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Die
Erfindung betrifft ein mehrachsiges Steuerungssystem für Seilwinden
und andere Maschinen in Bühnen,
Studios und Theatern, insbesondere für Synchronfahrten und ähnliche
sicherheitsrelevante Bewegungsabläufe.
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Verschiedene
mehrachsige Steuerungssysteme dieser Art sind bekannt, mit denen
Seilwinden und andere Maschinerien in Bühnen, Studios und Theatern
angesteuert und überwacht
werden können.
In der Regel erfordern diese Systeme einen hohen Verkabelungsaufwand
und sind dementsprechend aufwendig und störungsanfällig. Ungeachtet des Verkabelungsaufwands
besitzen die bekannten Systeme oft aber eine geringe Flexibilität und vielfach werden
im Hinblick auf die zu erfüllenden
Sicherheitsanforderungen Kompromisse bei der Verfügbarkeit
des Steuerungssystems gemacht.
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Aus
DE 32 33 788 A1 ist eine
Steuerungsanlage für
eine Bühnenmaschinerie
bekannt, durch die die Trennung zwischen Obermaschineriesteuerung und
Untermaschineriesteuerung überwunden
werden soll. Dazu ist für
die Obermaschinerie und für
die Untermaschinerie jeweils eine Rechneranlage vorgesehen für die Steuerung
von einzelnen und gemeinsamen Bewegungen der Züge bzw. der Bodenteile. Die
beiden Rechenanlagen sind miteinander verbunden, um Bewegungen der
Antriebe von Teilen der Obermaschine einerseits und der Untermaschinerie andererseits
zu synchronisieren.
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"Sichere Bewegungsüberwachung
in Industrierobotern",
aus VDI-Z 132 (1990), Seite 87 bis 91 offenbart Hinweise für die sichere Überwachung
von Industrierobotern. Es wird vorgeschlagen, Achsrechner redundant
auszulegen, wodurch eine höhere
Sicherheit erreicht wird als durch den Einsatz eines ebenfalls vorgesehenen Überwachungsrechners.
Offenbart ist auch der Einsatz redundanter Messsysteme.
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Vor
diesem Hintergrund. besteht das Ziel der Erfindung darin, ein einerseits
in höchstem
Maße sicheres
und andererseits hochverfügbares
Steuerungssystem für
Seilwinden und andere Maschinen in Bühnen, Studios und Theatern
anzugeben, das mit einem geringen Verkabelungsaufwand realisierbar
ist und ein hohes Maß an
Flexibilität
und Sicherheit gewährleistet.
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Dieses
Ziel wird erreicht durch ein Steuerungssystem mit den in Patentanspruch
1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Mit
einem erfindungsgemäßen Steuerungssystem
können
bis zu 200 Seilwinden und andere Maschinen (200 Achsen) synchron
verfahren werden, wobei hinsichtlich der Sicherheit die Anforderungsklasse
5 nach DIN 19250 V VDE 0801 für
sicherheitsgerichtete Rechner-Steuerungen erreicht wird.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Figuren genauer erläutert,
in denen zeigt:
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1 ein
schematisches Diagramm des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Steuerungssystems;
und
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2 ein
schematisches Diagramm des steuerungsrelevanten Aufbaus einer Seilwinde/Maschine
innerhalb des erfindungsgemäßen Steuerungssystems.
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Wie
aus 1 entnehmbar, ist das erfindungsgemäße Steuerungssystem
in fünf
Bereiche unterteilt, nämlich
die Achs-Ebene I, die zentrale Prozess-Rechner-Ebene II, die Bedien-
und Beobachter-Ebene III, die Diagnose- und Service-Ebene IV und die
Fernwartungs-Ebene V. Die Ebenen I, II, III und IV sind über Industrie-Bus-Systeme
miteinander verbunden, die Ebene V ist mit der Ebene IV über eine
Telekommunikationsleitung (beispielsweise eine Modem-Modem-Verbindung) verbunden.
