Meglepően hatékony robotos raktár rendszer TwinCAT 3 PC vezérléssel

A nagy raktárakban és logisztikai központokban a hagyományos automatikus raktározó és készletező gépek ma már teljesen általánosnak tekinthetők. Ezeknek a raktározó gépeknek azonban jellemzője, hogy a hasznos teher a teljes mozgatott tömeghez viszonyítva nagyon csekély. A Német Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium által finanszírozott “EffizienzCluster LogistikRuhr” projektben Duigsburg-Essen Egyetem kutatói kiküszöbölték ezt az egyenlőtlenséget egy függesztett, párhuzamos kábeles robottal. A megvalósításban nagy segítségükre volt az olcsó és rugalmas Beckhoff PC-alapú TwinCAT 3 vezérlés, melybe egyszerűen integrálhatták a Matlab®/Simulink® környezetben már rendelkezésre álló tudásbázist.

Beckhoff_storage_1

Az automatikus raktározó és készletező gépeket (SRM) belső logisztikai feladatok ellátására használják. A síneken közlekedő kocsi, melyen az emelő található, a polcrendszer előtt közlekedik és elhelyezi vagy kiveszi a raktárból az éppen szükséges terméket. A jelenlegi rendszerek 1-2 tonnás hajtásrendszert és emelőegységet mozgatnak a csak 20-50 kg hasznos tömegű termékek szállításához. A kutatók azért, hogy ezt kiküszöböljék, egy kis tömegű, integrált raktározó rendszerrel szerelt platformmal váltották ki a teljes eddigi mozgató- és emelőegységet. Ez az úgynevezett kábeles robotplatform a polcrendszer előtt nyolc előfeszített kábel segítségével mozog. A fejlesztés eredményeként sikerült létrehozni egy egyszerű és nagyon könnyű rendszert, mely változatos méretekben megépíthető és könnyen integrálható a hagyományos rendszerek magasság-tömeg problémái nélkül.

Új hatékony és energiatakarékos koncepció

A hagyományos technológiához viszonyítva rendkívüli nagy, 90%-os tömegcsökkenést sikerült elérni. A kábeles robot rendszer jelentősen megnöveli az eddig elérhető teljesítményt egyúttal nagyon jó energiamérleget is biztosít. A koncepciót már korábban megvalósították a Duisburg-Essen-i Egyetemen, mely prototípus 6 méter magas, 12 méter széles és 1 méter mély volt. A megvalósításban két intézet, a Mechatronikai és Szállítmányozási-logisztikai Intézet, valamint az Alkalmazott Számítógépes Tervezés Intézet működött együtt. Dr. Tobias Buckmann a Mechatronikai Kartól így foglalta össze az eredményeket: “Sikerült jelentősen javítanunk a tömegarányon, mivel a végeffektor – a kis tömegű platform a raktározó egységgel – csak 80 kg tömegű és akár 20 kg-ig terhelhető. A modell számítások alapján, mely egyszerűsített és idealizált feltételeken alapszik, az energiafelhasználást 70%-kal sikerült csökkentenünk a hagyományos raktározórendszerekhez képest.

Ami az elérhető raktározási teljesítményt illeti, szintén nagy optimalizálási potenciállal rendelkezik a gép. A ma is használatban lévő raktározórendszer jellemző tulajdonságai, mint a 6 m/s-os platform sebesség, valamint az 5 m/s2-es platform gyorsulás, már a tervezési szakasz elején alapkövetelményként szerepeltek. Christian Sturm, a Mechatronikai Tanszék munkatársa hozzátette: “7 kW-os teljesítményű csörlős hajtásrendszerre volt szükség, hogy ezeket az értékeket biztosítani tudjuk. A prototípusban 14 kW-os teljesítményű hajtást alkalmaztunk, mellyel jelentősen nagyobb sebességet és gyorsulást tudtunk elérni, különösen annak köszönhetően, hogy a hagyományos rendszerekkel ellentétben a hajtásrendszer elemeit nem kell együtt mozgatnunk a platformmal, így azok nagyobb tömegének nincs hatása a mozgatandó tömegre.”

Beckhoff_storage_2

Nagy teljesítményű, ipari kompatibilis vezérléstechnikára építkeztek

A biztonságos üzemelés érdekében nagy igényeket támasztottak a vezérlővel szemben. A rendszerben nyolc szervomotort kell egyszerre irányítani, valamint egyszerre kell mind a nyolc kábelen az erő- és szög szenzorokat is kiolvasni. Ezek a mért értékek szolgáltatják a modell-alapú vezérlés adatait, mely nagy teljesítményigényt támaszt a valós idejű szabályzással szemben. Dr. Tobias Bruckmann hozzátette: “Mivel a vezérlésünket már megvalósítottuk Matlab®/Simulink® környezetben, a kompatibilitás miatt a Beckhoff TwinCAT 3 automatizálási rendszer egy ideális, nagy teljesítményű, megfizethető megoldást jelentett. Az egyetemi használatra kifejlesztett prototípus vezérlésekkel ellentétben már ipari környezetben is bizonyított elemekből építkezhettünk.”

