System do szybkiego prototypowania układów sterowania – szczegóły

 

System zakupiono ze środków MNiSW w ramach Dużej Aparatury Badawczej Projekt nr 86/2012

Opracowanie nowoczesnych sterowników urządzeń produkcyjnych jest złożonym procesem wymagającym przeprowadzenia wielu prób oraz modyfikacji. Proces ten może być w sposób znaczący przyspieszony poprzez zastosowanie systemów do szybkiego prototypowania układów sterowania. Pozwalają one na tworzenie metodą „złap, połóż i połącz” złożonych struktur regulacyjnych z wcześniej utworzonych bloczków i funkcji, które reprezentowane są przez charakterystyki graficzne. Zadanie to wykonywane jest w środowisku programowym Matlab-Simulink. Tak zbudowany regulator może być szybko przesłany do zawansowanego sterownika, wyposażonego w moduły wejść i wyjść, w którym każdemu z bloczków przyporządkowany zostaje automatycznie podprogram. Tym zaawansowanym sterownikiem jest sprzęt i oprogramowanie dSpace. Tym sposobem powstaje kompletny program sterujący, który może być uruchomiony testowany z podłączonym on-line obiektem regulacji. System taki może być wykorzystywany do prowadzenia badań nad zastosowaniem złożonych algorytmów sterujących urządzeniami mechatronicznymi. Takie właśnie prace prowadzone są w Zakładzie Urządzeń Mechatronicznych na Wydziale Budowy Maszyn i Zarządzania PP, który wyposażony jest w kompletny zestaw laboratoryjny składający się z dwóch głównych ściśle współpracujących ze sobą elementów:

  • pakietu sprzętowego symulatora, sterowników, elementów komunikacyjnych oraz modułów wejść wyjść dSpace,
  • oprogramowanie Matlab-Simulink z najważniejszymi przybornikami (toolboxami) i pomocniczymi programami narzędziowymi.

2013-12-17_133839

Rys. 1. Zdjęcie zakupionego sprzętu

 

Pakiet symulatora sprzętowego jest produktem firmy dSpace kierowanym do zastosowań związanych z szybkim projektowaniem zaawansowanych technik i układów sterowania urządzeniami mechatronicznymi. System składa się trzech głównych modułów:

  • symulatora przeznaczonego do implementacji techniki Hardware-In-the-Loop wyposażonego w dodatkowy sprzęt dedykowany dla testowania sterowników,
  • systemu prototypowego do sterowania urządzeniami w 3 osiach, w skład którego wchodzi zestaw kart procesorowych wyposażonych w wydajne procesory, gwarantujące wysokie osiągi oraz szybki dostęp do urządzeń wejścia/wyjścia,
  • akcesoriów dla systemów modularnych, które przyspieszają pracę na projektem systemu sterowania, ułatwiając dostęp do sprzętowych modułów I/O aby ułatwić pracę w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych (np. projektowanie sterownika pojazdu, robota, maszyny obróbczej itp.).

Zakład Urządzeń Mechatronicznych posiada następujące podzespoły urządzenia:

Karta procesorowa dSpace DS1006 (3 szt.) o następujących parametrach:

  • Technologia x86 (Quad-Core AMD Opteron 2.8 GHz)
  • 4 rdzeniowy procesor
  • Zgodność z oprogramowaniem Matlab Simulink
  • Pamięć danych cache 4 x 64 KB L1
  • Pamięć instrukcji cache 4 x 64 KB L1, 4 x 512 KB L2
  • Pamięć lokalna dla aplikacji oraz danych 1 GB DDR2-800 SDRAM
  • 4 x 128 MB DDR2-267 SDRAM pamięci host data Exchange
  • 2 MB dla bootowania oprogramowania firmware
  • Możliwość budowania system wieloprocesorowego
  • Dedykowane oprogramowanie do karty:

– do konfigurowania aplikacji czasu rzeczywistego zapewniające pełne wsparcie dla karty sterującej

