ab – 10s (Werkseinstellung 2s)
P104 – Minimalfrequenz – 0 Hz (Werkseinstellung 0 Hz)
P105 – Maximalfrequenz – 7 Hz (Werkseinstellung 50 Hz)
P400 – Analogeingang 1 –Sollfrequenz (Werkseinstellung Sollfrequenz)
P402 – Abgleich Analogeingang – 0,3 V (Werkseinstellung 0V)
P420 – Digitaleingang 1 – Freigabe rechts – (Werkseinstellung Freigabe rechts)
P505 – Abs. Minimalfrequenz – 0 Hz (Werkseinstellung 2 Hz)

Der Schaltplan

Schaltplan

Die Testschaltung

Die Testschaltung ist so aufgebaut, dass die Materialschlaufe nicht unten, sondern oben gebildet wird. Die Anordnung klappte mit dem schmalen Zahnriemen in der Form etwas besser. Prinzipiell ändern sich dadurch gar nichts. Lediglich der Distanzsensor muss anders eingestellt werden. Er muss jetzt 0V oben und 10V unten liefern.

Schema Schlaufe oben

Wichtig ist jedoch nur das Verhalten der Schlaufe. Man kann beim Testen beobachten, dass die Höhe der Schlaufe von der Materialgeschwindigkeit abhängig ist. Beim langsamen Fahren ist die Schlaufe groß, bei steigender Geschwindigkeit wird das Band immer strammer. Das bedeutet, dass mit dieser Methode das Material nicht konstant auf einer bestimmten Höhe gehalten werden kann. Bei vielen praktischen Anwendungen ist diese Tatsache ohne Bedeutung. Ist es jedoch notwendig, dass eine konstante Materialhöhe eingehalten werden muss, muss ein anderes Regelverfahren angewendet werden.

Testschaltung

Kurzvideo

Schlaufensteuerung

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