A C6640 Control Cabinet PC több mint elegendő számítási kapacitást biztosít a teljes vezérlés üzemeltetéséhez. EtherCAT-en keresztül kommunikál a szenzorokkal és a hajtásokkal hasonlóan, mint a könnyűszerkezetes platform elemeivel, többek között a ki/be emelő rendszerrel és a finom pozicionálást biztosító lézer szkennerrel. Mivel a vezérlés rendkívül megbízható kábel-erőmérést igényel, ezért a kutatók az eXtreme Fast Control (XFC) funkcióval ellátott EL3356-0010 Analog Input Terminal-t alkalmazták. Cristian Sturm elmondta: “Ahhoz, hogy a platformot precízen és a lehető legkisebb rezgésekkel mozgassuk, a kábelek feszültségi állapotát szenzorokkal kell figyelni, melyet egy EL3356-0010 EtherCAT Terminalon keresztül valósítunk meg. A mért értékeket Matlab®/Simulink® környezetben futó algoritmusokkal értékeljük ki. A folyamat során nagy segítséget jelent az XFC túlmintavételezési funkciója, melynek túlmintavételezési aránya 10. Az EL3356-0010 által biztosított arány kimagasló, mely különösen sima jeleket ad a folyamat 1 milliszekundumos ciklusidejéhez viszonyítva. Ily módon a jeleket minden további előfeldolgozás nélkül, közvetlenül lehet felhasználni. Ezen felül a paraméterezés és a kapcsolatok kiépítése is nagyon egyszerűen megvalósítható, a terminálok pedig nagyon költséghatékonyak.”

Beckhoff_storage_3

A rendszer legfontosabb előnye az ipari kompatibilitás. Ez jelenti az ideális alapot a további fejlesztések fő irányvonalának, a vezérlő algoritmusnak. Dr. Tobias Bruckmann megerősítette: “A hajtásrendszerek és a platform decentralizált vezérlései helyett csak egy valós idejű központi PC-re van szükségünk egy elegendően széles adatbusszal, így nem számít, hogy a mért értékeket egy vagy akár húsz méterről kell továbbítanunk. A korábbi prototípusokban az adatgyűjtés, illetve különösen a nagy távolságú motorvezérlés komplex feladatot jelentett. Meglepődtünk, hogy az új, nagy méretű prototípusunk üzembe helyezése mennyire egyszerű volt.” De van egy másik nagy előny is: “A Beckhoff technológiája nagy előnyt jelent a gyakorlati alkalmazásban is, például a szériagyártásban, mivel egyfelől használhatjuk a megszokott Matlab®/Simulink® környezetet, másfelől a felhasználók korlátlanul használhatják a hagyományos IEC 61131-3 nyelveket. Ennek az egyetemességnek köszönhetően nem szükséges egy másodlagos vezérlést integrálnunk, például a hozzáadott biztonsági funkciók miatt – a PC vezérlésben már rendelkezésre áll minden, ami az ipari alkalmazáshoz szükséges, egyetlen platformon.”

Az időtálló fejlesztések biztosítéka – aTwinCAT 3 nyílt rendszere

A kutatók a Matlab®/Simulink® és a TwinCAT 3 egyszerű illesztésére a további fejlesztések mérföldköveként tekintenek, mivel csak ennek köszönhetően tudnak a tudományos eredményeikből egyszerű módon ipari rendszerekkel kompatibilis megoldásokat fejleszteni. Ezen felül a TwinCAT 3 és EtherCAT rendszert alkalmazva a teljes hardveres környezetet egyszerűen és modulárisan tudják felépíteni. “Minden EtherCAT rendszerhez csatlakoztatott komponens önálló hardverképként jelenik meg a TwinCAT 3 rendszerében, így minden részegység egyszerűen kapcsolható össze a vezérlővel a szoftver modulunkon keresztül kommunikálva. Ezenkívül a rendszer egyszerűen és ráadásul olcsón bővíthető, például további I/O modulokkal, köszönhetően a moduláris EtherCAT rendszernek – a hagyományos rendszerek költségeinek töredékéért.” magyarázta Christian Sturm.

Beckhoff_storage_4

A TwinCAT 3 a jövőbeni fejlesztésekre is lehetőséget ad. A többmagos technológiák támogatása például különösen fontos, főleg, ha az ipari használatra gondolunk, hiszen minden egyes speciális raktározási irányítási és biztonsági feladatnak a saját processzora végezheti a szükséges számításokat. Ezenkívül, a nyílt rendszernek köszönhetően a Visual Studio®-val is integrálható, mely, ahogy Dr. Tobias Bruckmann is elmondta, nagyon hasznos tulajdonság. Az egyetemi felhasználók nagy hajlandóságot mutattak, hogy ezt az új programozási technológiát használják egy teljes projekt megvalósításához a valós idejű programozástól a Visual Studio®-ban történő megjelenítésig. A kábeles raktározó rendszer fejlesztésének következő lépése, hogy lehetővé tegyék C/C++ környezetben írt programok integrálását, valamint, hogy további hardveres interfészek is beépíthetők legyenek, mint például egy kamerarendszer.

Forrásbeckhoff.hu

További információ

Beckhoff Atomation honlapján