KU Leuven Campus De Nayer zet industrieel ingenieurstudenten in beweging met labo-opstelling voor Advanced Motion Control

04-01-2022

Heel wat bedrijven blijven kampen met een ingenieurstekort. Om de industrieel ingenieursopleiding aantrekkelijker te maken én beter af te stemmen op het werkveld, ontwikkelde KU Leuven Campus De Nayer een complete laboratorium-opstelling voor Advanced motion control met industriële Siemens-componenten. Studenten kunnen er zich bekwamen in alle aspecten van machinebouw: van automatisering en functionele veiligheid tot geavanceerde regeltechniek.

“We speelden al langer met het idee om een installatie voor motion control te bouwen waarin zoveel mogelijk functionaliteit geïntegreerd kan worden op het gebied van automatisering en functional safety”, aldus dr. ir. Michel Van Dessel, expert in elektrische aandrijvingen en automatisering, in functie als docent aan de Faculteit Industriële Ingenieurswetenschappen van de KU Leuven.  “Door te kiezen voor industriële componenten zorgen we bovendien voor een vlottere vertaling naar de praktijk. Dit idee kwam tot stand in samenwerking met collega ing. Wouter Sas, assistent elektriciteit en automatisering op Campus De Nayer van de KU Leuven.”

Performante en flexibele drive

Het project zat goed op de rails en schoot uit de startblokken na de schenking van een lineaire PM synchrone motor aan Campus De Nayer door de vestiging van Continental Automotive in Mechelen. “Ons doel was om een volledig functionerende opstelling te bouwen met geïnverteerde pendelstaaf, gemonteerd op een door de lineaire motor aangedreven slede”, legt projectleider dr.ir. Michel Van Dessel uit. “Voordien bleef het praktische aspect van de lessen motion control beperkt tot het regelen van de snelheid van een rotatieve motor. Studenten moeten echter ook kunnen experimenteren met ‘echte’ bewegingen, en zo onder meer het belang van veiligheidsfuncties ervaren.”

 

Om de opstelling met de gewenste performantie te kunnen bouwen, kocht KU Leuven Campus De Nayer via Siemens Automation Cooperates with Education (SCE) een aantal essentiële componenten aan, waaronder een Sinamics S120 servodrive met als control unit de CU310-2PN. Deze biedt de performante regeling en precisie die nodig is om een slede met geïnverteerde pendelstaaf te controleren en is bovendien flexibel inzetbaar in diverse educatieve opstellingen en scenario’s. Daarnaast koos KU Leuven Campus De Nayer ook voor een Simatic ET 200SP I/O systeem met daarin een CPU 1515SP PC2F Open controller met geïntegreerde HMI-functionaliteit voor aansturen en uitlezen van de bedieningsinterface voor de opstelling. Het softwarepakket Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) brengt hardware en software samen tot een werkend geheel.

 

Projectleider dr.ir. Michel Van Dessel: “We hebben op onze campus heel wat ervaring opgebouwd met Siemens technologie. Zo maken we sinds 2003 gebruik van Siemens Simovert Masterdrives en Sinamics drives in projecten voor onderzoek en dienstverlening, en in de onderwijslabo’s. Ook met de werking en het programmeren van Simatic S7 PLC’s zijn we goed vertrouwd: Campus De Nayer is erkend als Siemens Competence Center voor PLC-programmering.”

Gedreven door Siemens technologie

De Linear Motion Control opstelling gebouwd op Campus De Nayer bestaat uit een lineaire motor HIWIN LMS 17, aangestuurd door een Siemens Sinamics S120 drive met als control unit de CU310-2PN. Als PLC en HMI werd een Siemens Simatic ET 200SP Open controller type Simatic CPU 1515SP PC2F gekozen.  Deze laatste is gebaseerd op een industrieel PC platform, waardoor hij naast de conventionele PLC, safety functies en HMI, eveneens gecompileerde code van bijvoorbeeld MATLAB-Simulink in real time kan uitvoeren.

