Zusammenfassung: Nach langjähriger Entwicklungsarbeit wurde in diesem Beitrag erstmals ein Bewegungscontroller mit eingebettetem RTOS gemäß der itron-Spezifikation erfolgreich im Steuerungssystem einer vollelektrischen Spritzgießmaschine eingesetzt. Dabei wurden ein neuartiges Motorkonzept und ein effektiver Prozesssteuerungsalgorithmus vorgestellt. Der Beitrag konzentriert sich auf die Einführung des Standards für eingebettete RTOS – der itron-Spezifikation –, die darauf basierende Bewegungskarte TH0030A sowie die Implementierung des Steuerungssystems für die vollelektrische Spritzgießmaschine. 1 Einleitung 1.1 Entwicklung und Vorteile vollelektrischer Spritzgießmaschinen In der heimischen Spritzgießmaschinenindustrie ist die hydraulische Kraftübertragung derzeit am weitesten verbreitet. Die vollständige Elektrifizierung von Spritzgießmaschinen ist eine neue Marktanforderung und ein unaufhaltsamer Trend. Der Einsatz von Servosystemen zur vollständigen Elektrifizierung ist ein gängiger Ansatz. Servosysteme sind jedoch teuer, und durch Zölle und Mehrwertsteuer sind Produkte mit Servosystemen auf dem Markt nicht wettbewerbsfähig. Unter Berücksichtigung der Kosteneffizienz und des aktuellen Stands der Technik stellt die Auswahl eines Vektor-Frequenzumrichters und eines Controllers mit Echtzeitbetriebssystem (RTOS) zur Steuerung eines dreiphasigen AC-Asynchronmotors sowie der Einsatz intelligenter Steuerungsalgorithmen eine praktikable Lösung für die vollständige Elektrifizierung der Spritzgießmaschine dar. 1.2 Der rasante Aufstieg von itron in RTOS-Anwendungen: Das nach der itron-Spezifikation [1] entwickelte RTOS bietet gegenüber anderen RTOS Vorteile wie hohe Effizienz, gute Zuverlässigkeit, einfache Programmierung, hohe Portabilität, einfaches Debugging, vereinfachte Kommunikationsstandards, hohe Offenheit und Standardisierung. Es ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Echtzeitbetriebssystem. Dies zeigt, dass itron das Potenzial besitzt, sich zu einem der Weltstandards für eingebettete RTOS zu entwickeln. Abbildung 1 Zustandsübergangsdiagramm 2 Struktur des Steuerungssystems der vollelektrischen Spritzgießmaschine 2 Bewegungssteuerung TH0030A und ihr Echtzeitbetriebssystem 2.1 Merkmale der Bewegungssteuerungskarte TH0030A (TH0030A-MC) und ihres RTOS Die TH0030A-MC, die mit dem itron RTOS-Bewegungschip ausgestattet ist, bietet zwei wesentliche technische Vorteile: das nach der itron-Spezifikation entwickelte RTOS und den leistungsstarken PCL6045-Chip. 2.2.1 Nach der itron-Spezifikation entwickeltes RTOS (1) Neuer Kernel, Portabilität und grundlegende Unterschiede Das auf der TH0030A-MC verwendete RTOS ist keine Portierung von Windows CE, Windows 9X/NT, VxWorks, Linux usw. Es basiert auf der itron-Spezifikation und verfügt über einen komplett neuen Kernel sowie eine neue Strategie für Aufgabenplanung und Speicherverwaltung. Der größte Vorteil von itron ist die schnelle Portierbarkeit und die einfache Nutzung auf der Plattform. Da die Embedded-Software-Branche stark fragmentiert ist, gibt es weltweit über 50 Softwarehersteller. Mit einem Standard wie Itron können Entwickler von Embedded-Softwareprodukten die Software mit geringfügigen Anpassungen für zukünftige Anwendungen nutzen, ohne den verwendeten Mikroprozessor berücksichtigen zu müssen. Der grundlegende Unterschied zwischen Itron RTOS und anderen RTOS besteht darin, dass letztere Software-Interrupts verwenden, um Funktionen aus der Kernel-Programmbibliothek aufzurufen; Itron RTOS hingegen spezifiziert die Verwendung von Standard-C-Aufrufen und unterstützt die Programmierung in