– wspierające interfejs Ethernet

Karta rozszerzająca dSpace do komunikacji z wykorzystaniem protokołu Ethernet DS921 (3 szt.):

  • możliwość integracji z kartą procesorową DS1006
  • możliwość komunikacji z wykorzystaniem protokołów TCP/IP i UDP

Dedykowana karta do sterowania silnikami DC, AC, PMSM i BLDC DS5202 oraz AC Motor Control Solution o parametrach:

  • możliwość podłączenia sterowania silników DC, AC, PMSM i BLDC
  • obsługa 3 wejść enkodera inkrementalnego
  • obsługa 3 wejść dla czujników Halla
  • obsługa 8 kanałów wejść analogowych
  • obsługa 2 kanałów wyjść analogowych
  • pełne wsparcie programowe dla sterowania silnikami DC, AC, PMSM i BLDC

Uniwersalny moduł sterujący programowalnymi końcówkami mocy dSpace RapidPro Power Unit o parametrach (3 szt.):

  • Port USB do komunikacji z komputerem PC
  • Interfejs SPI do diagnostyki
  • Wewnętrzny monitor napięcia i temperatury
  • Możliwość zdalnego uruchamiania urządzenia
  • Możliwość rozłączenia wszystkich wyjść jednocześnie
  • Możliwość zdefiniowania stanu określające moment wyłączenia urządzenia

Końcówka mocy typu pełny mostek H dSpace RapidPro Power Unit DS1661 o następującej specyfikacji (5 szt.):

  • 2 kanałowy pełnego mostka H
  • Zajmowanie jednego slotu w module mocy
  • Wydajność co najmniej 5A prąd ciągły,
  • Maksymalne napięcie zasilania 40 V (napięcie ciągłe)
  • Możliwość wykorzystania jako: low/high side driver, pełny / pół mostek
  • Możliwość ustawienia ograniczenia natężenia prądu oraz czasu wyłączenia
  • Pomiar prądu z filtrem dla 2 kanałów
  • Zabezpieczenie przeciążeniowe, temperaturowe, przeciwzwarciowe
  • Wbudowane zabezpieczenie dla napięcia poza zakresem – 100 – 100 V.

Karta mocy pół mostka dSpace RapidPro Power Unit DS1668 o następującej specyfikacji (4 szt.):

  • 2 kanałowy wysoko prądowy moduł pół mostka
  • Wydajność: co najmniej 25A RMS prąd ciągły (w zależności od wpływu temperatury), wartość szczytowa co najmniej 30A (1 s)
  • Możliwość zastosowania jako pół-mostek lub jako górna lub dolna część pełnego mostka
  • Pomiar prądu z dolnoprzepustowym filtrem dla 1 kanału
  • Zabezpieczenie przeciążeniowe, temperaturowe, przeciwzwarciowe
  • Diagnostyka błędów

Uniwersalna karta wejść/wyjść dSpace DS2201 oraz panel przyłączeniowy CP2201 i LP2201 o parametrach
(1 szt.):

  • 20 kanałów analogowo-cyfrowych z 5 odseparowanymi przetwornikami ADC
  • 8 równoległych przetworników cyfrowo-analogowych
  • interfejs szeregowy
  • rozdzielczość 12 bit dla konwersji A/D
  • czas konwersji A/D 32,5 us dla wszystkich 20 wejść
  • 12 bit dla konwersji D/A
  • czas konwersji D/A 6 us
  • napięcie wejściowe/wyjściowe +/- 10 V
  • 16 linii I/O cyfrowych
  • 8 linii licznikowych
  • 1 wejście obsługujące przerwania
  • linie I/O pracujące w standardzie TTL
  • interfejs szeregowy Serial UART, RS232
  • możliwość pomiaru częstotliwości sygnału (kwadraturowego dla 1, 2 lub 4 kanałów)
  • generacja sygnału  PWM pracującego z częstotliwością do co najmniej 6,25 MHz oraz rozdzielczością 160 ns (40 ns dla okresu PWM poniżej 2,6 ms)

