Beim Schließen der Wände müssen je zwei Achsen für die Translation und eine Achse für die Rotation hochpräzise angesteuert werden, damit die Lücken nicht größer als ein Zentimeter werden. © Beckhoff
Ein intelligentes Faltwandsystem in der ostchinesischen Provinz Zhejiang zeichnet mit seiner grünlichen Fliesenoberfläche ein berühmtes Landschaftsgemälde nach.
Beim synchronen Verfahren der 251 Tonnen schweren Wände sorgt die PC- und EtherCAT-basierte Steuerungstechnologie von Beckhoff für funktionale Sicherheit.
Bibliothek, Museum, Kunstgalerie, Archiv und Ausstellungsort – das alles wird der neue Pavillon in Hangzhou in der ostchinesischen Provinz Zhejiang sein. Der frisch angelegte Gebäudekomplex ist harmonisch in eine Berglandschaft eingebettet, architektonisches Highlight ist eine Faltwand aus beweglichen Wandelementen mit 70.000 in traditionellen Brennöfen speziell angefertigten Seladon-Fliesen, welche den Ausstellungsraum nach außen öffnen oder verschließen kann.
Dem Designkonzept folgend, ähnelt die Installation dem berühmten chinesischen Gemälde „Tausend Meilen Flüsse und Berge“, das auf einer Breite von über 50 m ein blaugrünes Landschaftspanorama zeigt . Zhejiang Dafeng Industry, ein Lösungsanbieter aus China für den Kultur- und Tourismussektor, erhielt beim Bau den Auftrag zur Entwicklung eben jenes intelligenten Faltwandsystems. Dazu werden die Wandelemente entweder schräg ausgerichtet wie die Flügel eines traditionellen Wandschirms oder bündig nebeneinander aufgestellt wie eine bemalte Stellwand. Das reibungslose Öffnen und Schließen der hohen und schweren Wände übernimmt eine PC-basierte Steuerung von Beckhoff und stellt so eine sichtbare Verbindung zwischen der Kulturgeschichte und modernster Automatisierung her.
Stabilität, Präzision und Sicherheit
Die Bauphase des Pavillons begann bereits im Jahr 2020. Wegen der hohen Steuerungsanforderungen geriet die Realisierung der Seladon-Wandinstallation jedoch ins Stocken, denn der größte Wandtyp misst 2,1 m x 10,4 m und wiegt bei einer Stärke von 22 cm vier Tonnen. Die maschinelle Ausrüstung musste diese Wände nicht nur sicher tragen können, sondern auch die ruckfreie Bewegung und Verschiebung in einem dafür vorgesehenen Schienensystem ermöglichen, weil sie sonst durch ihre hohe Massenträgheit zerbrechen würden.
„Im Maschinenbau haben wir es hauptsächlich mit Materialien wie Stahl zu tun. Bis dahin hatte ich noch nie mit Keramik gearbeitet“, sagt Huafeng Yan, Entwicklungsleiter für die Seladon-Faltwand bei Dafeng. Das enorme Gewicht der Fliesenwand, das aus der hohen Materialdichte resultiert, bedingt außerdem, dass die mechanischen Fehler bei der Positionierung klein sein müssen. Wenn die Wände gedreht werden, um sie flach nebeneinander auszurichten, darf der Abstand zwischen ihnen nie größer als ein Zentimeter sein. Größere Lücken zwischen den Wandschirmen würden die Ähnlichkeit der Installation mit dem namensgebenden Gemälde zu sehr beeinträchtigen.
Das von Dafeng entwickelte System integriert Funktionen zur Bewegungssteuerung, Logiksteuerung, Sicherheitsüberwachung und Echtzeitsynchronisation. Es beinhaltet verschiedene Algorithmen, z. B. für Antivibrations- und Beschleunigungsfunktionen mit einer Überlagerung der Parabeln, um sicherzustellen, dass die Seladon-Faltwände 16 Bewegungsprofile reibungslos durchlaufen können. Die Sicherheitssteuerung der Anlage hat laut Dafeng die SIL-3-Zertifizierung erhalten, entsprechend dem höchsten Sicherheitsstandard der Europäischen Union. „Wir haben damit ein weltweit führendes Niveau für technische Implementierungen im Kulturbereich erreicht“, sagt Hufeng Yan.
