Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
PDF download
Anwendungsspezifisches Messen, Steuern und Regeln ohne Grenzen: Ausgabe 17/2019, 23.10.2019

Stemmer Imaging

Jede Maschine stellt individuelle Anforderungen an ihre Mess-, Steuer- und Regelgeräte. Oft passen Standardlösungen nur halbwegs, und nicht selten werden die Möglichkeiten der Maschine auf jene der käuflichen Gerätschaften reduziert. Damit sinken aber die Chancen am Markt. Anwendungsspezifische Mess-, Steuer- und Regellösungen sind oft günstiger und besser als Standardprodukte.

Autor: Dr. Jürg M. Stettbacher, Stettbacher Signal Processing, SSP

Die Schweiz verfügt über eine starke Industrie und ein vielfältiges Gewerbe: Präzisionsinstrumente, Spitzentechnologie in Messsystemen, spezialisierter Maschinenbau, usw. Trotz hohem Preisniveau sind unsere Produkte weltweit gefragt, denn Schweizer Technologie ist bekannt für ihre exzellente Qualität. Dies ist unsere Stärke und in Zukunft vielleicht unsere wichtigste Kompetenz.

Besser als das Konkurrenzprodukt
Qualität heisst, dass ein Produkt besser ist als es sein müsste – besser als die Konkurrenz. Zur Qualität zählen aber auch jene Eigenschaften, die über die elementare Zielfunktion des Produkts hinausgehen und teilweise einen erheblichen Zusatznutzen generieren. Heute sind das oft, grossflächige Bedienpanels, adaptive Funktionen usw. Dies sind jedoch vordergründige Merkmale. Selbstverständlich geht es ebenfalls um den Kern des Produkts. Etwa erwartet man heute, dass auch hochdynamische Antriebe sanft anlaufen, dass Messsysteme nebst dem eigentlichen Messwert auch statistische Werte zur Verfügung stellen, die beispielsweise über Messunsicherheiten oder Messfehler Aufschluss geben, dass Regelkreise Sollwertänderungen oder Störeinflüsse schnell und zielgenau ausregeln, usw.
Viele Hersteller setzen fürs Messen, Steuern und Regeln (MSR) in ihren Systemen Standardprodukte ein, zum Beispiel eine SPS oder PLC. Diese sind zwar relativ teuer und eingeschränkt im Funktionsumfang, erfüllen die Aufgabe aber oft genügend gut. Was aber tut man, wenn die Resultate nicht befriedigen, wenn die Messung zu lange dauert oder zu ungenau ist, wenn die Motorsteuerung die geforderte Dynamik oder Reaktionsgeschwindigkeit nicht erreicht, wenn der Regler entweder zu langsam einschwingt oder zur Instabilität neigt? Eine Lösung besteht darin, dass man das nächst teuerere Standardgerät beschafft und es damit versucht. Oder eben: Man lässt sich eine anwendungsspezifische Lösung entwickeln. Diese verursacht zwar einen nicht unerheblichen Initialaufwand, ist am Ende pro Gerät aber deutlich günstiger als das Standard-Produkt und löst das Mess-, Steuer, und/oder Regelproblem in der gewünschten optimalen Qualität.
Die Stettbacher Signal Processing AG entwickelt derartige Systeme mit Fokus auf elektronische Mess-, Regel- und Antriebstechnik, sowie allen relevanten Technologien für dieIntegration. Ihre Kunden sind oft Firmen, die zuvor mit Standardlösungen gescheitert sind.

Vier aufschlussreiche Praxisbeispiele
Beispiel 1: Ein Kunde benötigt ein Messsystem mit 16 Messkanälen, die exakt zeitsynchron abtasten und pro Kanal 500 000 Messwerte pro Sekunde liefern. In diesen Datenströmen sind gewisse Muster zu suchen, und wenn sie auftreten, so ist jener Signalausschnitt, der das Muster enthält, an einen übergeordneten Rechner zu liefern. Bild 1 zeigt den Kern der von SSP entwickelten Lösung. Die Leiterplatte ist kompakt, doppelseitig bestückt und erfüllt Mil-Spec-Anforderungen. Sie enthält die analoge Signalaufbereitung und AD-Wandler für 16 Kanäle, die Signalanalyse in einem FPGA, sowie ein Rechnermodul für das Post-Processing, die Gerätesteuerung und die Kommunikation über Ethernet.
Beispiel 2: Ein Kunde baut Anlagen, mit vielen gekoppelten Antrieben, die synchron arbeiten, aber unterschiedliche Bewegungen ausführen. Als Regeltakt wurden 14 kHz gewünscht, unabhängig von der Anzahl der Antriebe, sowie Eingänge mit 24 Bit Auflösung für bis zu zwölf industrielle Sensoren, die wahlweise einzeln oder in Kombination die Rückführung des Regelkreises bilden. SSP entwarf dafür ein modulares System (Bild 2).
Beispiel 3: Ein Kunde verlangt ein Antriebssystem mit speziellen Anforderungen an die Regelungstechnik und die Dynamik. SSP entwickelte zu diesem Zweck einen Servoverstärker mit einer schnellen digitalen Anbindung an die übergeordnete Maschinensteuerung. Das Antriebsystem verfügt über einen eigenen Mikrocontroller, der den Stromregelkreis inkl. 3-Phasen-Strommessung und Vektormodulation für einen Synchronmotor von 1,5 kW implementiert. Zur Einhaltung der Normen über die Netzrückwirkungen ist der Servoverstärker mit einem PFC (Power Factor Corrector) ausgestattet.
Beispiel 4: Ein Kunde bestellt ein kompaktes Handmessgerät (Bild 3), das über einen integrierten Sensor Messreihen mit mehreren 1000 Messpunkten aufnimmt. Die Auswertung der Daten ist aufwändig und verwendet unter anderem Spektral-Transformationen. SSP wählt einen modernen Low-Power-Mikrocontroller, der für das gesamte Geräte- und Energie-Management zuständig ist, die Messungen ausführt, die Signalverarbeitung abwickelt und schliesslich eine LCD-Anzeige steuert. Ferner ist ein Batterie-Controller vorhanden und eine USB-Schnittstelle.

Auf Qualität und Zusatznutzen getrimmt
Die Praxisbeispiele illustrieren, dass selbst ungewöhnliche Anforderungen, weit jenseits der Möglichkeiten von Standardgeräten, mit anwendungsspezifischen Lösungen sehr gut erfüllt werden können. Alle Beispiele sind zudem auf Qualität und Zusatznutzen getrimmt, was bei den vorhandenen Hardware-Möglichkeiten praktisch keine weiteren Kosten verursacht. Auch ist die oft geäusserte Vermutung nicht richtig, dass anwendungsspezifische Entwicklungen sich nur bei grossen Stückzahlen lohnen. Von einigen der Beispiele werden im Jahr nicht viel mehr als zehn Stück produziert. Was man aber sicher sagen kann: Würde es nur Standard-MSR-Geräte geben, so hätten die präsentierten Beispiele ihren Weg auf den Markt nie gefunden.

Infoservice
Stettbacher Signal Processing AG
Neugutstrasse 54, 8600 Dübendorf
Tel. 043 299 57 23, Fax 043 299 57 25
dsp@stettbacher.ch, www.stettbacher.ch

 



Handmessgerät für Batteriebetrieb mit aufwändiger Signalverarbeitung


Mainboard eines 16-Kanal-Messsystems mit je 500 000 Abtastwerten pro Sekunde und Kanal (ohne Gehäuse)


Modulares Mess- und Regelsystem für bis zu zwölf Sensoren und einen Antrieb pro Gerät