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Wie
sich aus 2 ergibt, befinden sich in der
Ebene I die zu steuernden bzw. zu überwachenden Seilwinden/Maschinen
M1, M2 .. Mn, von denen eine große Anzahl mit dem erfindungsgemäßen Steuerungssystem
angesteuert und überwacht
werden können.
Im folgenden wird anhand der Seilwinde/Maschine M1 in 2 der
erfindungsgemäße Aufbau im
Detail beschrieben, der sich typischerweise bei den Maschinen M2
bis Mn entspechend oder in geringfügig abgewandelter Form wiederholt.
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Wie
bei der Seilwinde/Maschine M1 gezeigt, besitzt die zu steuernde
und zu überwachende
Seilwinde/Maschine einen Motor M, der über einen ersten Achsrechner
AR1 und einen Frequenz-Umsetzer FU
(Treiberschaltung) angesteuert wird. Der erste Achs-Rechner AR1
ist dazu mit dem Frequenz-Umsetzer FU verbunden. Vorzugsweise arbeitet
der Achsrechner AR1 in Echtzeit und ist mit einem Echtzeit-Industrie-Betriebssystem
ausgestattet. An einer Antriebswelle der Seilwinde/Maschine ist
ein Absolutwertgeber AIWG1 vorhanden, der sein Signal dem ersten
Achsrechner AR1 zuführt.
Ferner ist der Seilwinde/Maschine ein zweiter Achsrechner AR2 zugeordnet,
der mit dem ersten Achsrechner AR1 über eine Schnittstelle, beispielsweise
eine serielle Schnittstelle gemäß RS-485
verbunden ist und der vorzugsweise mit einem Vor-Ort-Bedien-Paneel ausgestattet
ist. Auch der zweite Achsrechner AR2 ist mit dem Frequenz-Umsetzer
FU verbunden und arbeitet vorzugsweise in Echtzeit, wozu er ebenfalls
mit einem Echtzeit-Industrie-Betriebsystem ausgestattet ist. An
den zweiten Achsrechner AR2 ist ein zweiter Absolutwertgeber AIWG2
angeschlossen, der an einer Antriebswelle der Seilwinde/Maschine
sitzt. Durch Vergleich der Ist-Werte der beiden Absolutwertgeber
AIWG1 und AIWG2 ist zum einen die Funktion der Absolutwertgeber
prüfbar
als auch ein Überwachung
auf Getriebebruch, Wellenbruch, Kupplungsbruch, etc. möglich, da
der eine Absolutwertgeber auf der Antriebswelle und der andere auf der
Abtriebswelle der Seilwinde/Maschine angeordnet ist.
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Der
erste und der zweite Achsrechner AR1 und AR2 haben unmittelbaren
Zugriff auf den Frequenzumsetzer FU bzw. ein vorgeschaltetes Schütz und auf
eine Bremseinrichtung zur Abschaltung und sicheren Stillsetzung
der Seilwinde/Maschine.
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Ferner
sind ein oder mehrere Sicherheitssensoren S zur Feststellung von Überlast,
Unterlast, Überdrehzahl,
Wickelfehler, Erreichen von Endpositionen etc. vorhanden, deren
Ausgangssignale sowohl dem ersten als auch dem zweiten Achsrechner
AR1 bzw. AR2 zugeführt
werden.
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In
der Ebene II sind zwei Gruppenrechner GR1 und GR2 vorgesehen, die
synchrone Gruppenfahrten von mehreren Seilwinden/Maschinen ansteuern
und überwachen.
Beide Gruppenrechner arbeiten vorzugsweise in Echtzeit und sind
dazu mit einem Echtzeit-Industrie-Betriebsystem ausgestattet. Der erste
Gruppenrechner GR1 ist über
einen Bus B1, vorzugsweise einen Lichtwellen-Leiter-Bus mit den ersten
Achsrechnern AR1 der Ebene I verbunden. Vorzugsweise ist der Bus
B1 als Simolink-Bus oder äquidistanter
Profi-Bus ausgelegt.