C/C++. (2) Layoutoptimierung: Alle Signal-Ein- und Ausgänge des TH0030A-MC befinden sich auf n separaten kleinen Platinen, nicht auf dem Motherboard. Jede kleine Platine steuert eine Achse. Die Anzahl der kleinen Platinen wird je nach Bedarf erhöht, um die Anzahl der Achsen zu steuern. Die Kommunikation zwischen den einzelnen kleinen Platinen und dem Motherboard erfolgt über ArcNet, wodurch zahlreiche Verdrahtungsverbindungen entfallen und eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit gewährleistet wird. Darüber hinaus kann jede kleine Platine unabhängig an beliebiger Stelle installiert werden, ohne Rücksicht auf ihre Beziehung zu anderen kleinen Platinen oder dem Motherboard. (3) Multitasking: Es handelt sich um ein präemptives Betriebssystem. Jeder Aufgabe wird eine bestimmte Bearbeitungszeit zugewiesen und ihr Status wird wie folgt dargestellt: „Ausgeführt“, „Bereit“, „Warten“, „Angehalten“, „Warten-Angehalten“, „Ruhig“, „Nicht vorhanden“. Der Übergang zwischen den einzelnen Zuständen ist in Abbildung 1 dargestellt. Beim Multitasking werden viele Programme parallel ausgeführt. Dabei kommt Prioritätsplanung zum Einsatz. Jeder Aufgabe wird eine Priorität und eine Nummer, die sogenannte Aufgaben-ID, zugewiesen. Der Aufgabenblock (TCB) enthält Informationen zur Verwaltung der Aufgaben. Itron RTOS verarbeitet und modifiziert Einstellungen basierend auf dem TCB-Wert mittels Systemaufrufen. Im Gegensatz zu anderen RTOS kann Itron RTOS Aufgaben über C-Sprachfunktionen bearbeiten, beispielsweise: `crea_tsk(ID_Task,&TaskConfig)` erstellt eine Aufgabe; `sta_tsk(ID_Task,0)` startet eine Aufgabe; `slp_tsk()` versetzt eine Aufgabe in den Schlafmodus; `ter_tsk(ID_Task)` stoppt eine Aufgabe usw. Diese Funktionsaufrufe können an beliebiger Stelle im Programm platziert und bei Bedarf aufgerufen werden. (Wobei ID_Task: die ID der Aufgabe; TaskConfig: die Struktur der Aufgabe) (4) Mensch-Maschine-Schnittstelle Abbildung 3 Aufgabenablaufdiagramm Abbildung 4 Blockdiagramm des Steuerungsprinzips der vollelektrischen Spritzgießmaschine Auf dem TH0030A-MC wird eine Protokolldateiaufgabe gemäß der Itron-Spezifikation erstellt. Dank der VB-Schnittstelle und der Ethernet-Kommunikation kann das Programm während der Ausführung bequem in Echtzeit auf dem PC überwacht werden. Dies erleichtert Benutzern das Debuggen ihrer Programme und die Datenerfassung. (5) Echtzeitfähigkeit Der Ansatz von Itron zur Echtzeitfähigkeit ist folgender: Eingebettete Systeme berücksichtigen den Kompromiss zwischen Hardwareoptimierung und Softwareeffizienz. 1) Die Itron-Spezifikation unterscheidet klar zwischen den Merkmalen, die durch die Mikrocontroller-Hardwarehierarchie standardisiert werden sollen, und den Komponenten, die entsprechend der Hardware und ihrer funktionalen Natur optimiert werden sollen. 2) Die Faktoren, die die Reaktionszeit in Echtzeitanwendungen beeinflussen, hängen im Allgemeinen mit Jobwechselfunktionen und Interrupt-Behandlungsroutinen zusammen. Die Itron-Spezifikation sieht vor, dass Register während der festgelegten Hochgeschwindigkeits-Jobumschaltzeit ausgetauscht werden können. Es ist außerdem möglich, das RTOS zu umgehen und bei einem externen Interrupt einen Interrupt-Handler zu starten. (6) Skalierungsmöglichkeiten: Für die Anwendung von RTOS in der industriellen Echtzeitsteuerung ist Windows CE eine relativ neue Entwicklung und noch nicht ausgereift; VxWorks ist zu teuer; Linux bietet eine unzureichende Echtzeitleistung. Itron weist diese Nachteile nicht auf und ist daher skalierbar. 