Karta enkoderowa dSpace DS3001 oraz panel przyłączeniowy CP3001 o następujących parametrach (1 szt.):

  • 5 wejść enkoderów inkrementalnych
  • 24 – bitowy licznik
  • maksymalna częstotliwość wejściowa 1,25 MHz
  • standard pracy TTL
  • możliwość pracy w trybie kwadraturowym (zliczanie każdego zbocza)

Karta enkoderowa dSpace DS3002 oraz panel przyłączeniowy CP3002 o następujących parametrach (1 szt.):

  • 6 wejść enkoderów inkrementalnych
  • 32 – bitowy licznik
  • maksymalna częstotliwość wejściowa 750 kHz
  • standard pracy TTL
  • możliwość pracy w trybie kwadraturowym (zliczanie każdego zbocza)

Karta przetwornika analogowa/cyfrowego dSpace DS2002 oraz panel przyłączeniowy CP2002 o następujących parametrach:

  • 32 kanały wejściowe ADC
  • rozdzielczość 4, 8, 12, 16 bit (programowalna)
  • zakres -/+ 5 V lub -/+ 10 V (programowany)
  • czas konwersji co najmniej 66,9 us (16 bit przy wszystkich pracujących kanałach)

Karta przetwornika cyfrowo analogowego dSpace DS2102 oraz panel przyłączeniowy CP2102 o następujących parametrach:

  • co najmniej 6 kanałów wyjściowych analogowych
  • rozdzielczość – 16 bit
  • programowalne zakresy: -/+ 5V, -/+ 10V lub 0 – 10 V (programowalny))
  • minimalny czas próbkowania 1.6us
  • reset do 0 V w przypadku awarii

Karta wejść-wyjść cyfrowych wraz licznikami dSpace DS4002 oraz panel przyłączeniowy CP4002:

  • co najmniej 8 kanałów licznikowych pracujących z minimalną rozdzielczością 200 ns
  • każdy kanał niezależnie programowany
  • szybka dwuportowa pamięć RAM do przechowywania danych
  • 32 cyfrowe, programowalne  wejścia wyjścia (standard TTL)
  • 2 zewnętrzne linie typu trigger (wyzwalające).

Oprogramowanie:

  • Matlab Simulink 2012b wraz z niezbędnymi toolboxami wymaganymi do automatycznej generacji kodu. Pakiet Matlab-Simulink jest niezbędny do modelowania obiektów sterowania i sterowników oraz oprogramowania kart wejść/wyjść. Pozwala na tworzenie zarówno schematów blokowych i algorytmów sterowania, jak i na ich bezpośrednie skompilowanie do języków maszynowych – oprogramowania kart wejść wyjść. Oprogramowania Matlab-Simulink zawiera narzędzia pozwalające na łatwą implementację metod bazujących na sztucznej inteligencji. Dodatkowo środowisko Matlab-Simulink pozwala na akwizycję danych oraz wizualizację procesów.
  • środowisko dSpace (dSpace RTI, RTI_ETH, RTI_MP, ControlDesk, ConfigurationDesk, MLIB/MTRACE) zapewniające komunikację oraz obsługujące sprzęt.

Sterownik przemysłowy typu B&R X20CP1586 o następujących parametrach (2 szt.):

  • Procesor: kompatybilny z ATOM 1,6 MHz,
  • Pamięć: co najmniej 512 MB DDR2 DRAM, 1 MByte SRAM,
  • Wymienna pamięć programu: CompactFlash 512 MB
  • 1 interfejs POWERLINK V1/V2 (do połączenia rozproszonych I/O)
  • 2 interfejsy USB
  • 1 interfejs RS232
  • 1 interfejs Ethernet 10/100/1000 Base-T
  • 1 gniazdo na dodatkowe interfejsy sieci Fieldbus
  • Zintegrowany moduł zasilający
  • Zasilanie 24VDC
  • Stojak