 

Dr.ir. Michel Van Dessel: “Op die manier kunnen we gevorderde regeltechniek op basis van full-state feedback modeling toepassen op de positieregeling van de slede en de gemonteerde pendelstaaf. Die kan gebruikt worden om de stabilisatie van de slingerbeweging van een kraan te modelleren en een geïnverteerde pendelstaaf te controleren.”

 

Voor de basisfunctionaliteit motion control van de slede – zonder rekening te houden met het gedrag van de pendelstaaf – maakt de door KU Leuven Campus De Nayer gebouwde opstelling gebruik van  Technologie Objecten in TIA Portal. De Safety Integrated-functionaliteiten in zowel de controller als de drive staan in voor de veiligheid van de opstelling en zijn gebruiker en zijn geconfigureerd in TIA Portal.

Engineering experience: Excellence in Drive commissioning

Met afzonderlijke componenten creëer je echter nog geen werkende laboratorium-opstelling. Daarom gaf projectleider dr.ir. Michel Van Dessel in 2019 aan één van zijn thesisstudenten de opdracht om een volledig mechanisch en elektrisch ontwerp te maken voor de opstelling, én dat ook uit te voeren. Deze student schreef ook een eerste versie van het PLC-programma voor de besturing van de opstelling inclusief functional safety en HMI. Het daaropvolgende academiejaar vormde de projectleider een team met een studente voor de systeemintegratie van alle componenten, de commissioning van de drive en inbedrijfname van de opstelling inclusief testen.

 

“Een belangrijke uitdaging tijdens de ingebruikname van de opstelling was het bepalen van de forcerpositie bij de opstart van de Sinamics S120 drive door middel van de ‘pole position identification routine’. Wanneer dit proces niet correct en optimaal verloopt, wordt het onmogelijk om de bewegingen van de forcer (nauwkeurig) te controleren. Na heel wat experimenteel werk zijn we er uiteindelijk in geslaagd om de initialisatieprocedure met de correcte instellingen uit te voeren. Dit wordt momenteel geïntegreerd in het PLC-programma.

 

Dat de drive van Siemens is, maar de lineaire motor en positiesensor niet, zorgde voor een bijkomende uitdaging en complexiteit bij de inbedrijfname, de zogenaamde ‘drive commissioning’. Dankzij de volledige en praktische documentatie beschikbaar op Siemens Industry Support (engineering manuals) konden we dit probleem zelfstandig oplossen. Hierbij steunden we op de opgedane ervaring in andere projecten met Siemens aandrijvingen, onder andere dat van de synchrone PM alternator voor kleine windturbines, die bestuurd wordt door een Simovert Masterdrives Motion Control converter en via een Active Front End module aan het net gekoppeld is. Ook dit is een project uitgevoerd op Campus De Nayer.”

Laboratorium voor Advanced Motion Control

De eerste volledige en verplaatsbare laboratorium-opstelling wordt intussen geoptimaliseerd en afgewerkt, en zal vanaf volgend academiejaar ook ingezet worden in de praktijklessen. Ondertussen werkt een tweede studententeam aan twee bijkomende setups voor Advanced Linear Motion Control, die identiek zijn aan het gerealiseerde prototype. Met de oplevering van de twee bijkomende opstellingen wil projectleider dr.ir. Michel Van Dessel een volledig uitgerust laboratorium Advanced linear motion control opbouwen. Dit zal op Campus De Nayer ingezet worden in de opleiding industrieel ingenieur Elektromechanica, in de optie Automatisering en mechatronica.

 

“Voor onze studenten is dit een ongelofelijke opportuniteit: ze kunnen leren werken met de meest recente technologie, en doen ervaring op met inbedrijfname en programmering van een reële opstelling – niet enkel een PLC”, besluit dr.ir. Michel Van Dessel. “Bovendien kunnen ze ook de veiligheidsfuncties uitgebreid testen. Op die manier willen we voor hen het pad effenen naar een succesvolle carrière in de machinebouw.”

Ontdek de industriële automatiseringsoplossingen van Siemens

Contact

Contacteer industrie.be@siemens.com voor een vrijblijvend gesprek over de mogelijkheden voor uw bedrijf of voor meer informatie.

04-01-2022

Abonneer je op onze nieuwsbrief

Blijf op de hoogte en meld je hier aan voor onze nieuwsbrief.