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Der
Lichtwellenleiter-Bus B1 erlaubt eine einfache platzsparende ringförmige statt
sternförmige
Verkabelung und sichert eine geringe Anfälligkeit gegen eingestrahlte
Störung.
Ausserdem ist der Simolink-Bus, ebenso wie der äquidistante Profi-Bus ein deterministischer
Bus, bei dem die Zykluszeit der Rechenprogramme immer konstant ist
und nicht von gelegentlich auftretenden rechenintensiven Prozeduren
kurzzeitig oder unregelmäßig beeinflusst
wird. Verbunden mit der hohen Übertragungsrate
von 11 Mbit/s unabhängig
von der Leitungslänge
führt diese Gestaltung
dazu, dass die Steuerung, Regelung und Überwachung der Antriebe deutlich
besser ist als bei Steuerungen, die keine deterministischen Busse
verwenden und deren Übertragungsrate
kleiner als 11 Mbit/s ist und bei denen die Leitungsgänge die
Signalübertragung
beeinflusst.
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Durch
die oben genannte sichere und schnelle Signalübertragung des Simolink-Lichtwellenleiter-Busses
B1 können
die Antriebe in Ebene I überaus
schnell und in höchstem
Maße synchron
geregelt werden, was zum einen deutliche Verbesserungen hinsichtlich
des in Theatern wichtigen Geräuschverhaltens
bringt und im Fehlerfall bzw. bei einer Störung eine sehr schneller und
synchrone Stillsetzung der Seilwinden/Maschinen ermöglicht.
Das "Auseinanderfahren" von synchronen und
gekoppelten Antrieben kann dadurch wesentlich reduziert werden.
Im Theater ist dies bsonders wichtig, da hier große und schwere
Dekorationsteile häufig
von mehreren Seilwinden/Maschinen gehoben und bewegt werden müssen. Unter
diesen Dekorationsteilen arbeiten Schauspieler, Künstler und
Bühnenarbeiter
und das zu große "Auseinanderfahren" der Antriebe kann dazu
führen,
dass eine Dekoration auseinanderreisst oder kippt oder ein Antrieb überlastet
wird und Seile reissen etc.
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Der
erste Gruppenrechner GR1 sendet über den
Bus B1 dem verwendeten Protokoll entsprechende Kommandos an die
ersten Achsrechnern AR1 und empfängt
von den Achsrechnern Signale. Die gesendeten Kommandos vom ersten
Gruppenrechner GR1 setzen die jeweiligen ersten Achsrechner AR1
um in die Ansteuerungssignale an den Frequenz-Umsetzer FU, d.h.
an die Motoren der Seitenwinden/Maschinen
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Die
empfangenen Signale von den Absolutwertgebern AIWG1 und AIWG2 und
den Sicherheitssensoren S (Überlast,
Unterlast, Schlaffseil, Not-End, Überdrehzahl, Wickelfehler,
Schleppfehler (Positionsabweichung), Busfehler etc.) werden zur Überwachung
und Steuerung der Synchronfahrten der Antriebe verwendet und dazu
zumindest teilweise von den Achs-Rechnern
auch an den Gruppenrechner übertragen.
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Im
Fehlerfall setzt der Gruppenrechner GR1 die synchronfahrenden Antriebe
still, wobei auch die Stillsetzung synchron erfolgt.
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Der
jeweilige erste Achsrechner AR1 jeder Seilwinde/Maschine überwacht
zusätzlich
die Funktion der einzelnen Seilwinde/Maschine direkt am Antrieb
und schaltet zeitverzögert
zum Gruppenrechner GR1 im Fehlerfall ebenfalls selbst ab. Bei Ausfall
des Gruppenrechners GR1 wird der fehlerhafte Antrieb also zusätzlich durch
den ersten Achsrechner AR1 abgeschaltet. Da jedoch im Falle von
synchronen Verfahrbewegungen mehrere Achsen bei Auftreten eines
Fehlers an einer Achse in aller Regel ein synchrones Stillsetzen
aller Antriebe, also nicht nur des fehlerhaften erforderlich ist,
erfolgt die Stillsetzung durch den ersten Achsrechner AR1 gegenüber der Stillsetzung
durch den Gruppenrechner GR1 zeitverzögert.