Panel operatorski typu B&R PowerPanel 500 o przekątnej ekranu 10,4”ze zintegrowanym ze sterownikiem
(2 szt.):

  • Ekran 10.4” VGA TFT kolorowy, dotykowy
  • CPU zgodne z ATOM 1600 MHz
  • Pamięć: co najmniej SO-DIMM DDR2 RAM 2048
  • Wymienna pamięć programu: CompactFlash 512 MB
  • 1 interfejs POWERLINK V1/V2 (do połączenia rozproszonych I/O)
  • 3x interfejsy USB 2.0
  • 1x  interfejs RS232
  • 1 x interfejs Ethernet 10/100/1000
  • Stojak

Komputer przemysłowy Automation PC o następujących parametrach (1 szt.):

  • Procesor: kompatybilny z Core2 Duo L7400 1.5 GHz, 667 MHz FSB, 4 MB L2 cache
  • Pamięć: co najmniej SO-DIMM DDR2 RAM 2048 MB, 1 MByte SRAM,
  • Wymienna pamięć programu: CompactFlash1 GByte
  • 1 interfejs POWERLINK V1/V2 (do połączenia rozproszonych I/O)
  • 2 HUB
  • 1 MB SRAM,
  • 1 interfejs Ethernet wraz z kontrolerem
  • Zasilanie 24VDC
  • Stojak

Moduł serwonapędu  o typu B&R ACOPOS1010 następujących parametrach (3 szt.):

  • Moduł mocy 3x 400-480 V,
  • Wydajność 1.0 A, 0.45 kW, linefilter,
  • Rezystor bocznikowy i elektroniczny
  • Zabezpieczenia restartu
  • Inteferjs POWERLINK V2
  • Interfejs rezolwera 10 kHz
  • Stojak

Stacja I/O IP20 rozproszona na POWERLINK (5 szt.)

  • Interfejs POWERLINK V1/V2
  • Zintegrowany hub 2x RJ45
  • Moduł zasilający
  • Zasilanie 24VDC

Lokalne moduły I/O typu B&R w obudowach IP20 (po 1 szt.):

  • Moduł 12 wejść dyskretnych 24VDC, z konfigurowanym filtrem wejściowym (3 szt.)
  • Moduł 12 wyjść dyskretnych 24VDC 0,5 A (3 szt.)
  • Moduł uniwersalny: 4 wejścia dyskretne 24VDC, 2 wyjścia dyskretne 24VDC, 0,5A, 1 wejście analogowe: 12-bit, ±10 V lub 0…20 mA/4… 20 mA, 1 wyjście analogowe: 12-bit, ±10 V lub 0…20 mA, 2 liczniki konfigurowane jako liczniki zdarzeń lub pomiar brakowania (3 szt.)
  • Moduł analogowy wejściowy: ±10 V or 0 to 20 mA/4 to 20 mA, konfigurowalny filtr, rozdzielczość 12 bit, 4 wejścia (3 szt.)
  • Moduł analogowy wejściowy: ±10 V / 0 to 20 mA,, konfigurowalny filtr, rozdzielczość 16 bit, 4 wejścia (3 szt.)
  • Moduł analogowy wyjściowy: ±10 V / 0 to 20 mA, rozdzielczość 12 bit, 4 wejścia (3 szt.)
  • Moduł analogowy wyjściowy: ±10 V / 0 to 20 mA, rozdzielczość 16 bit, 4 wejścia (3 szt.)
  • Niezbędne podstawki i moduły zacisków
  • Moduł pomiaru temperatury, 4 rezystancyjne wejścia, obsługa PT100, PT1000, 0.1 K rozdzielczość, 3 przewodowe połączenie (3 szt.)
  • Moduł pomiaru temperatury, 6 wejść termoparowych, obsługa J, K, N, S, 0.1 K rozdzielczość (3 szt.)
  • Moduł enkoderowy, standard 24 V, praca w trybie kwadratury (zliczanie każdego zbocza), częstotliwość pracy 100 kHz (3 szt.)
  • Moduł enkoderowy, standard 5 V, praca w trybie kwadratury (zliczanie każdego zbocza), częstotliwość pracy 600 kHz (3 szt.)

