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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur redundanten Erfassung der Ausgangssignale eines Drehgebers an einer drehbaren Komponente einer Maschine.
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Drehgeber in ihren verschiedenen Ausführungsformen als Inkrementalgeber oder Resolver werden bei der Steuerung von Maschinen eingesetzt, um als Sensoren die Drehgeschwindigkeit rotierender Bauteile sowie deren Winkelposition erfassen zu können. Anhand der erfassten Daten können entsprechende Regelungsvorgänge ausgelöst werden, die gegebenenfalls Abweichungen der rotierenden Bauteile von Sollwerten korrigieren können. Da insbesondere von schnellen, rotierenden Bauteilen meist eine erhebliche Gefahr ausgeht oder zumindest eine Zerstörung der Maschine droht, wenn rotierende Komponenten außer Kontrolle geraten, müssen die Signale der Drehgeber und die Funktion der Drehgeber ständig überprüft werden, um Ausfälle vermeiden zu können. Aus der
EP 1 006 341 A1 ist ein Drehgeber bekannt, welcher mit magnetischen Feldern arbeitet. Dabei wird ein Magnetfeld eines drehbaren Bauteils von ersten Magnetfeldsensoren erfasst und zusätzlich von zweiten Magnetfeldsensoren, welche die Drehposition des drehbaren Bauteils unabhängig voneinander erfassen. Wenn der magnetische Winkelgeber in Ordnung ist, unterscheiden sich die detektierten Positionen der ersten und zweiten Sensoren nicht voneinander. Falls die von den beiden Sensoren festgestellten Drehpositionen jedoch voneinander abweichen, ist davon auszugehen, dass an den Sensoren ein Problem aufgetreten ist. Die Winkelgeschwindigkeit und der Drehwinkel eines drehbaren Bauteils werden somit in der
EP 1 006 341 A1 von zwei verschiedenen Sensoren erfasst, wobei ein Ausfall eines Sensors noch nicht zum Ausfall des Systems führt, sondern an Fehler festgestellt werden kann. Zu diesem Zweck müssen jedoch die Sensoren zur Erfassung des Magnetfelds im Winkelgeber doppelt ausgeführt sein, was einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand bedeutet.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2004 002 629 A1 zeigt ein Verfahren zur Fehlererkennung einer mittels eines induktiven Gebers wie z. B. eines Resolvers durchgeführten Positionserfassung. Um Fehlerquellen zu erkennen und die Sicherheit der Positionserfassung zu verbessern, ist vorgesehen, dass ein an einem ersten Ausgang des induktiven Gebers anliegendes analoges Sinussignal und ein an einem zweiten Ausgang des induktiven Gebers anliegendes analoges Kosinussignal digitalisiert werden, dass die digitalisierten Werte der Sinus- und Kosinussignale über ein Bussystem an eine in sicherer Technik aufgebaute zweikanalige Auswerteeinheit übertragen werden und dass geprüft wird, ob die zu gleichen Zeitpunkten abgetasteten Sinus- und Kosinussignale eine definierte trigonometrische Beziehung erfüllen oder mit in einer Tabelle hinterlegten Sinus- bzw. Kosinuswerten übereinstimmen. Die dabei ermittelten Daten werden einem kreuzweisen Datenvergleich unterzogen, wobei bei Nichterfüllung der trigonometrischen Beziehung oder fehlender Übereinstimmung der Sinus- und Kosinuswerte in der Tabelle ein Fehlersignal erzeugt wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 199 37 737 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur sicheren Überwachung der Drehbewegung einer Welle bekannt. Dabei sind Messmittel vorgesehen, welche ein erstes und ein zweites Signal aufnehmen, wobei das erste Signal den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines ersten Referenzpunkts der Welle repräsentiert und wobei das zweite Signal den zeitlichen Verlauf der Drehwinkelposition eines zweiten Referenzpunktes der Welle repräsentiert. Die beiden genannten Referenzpunkte sind dabei um einen Drehwinkel der Welle gegeneinander verschoben. Dabei besitzt die Vorrichtung Auswertemittel mit einem Vergleicher, der die Momentanwerte des ersten und zweiten Signals anhand einer vorgegebenen geometrischen Beziehung miteinander vergleicht.