2.2.2 Leistungsstarker PCL6045-Chip: Für die TH0030-Bewegungskarte können Benutzer C-Sprachfunktionen schreiben und aufrufen, um auf jedem Register des PCL6045-Chips zu operieren. Der PCL6045-Chip kann vier Achsen gleichzeitig steuern. Er kann die Werte des Encoders multiplizieren; die Beschleunigung oder die S-Kurve des Geschwindigkeitsanstiegs oder -abfalls automatisch berechnen; Sollpositionen festlegen, die Ist-Position der Maschine und Abweichungspositionen berechnen; Positionen sperren; den Status externer Interrupts, Fehlerinterrupts und Ereignisinterrupts speichern. und Software-Reset-Register: Es kann das Steuerpositionsregister oder das Maschinenpositionsregister usw. zurücksetzen. Dies vereinfacht die Mehrachsen-Positions- oder Geschwindigkeitsregelung erheblich. 3. Anwendung der TH0030A-Bewegungskarte In der Spritzgießmaschinenindustrie erfordert das geregelte Objekt hohe Präzision (Einspritzbereich), schnelles Ansprechverhalten (Nachdruckbereich) sowie Sicherheit und Zuverlässigkeit (Formschließbereich). Daher wurde die Bewegungskarte TH0030A gewählt. Der Aufbau des Steuerungssystems ist in Abbildung 2 dargestellt. Die übergeordnete Steuerung hat drei Hauptfunktionen: Einstellen von Steuerungsparametern und Zielwerten; Anzeigen der Steuerungsergebnisse; und Koordinieren der Aktionssequenz verschiedener Maschinenkomponenten. Die Hauptfunktion des Bewegungsreglers besteht darin, unter Koordination der übergeordneten Steuerung die Prozesssteuerung, wie z. B. Druck-, Positions- und Geschwindigkeitsregelung, durchzuführen und die Steuerungsergebnisse und zugehörigen Zustände an die übergeordnete Steuerung zu übermitteln. Konkret realisiert er die Steuerung des Einspritzmotors, des Schmelzemotors, des Formöffnungs- und -schließmotors sowie des Auswerfermotors. Der Regelungsprozess lässt sich wie folgt beschreiben: Die übergeordnete Steuerung gibt die Art der Regelung vor (z. B. Einspritzgeschwindigkeit oder Druckregelung). Die Bewegungssteuerung sendet daraufhin gemäß den Anweisungen und der aktuellen Situation Steuersignale an den Frequenzumrichter. Dieser treibt den Motor an, der über einen Permanentmagnetriemen mit der Kugelumlaufspindel verbunden ist. Die Drehbewegung wird in eine Linearbewegung umgewandelt, wodurch die Regelung von Geschwindigkeit, Druck oder Position realisiert wird. (1) Grundlegendes Designkonzept des Programms (Software), siehe Abbildung 3. (2) Blockdiagramm des Regelungsprinzips der vollelektrischen Spritzgießmaschine (Hardware), siehe Abbildung 4. 4. Fazit: Die Itron-Spezifikation ist in China derzeit noch wenig bekannt. Ihre vielfältigen Funktionen, die hohe Leistungsfähigkeit und die offene Politik ermöglichen es ihr jedoch, sich zu einem der weltweiten Standards für eingebettete Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) zu entwickeln. Die vollständige Elektrifizierung der Spritzgießmaschinenindustrie ist ein unaufhaltsamer Trend, der sich mithilfe der Frequenzumrichtertechnologie realisieren lässt. Auf Basis einzigartiger Erkenntnisse und innovativer Ideen haben wir mithilfe eines speziellen Induktionsmotors, einer integrierten Bewegungssteuerungskarte und eines selbstentwickelten Steuerungsalgorithmus erfolgreich eine kostengünstige und leistungsstarke vollelektrische Induktionsspritzgießmaschine entwickelt. Dadurch reduzieren sich die Stromkosten der Maschine im Vergleich zum Vorjahreszeitraum um etwa 50 %. Die Steuerungsleistung der Maschine ist gegenüber hydraulischen Spritzgießmaschinen deutlich verbessert und steht den gängigen vollelektrischen Permanentmagnet-Spritzgießmaschinen in nichts nach. Auch hinsichtlich Stabilität und Lebensdauer bietet sie Vorteile.