Leistungsstarke PC-basierte Steuerung
Das Herzstück der Steuerung ist der Embedded-PC CX2040 mit einem Intel-Core-i7-Prozessor, mit 4 GB Hauptspeicher und dem Betriebssystem Windows 10. Damit bietet die PC-basierte Steuerungsplattform eine hohe Rechenleistung und ermöglicht mit der Automatisierungssoftware TwinCAT 3 ein flexibles Engineering gemäß IEC 61131-3. Die gemischte Nutzung der Programmiersprachen Structured Text (ST), Function Block Diagram (FBD) und Ladder Diagram (LD) erleichterte laut Huafeng Yan die Entwicklung der kundenspezifischen Algorithmen und Logikprogramme erheblich. Auch die Bewegungssteuerung konnte mit der TwinCAT-3-Motion-Control-Bibliothek, basierend auf den PLCopen-Bausteinen, schnell entwickelt werden.
Jede Seladon-Faltwand wird über drei Servoachsen gesteuert – zwei Achsen für die Translation und eine Achse für die Rotation. Bei insgesamt 251 Einzelwänden muss also jede Steuerung die Synchronisation von mehr als 100 Achsen übernehmen. Für die Erfüllung dieser Anforderungen nutzt Dafeng TwinCAT NC, um über eine komplexe Cam-Tabelle entsprechende Slave-Positionen zu spezifizieren und geeignete Interpolationspositionen sowie -geschwindigkeiten zu planen. Eine in C# (gesprochen CSharp) entwickelte High-Level-Monitoring-Software ermöglicht den schnellen und effizienten Austausch sehr großer Datenmengen über das Protokoll ADS.
Präzise Servosteuerung über EtherCAT
EtherCAT hat sich als schnellste Industrial-Ethernet-Technologie etabliert, weil sie im Vergleich zu traditionellen Feldbussystemen sehr hohe Datenübertragungsraten bietet. Die Seladon-Wandinstallation profitiert hiervon durch eine entsprechend hohe Präzision. Alle Servoachsen werden über die Distributed-Clocks-Funktion zur Synchronisierung aller Knoten in einem Netzwerk gesteuert, wobei der Jitter innerhalb des gesamten Systems weit unter 1 μs liegt. Für die Steuerung jeder Seladon-Wand werden drei Servoantriebe benötigt, die über ein Netzwerkkabel mit einem Port eines 8-fach-EtherCAT-Abzweigs CU1128 verbunden sind. Darüber hinaus unterstützt das System eine Hot-Connect-Funktion für das bequeme An- und Abkoppeln sowie den Austausch im Fehlerfall ohne Unterbrechung des Betriebs.
Für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb nutzt die Wandinstallation TwinCAT 3 EtherCAT Redundancy (TF6220). Diese EtherCAT-Kabelredundanz integriert das gesamte System in einem geschlossenen Regelkreis, in dem ein physikalischer oder verbindungstechnischer Fehler an einem Knotenpunkt den Betrieb der anderen Netzwerkteilnehmer nicht unterbricht. Dieser Aufbau verhindert die Beeinträchtigung des Systems durch transiente elektromagnetische Störungen und reduziert das Risiko von Ausfällen erheblich.
Integration von Wissenschaft, Technologie und Kultur
Die Seladon-Faltwände können in jedem beliebigen Winkel geöffnet und geschlossen werden, um in verschiedenen Szenarien ein elegantes visuelles Erlebnis zu schaffen. Huafeng Yan sieht den Projekterfolg vor allem in der tiefen Integration von Technologie und Kultur: „Die Außenwelt sieht Bühnentechnik im Allgemeinen als Teil der Fertigungsindustrie. Tatsächlich wird der Trend, dass digitale Technologien und kulturelle Innovation die traditionellen Fertigungsindustrien stärken, immer deutlicher. Die Erfahrung, am Bau des nationalen Pavillons teilzunehmen, stellt zweifellos einen Höhepunkt in der Geschichte unseres Unternehmens dar.“ (BS)