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Bei
Störungen
reagiert also sowohl der erste Achsrechner AR1 als auch der erste
Gruppenrechner GR1. Der Gruppenrechner GR1 stellt bei einem Fehler
eines Antriebes fest, ob zu der gestörten Seilwinde/Maschine eine
weitere Seilwinde/Maschine in Synchronlauf bewegt wird. Ist dies
der Fall, bestimmt der Gruppenrechner GR1, auf welchem Weg die synchronlaufenden
Seilwinden/Maschinen abgebremst und/oder stillgesetzt werden müssen. Im
günstigen Fall
werden alle in einer Gruppe synchronfahrenden Seilwinden/Maschinen
synchron (aber schnell) gebremst.
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Ist
es durch Versagen des ersten Gruppenrechners GR1 nicht möglich, dass
der erste Gruppenrechner GR1 die Seilwinden/Maschinen stillsetzt,
so werden synchron laufende Seilwinden/Maschinen dennoch stillgesetzt.
Hierzu ist zur Absicherung des Synchron-Steuer-Systems in der Ebene
II ein zweiter Gruppenrechner GR2 vorhanden, der zusätzlich die synchronen
Gruppenbewegungen überwacht.
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Der
zweite Gruppenrechner GR2 steht über einen
zweiten Bus B2, vorzugsweise einen Lichtwellenleiter-Bus mit den
zweiten Achsrechnern AR2 der Seilwinden/Maschinen in Verbindung.
Auch hier ist eine hohe Übertragungsrate
von 12 Mbit/s vorhanden. Für
den zweiten Bus B2 gilt im übrigen
das zum ersten Bus B1 oben Gesagte.
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Der
zweite Achsrechner AR2 jeder Winde erhält über den zweiten Absolutwertgeber
AIWG2 und die Sicherheits-Sensoren S ebenso alle o.g. Informationen über den
Zustand der Seilwinde/Maschine. Diese Information gibt der zweite
Achsrechner AR2 jeweils über
den Bus B2 an den weiteren Gruppenrechner GR2 weiter. Damit liegt
die Information über den
Zustand der Seilwinde/Maschine in der Ebene II doppelt vor: einmal
im Gruppenrechner GR1 und einmal im Gruppenrechner GR2
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Um
sich zusätzlich
gegenseitig zu überwachen
synchronisieren und vergleichen die beiden Gruppenrechner GR1 und
GR2 ihre Informationen entweder über
eine Gruppenrechnerverbindung GRV oder über einen gemeinsam genutzten
Speicher oder Speicherbereich.
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Sofern
Störungen
auftreten, kann jedes System für
sich reagieren, indem sowohl über
die primäre
Verbindung (Gruppenrechner GR1 ⟡ erster Achsrechner AR1)
oder über
die zweite redundante Verbindung (Gruppenrechner GR2 ⟡ zweiter
Achsrechner AR2) auf die Seilwinde/Maschine und deren Abschalt-/Stillsetzenmechanismen
FU/A eingewirkt wird.
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Zusätzlich wird
der fehlerhafte Antrieb auch über
den jeweiligen Achsrechner AR2 direkt an der Seilwinde/Maschine
abgeschaltet. Diese Abschaltung erfolgt ebenso wie die durch den
ersten Achsrechner AR1 zeitverzögert
zur Abschaltung durch die Gruppenrechner GR1 und GR2, um die synchrone Stillsetzung
zu gewährleisten
und ein "Auseinanderfahren" der Antriebe beispielsweise
durch verfrühtes Einfallen
der Bremse eines einzelnen Antriebes zu verhindern.