Stacja I/O typu B&R w obudowie IP67 rozproszona na POWERLINK (5 szt.)

  • Interfejs POWERLINK V1/V2
  • Zasilanie 24VDC
  • Stopień ochrony IP67 (montaż poza szafą sterowniczą)
  • 8 kanałów dyskretnych 24VDC konfigurowanych jako wejścia lub wyjścia 0,5A, 2 liczniki konfigurowane jako liczniki zdarzeń lub pomiar brakowania

Analizator sygnałów napięciowych analogowych NI PXIe-6363 (1 szt):

  • 32 wejścia analogowe, 2 MS/s 1-channel, 1 MS/s multichannel; 16-bit, +/- 10 V
  • 4 wyjścia analogowe, 2.86 MS/s, 16-bit, +/- 10 V
  • 48 cyfrowe wejścia/wyjścia
  • 4 32-bit liczniki obsługujące sterowanie PWM, enkoder, pomiar częstotliwości

Analizator mostkowych sygnałów analogowych NI PXIe-4330 (1 szt):

  • 8 równoległych próbkowanych wejść analogowych, 25 kS/s na kanał
  • 24-bit ADC na każdym kanale, filtr antyaliasingowy
  • Programowane napięcie ekscytacji (0.625 V do 10 V)
  • Obsługa pomiarów mostkowych, pół mostkowych i ćwierć mostkowych

Moduł wejść analogowych NI PXIe-4492 (1 szt):

  • 8 równoległych próbkowanych wejść analogowych, 204.8 kS/s na kanał
  • 24-bit ADC w zakresie dynamicznym 114 dB
  • dokładność wszystkich 8 kanałów pozwala na przeprowadzenie większości pomiarów NVH

System wizyjny umożliwiający wymianę danych ze sterownikiem po Ethernet TCP/IP lub POWERLINK z kamerą kolorową ze zintegrowanym procesorem Intel Atom 1.6 GHz i systemem czasu rzeczywistego wyposażona w:

  • 512 MB pamięci operacyjnej, 2 GB pamięci dyskowej flash
  • rozdzielczość przetwornika 1600 x 1200 pikseli
  • akwizycja maksymalnie 10 fps
  • 4 wejścia cyfrowe, 4 wyjścia cyfrowe, port RS232, port Gigabit Ethernet
  • zintegrowany zasilacz do wysterowania oświetlaczy LED, maks 500mA
  • obudowa wodoodporna zgodnie z IP67, podłączenie sygnałów poprzez konektory typu M12
  • możliwość programowania w środowisku LabVIEW Real-Time
  • zestaw niezbędnych przewodów przyłączeniowych i zasilacz do kamery
  • obiektyw o ogniskowej 16mm, klasa 3MP, o niskich zniekształceniach
  • obiektyw o ogniskowej 25mm, klasa 3MP, o niskich zniekształceniach
  • obiektyw o ogniskowej 35mm, klasa 3MP, o niskich zniekształceniach
  • oświetlacz LED typu „ring”, biały, przystosowany do pracy z powyższą kamerą
  • uchwyt do zamocowania oświetlacza

2013-12-17_133907

Rys. 2. Schemat blokowy konfiguracji przeznaczonej do projektowania sterowników

 2013-12-17_133917

Rys. 3. Schemat blokowy konfiguracji przeznaczonej do implementacji sterowania napędem

 

Zestaw umożliwia prowadzenie prac związanych z:

  • szybkim prototypowaniem sterowników – Rapid Control Prototyping – RCP
  • symulacją obiektu sterowania – Hardware In the Loop – HIL
  • symulacją oprogramowania – Software in the Loop (SIL),

Poza możliwością szybkiej generacji kodu programu sterującego z modeli blokowych, system pozwala także na testowanie poprawności algorytmów sterujących w warunkach ustalonych i awaryjnych.