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Da
zwei von einander unabhängige
und sich überwachende
Gruppenrechner GR1 und GR2 mit Echtzeit-Betriebssystemen zur Steuerung
und Überwachung
von Synchronfahrten, zwei schnelle, sichere jedoch getrennte und
somit diversitäre
Bussysteme B1 und B2, zwei unabhängige
separate und dezentrale Achsrechner AR1 und AR2 an der Seilwinde/Maschine
mehrere unterschiedliche und unabhängige Abschaltmechanismen (Doppelbremsen, Lasttrennschalter,
Sperren der Reglerfreigabe) doppelte und in unabhängige Systeme
eingelesene Sicherheits-Sensoren S (Endschalter, Lastmessung, etc.)
und doppelte, getrennte und in unabhängige Systeme eingelesene Absolutwertgeber
AIWG1 und AIWG2 vorhanden sind, ist das System insgesamt redundant,
diversitär
und gegenseitig überwacht
und dementsprechend sicher ausgelegt. Falls eines der Leitsysteme
anders reagiert als das andere, so wird auch dies erkannt und gemeldet.
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Für den Fall,
dass entweder der erste Gruppenrechner GR1 oder der zweite Gruppenrechner GR2
nicht einsatzbereit sind, besteht die Möglichkeit, die Seilwinde/Maschine
im Störfall
entweder mit dem ersten Gruppenrechner GR1 oder mit dem zweiten Gruppenrechner
GR2 allein zu fahren. Damit ist für die Anlage ein Höchstmaß an Verfügbarkeit
auch bei Ausfall eines Rechners gewährleistet. Bei Ausfall beider
Gruppenrechner ist zusätzlich über den
zweiten Achsrechner AR2 noch eine Vor-Ort-Bedienung jedes Antriebes
möglich,
da der zweite Achsrechner mit einem Bedienpaneel ausgestattet ist.
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Das
erfindungsgemäße Steuerungssystem für Seilwinden/Maschinen
mit dem ersten Gruppenrechner GR1 und dem zweiten Gruppenrechner
GR2 erreicht die Sicherheitsstufe AK5 nach DIN 19250/V VDE 0801.
Bei Ausfall von einem der beiden Gruppenrechner erreicht die Steuerung
der Seilwinden/Maschinen über
den verbleibenden Gruppenrechner allein jeweils die Sicherheitsstufe
AK4.
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Es
ist also möglich
mit den vorhandenen Komponenten eine Havarie-Steuerung bzw. eine Backup-Lösung zu
realisieren, die es auch bei Ausfall eines Rechnersystems erlaubt,
die Anlage weiter zu betreiben. Es sind keine zusätzlichen
Komponenten erforderlich. Dies reduziert Kosten für den Betreiber sowie durch
Reduzierung von Teilen auch die Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems.
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Die
Verbindung zu einem oder mehreren Bedienpulten BP in Ebene III erfolgt über einen
(Ethernet-)Bus B3, ebenfalls vorzugsweise in Lichtwellenleiter-Technik,
so dass die Verbindung zwischen der Ebene II und III störunanfällig und
mit hoher Übertragungsrate
realisierbar ist.
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In
der Ebene IV ist ein Service- und Diagnose-Rechner SDR vorgesehen,
der über
den (Ethernet-)Bus B3 auch mit den Rechnern der Ebene II und den
Bedienplten BP der Ebene III verbunden ist.
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In
der Ebene V ist ein Fernwartungsrechner FWR vorgesehen, der über eine
Telekommunikationsverbindung B4, beispielsweise eine Verbindung über Modem
MD1 und MD2 mit dem Rechner SDR verbunden ist. Damit kann über die
zusätzlich
vorhandene Fernwartungsverbindung B4 zu Ebene V zwischen den Ebenen
IV und V direkt auf die Gruppenrechner der Ebene II zugegriffen
werden. Es stehen somit die Informationen, Parameter und Einstellungen
der Ebene II für
die Fernwartung in Ebene V zur Verfügung.
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Vorzugsweise
ist der Service- und Diagnoserechner SDR über einen weiteren Bus 5 oder
alternativ über
die vorhandenen Busleitungen B1, B2 und B3 mit den Seilwinden/Maschinen,
vorzugsweise direkt mit den Achsrechnern AR1 und AR2 und den Frequenz-Umsetzern
der Seilwinden/Maschinen verbunden und ebenso auch mit zusätzlichen
Peripherieantrieben. Dadurch ist ein direkter Zugriff auf alle diese
Komponenten und die dort vorhandenen Informationen und Parametereinstellungen,
insbesondere auch die Einstellungen der Absolutwertgeber über Fernwartung
möglich.
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Eine
weitere Erhöhung
der Sicherheit ist dadurch zu erreichen, dass im Zusammenwirken
mit einem erfindungsgemäßen Steuerungssystem
die Doppelbremsen der Seilwinden/Maschinen auf der Abtriebswelle
angebracht werden und nicht mehr auf der Antriebswelle.
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Durch
die Anordnung eines Absolutwertgebers AIWG1 auf der Antriebswelle
und eines Absolutwertgebers AIWG2 auf der Abtriebswelle ist es möglich einen
dazwischenliegenden Bruch oder Ausfall eines Getriebes, einer Kupplung,
einer Schweißverbindung,
einer Welle/Nabe-Verbindung, einer Schraubenverbindung, jeder sonstigen
reib- oder formschlüssigen
Verbindung etc. zu erfassen und dann durch Ansteuern und Einfallen
der Bremsen am Antrieb die Seilwinden/Maschinen sicher still zu
setzen.
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Darüber hinaus
erlaubt diese Anordnung der Bremse, dass der für alle mechanischen Antriebskomponenten
laut DIN für
Bühnentechnik
vorgeschriebene Sicherheitsfaktor 2 z.B. für Getriebe, Wellen, Kupplungen
etc. gegen Dauerbruch entfallen kann, da diese nunmehr hinter der
Bremse liegen. Die Seilwinden/Maschinen werden um mindestens 30%
kleiner und kostengünstiger
und durch Verwendung kleinerer Baugrößen der Komponenten auch geräuscharmer.
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In
einer Gesamtbetrachtung des erfindungsgemäßen Steuerungssystems ergeben
sich folgende Vorteile und Eigenschaften:
- – zwei voneinander
unabhängige
und sich gegenseitig überwachende
Gruppenrechner mit Echtzeit-Betriebssystemen (z.B. Siemens RMOS)
zur Steuerung und Überwachung
von Synchronfahrten,
- – zwei
diversitäre über 11 Mbit/s
schnelle Lichtwellenleiter-Bussysteme,
- – Verwendung
des deterministischen Simolink-Lichtwellenleiterbusses
- – zwei
unabhängige
unterschiedliche und dezentrale Achsrechner an der Winde/Maschine,
- – mehrere
unterschiedliche unabhängige
und von voneinander unabhängige
Systemen angesteuerte Abschaltmechanismen (Doppelbremsen, Lasttrennschalter,
Sperren der Regelerfreigabe)
- – doppelte
und in unabhängige
Systeme eingelesene Sicherheits-Sensorik (Endschalter, Lastmessung,
Schlaffseil, Wickelfehler etc.)
- – doppelte
unterschiedliche in unabhängige
Systeme eingelesene und sowohl an der Antriebswelle als auch an
der Abtriebswelle angebraachte Absolutwertgeber
- – Zugriffsmöglichkeit
und Service- und Wartungsmöglichkeit über ISDN,
Modem oder Internet auf alle Komponenten des Steuerungssystems inklusive
der Absolutwertgeber und Frequenzumsetzer
- – Hochverfügbarkeit
der Anlage auch bei Ausfall eines Gruppenrechners durch die Möglichkeit, alle
Antriebe auch über
den jeweiligen redundanten zweiten Gruppenrechner noch mit Synchron-Bewegungen
fahren zu können
(Dies ohne das Erfordernis von zusätzlichen Komponenten.)
- – Möglichkeit
bei Ausfall beider Gruppenrechner die Antriebe über die jeweilige Vor-Ort-Bedienungen
an den Winden/Maschinen noch fahren zu können