 

2013-12-17_133928

Rys. 4. Zdjęcie uruchomionego stanowiska badawczego do sterowania miniaturowych robotów z systemem DSpace

 2013-12-17_133942

Rys. 5. Zdjęcie uruchomionego stanowiska badawczego z systemem DSpace

 

2013-12-17_133954

Rys. 6. Moduły do prototypowania nowoczesnych układów sterowania silnikami oraz wizualizacji

 

Możliwe jest prowadzenie badań w zakresie:

  • projektowania urządzeń mechatronicznych takich jak manipulatory, roboty mobilne, elementy napędowe maszyn (np. CNC), specjalistycznych urządzeń pracujących na liniach produkcyjnych,
  • badania napędów elektrohydraulicznych (układów napędowych, zaworów proporcjonalnych oraz elkrohydraulicznych),
  • symulacji dynamiki maszyn w programie Matlab, w tym automatycznej generacji kodu z wykonanych modeli a następnie wykorzystaniu go w sterowaniu,
  • automatyzacji procesów technologicznych z wykorzystaniem techniki mikroprocesorowej, przemysłowych sterowników programowalnych i systemów wizualizacji,
  • zastosowaniami zaawansowanych technik sterowania optymalnego, wykorzystującego modelowanie oraz techniki nieliniowe,
  • badań nad zastosowaniem sztucznej inteligencji w systemach sterowania,
  • konstrukcji i badań sterowania urządzeń wykorzystujących nowoczesne materiały, tzw. inteligentne,
  • badań nad zastosowaniami systemów wizyjnych, rozpoznających mowę oraz interakcji ze środowiskiem rzeczywistości wirtualnej,
  • badań urządzeń z siłowym sprzężeniem zwrotnym, nazywanych dżojstikami haptycznymi,
  • budową i badaniem zaawansowanej aparatury medycznej.

 

Przykład wykorzystania systemu:

Prezentowany system wykorzystano do badani częstotliwości drgań własnych elementów mechanicznych zaworu hydraulicznego. Do badania przemieszczeń wykorzystano zastosowano czujnik laserowy PHILTEC D47. Prezentowany czujnik pracuje w dwóch zakresach: bliskim (duża rozdzielczość, wąski zakres pomiarowy, ten przypadek jest na rysunku), dalekim (mniejsza rozdzielczość, szerszy zakres pomiarowy). Wyjście czujnika to sygnał analogowy 0 – 5V. Sygnał jest proporcjonalny do wielkości szczeliny między czołem czujnika, a przemieszczanym przedmiotem (dla danego zakresu, według charakterystyki czujnika). Wyjście sygnałowe czujnika zostało podłączone do modułu przyłączeniowego wchodzącego w skład zestawu dSPACE. Dane pomiarowe zarejestrowano przy użyciu przetwornika analogowo cyfrowego (16 bit). Prezentowane sygnały to odpowiedź skokowa układu (ściślej powrót układu do stanu początkowego, nienapięte elementy podatne).

2013-12-17_134009

Rys. 7. Przebiegi zebrane przy pomocy systemu DSpace

 

Wykorzystując możliwości opisywanego systemu napisano artykuł:

Application of hardware in the loop technology for testing servo drives with synchronous motor, Dominik Rybarczyk, Piotr Owczarek, Jarosław Gośliński (przyjęty do publikacji w czasopiśmie „Pomiary Automatyka Robotyka”).

2013-12-17_134022

Rys. 8. Schemat systemu oraz wygląd stanowiska zawartego w artykule

 

Politechnika Poznańska Mechatronika Poznań
Zum.put.poznan.pl Pagerank
stat4u

darmowe liczniki

zum
Projekt i obsługa CMS - Roman REGULSKI
Strona zbudowana na serwerach Politechniki Poznańskiej, podmiot odpowiedzialny za treści: ZUM
Reklamy zamieszczone na tej stronie wspomagają Polską Naukę
Advertisements on this site support the Polish science