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Das Patent
US 6,191,550 B1 zeigt einen Winkelsensor mit einem Resolver zur Winkelerfassung. Dabei wird der Resolver mit einem Referenzsignal mit einer vorgegebenen periodischen Wellenform versorgt, sodass der Resolver ein Sinussignal erzeugen kann, welches durch Amplitudenmodulation des Referenzsignals zu einem Sinus- und Kosinussignal ausgebildet wird. Das Referenzsignal wird dabei in einer Erregerwicklung gebildet, während die Sinus- und Kosinussignale in den Signalwirkungen gebildet werden. Die beiden Wicklungen mit den Sinus- und Kosinussignalen sind dabei über Leitungen mit einem Signalverarbeitungsschaltkreis verbunden, welcher die beiden Signale auswertet. Dabei werden die Sinus- und Kosinussignale der beiden Wicklungen jeweils redundant ausgewertet.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 195 20 299 A1 ist eine Einrichtung zur Lageerkennung bekannt, welche zwei getrennte Sensorsysteme umfasst, die jeweils die zu bestimmende Größe messen. Als erfindungswesentlich wird dabei angesehen, dass die beiden Sensorsysteme nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien arbeiten. Mit Hilfe eines Mikrokontrollers werden die beiden Einzelsysteme so miteinander kombiniert, dass sich die Nachteile der beiden Einzelsysteme gegenseitig aufheben und die Vorteile verstärkt werden.
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Ein Diagnosesystem geht aus der Offenlegungsschrift
DE 196 36 987 A1 hervor, welches Verschleiß und Schäden an einer Rotationsdruckmaschine überwacht. Dazu ist erfindungsgemäß an einem Zylinder ein Drehimpulsgeber angeordnet, dessen Signal mit einem Mustersignal verglichen wird. Eine Abweichung zwischen dem erfassten Signal und dem Referenzsignal wird dabei als Maß für Verschleiß oder Schäden an der Rotationsdruckmaschine herangezogen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehwinkelgeber zu schaffen, welcher eine Überwachung seiner Funktionsfähigkeit ermöglicht, ohne zusätzliche Sensoren zu benötigen.
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Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den Zeichnungen zu entnehmen. Die vorliegende Erfindung kann in allen Maschinen und Geräten eingesetzt werden, bei denen mittels Winkelgeber die Drehgeschwindigkeit oder Winkelposition eines sich drehenden Bauteils erfasst werden muss. Ein wichtiges Einsatzgebiet liegt insbesondere bei Druckmaschinen, welche eine Vielzahl von drehbaren Bauteilen aufweisen, deren Winkellage und Drehgeschwindigkeit von einem Steuerungsrechner überwacht werden muss. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht zunächst aus einem Drehgeber, welcher an einer drehbaren Komponente einer Maschine angebracht ist und somit die Drehgeschwindigkeit und den Drehwinkel der drehbaren Komponente erfassen kann. Die Drehgeschwindigkeit und die Winkelposition der drehbaren Komponente werden mittels des Drehgebers in elektrische Signale umwandelt, welche an eine elektronische Auswerteeinrichtung gesendet werden. Eine solche Auswerteeinrichtung stellt z. B. ein Steuerungsrechner dar. Erfindungsgemäß werden nun die Ausgangssignale des Drehgebers nicht nur an einen Rechner weitergeleitet sondern an wenigstens zwei Rechnersysteme, so dass die Ausgangssignale des Drehgebers redundant ausgewertet werden. Mittels der redundanten Auswertung wird die Signalverarbeitung der Ausgangssignale des Drehgebers überwacht, da bei einer einwandfreien Funktion des Drehgebers die Verarbeitung der Ausgangssignale in den beiden Rechnersystemen zum gleichen Ergebnis führen muss. Einer der beiden Rechner, der Sicherheitsrechner prüft die Drehgeschwindigkeit oder/und den Drehwinkel auf vom aktuellen Maschinenzustand abgeleitete Grenzwerte. Wenn eine Grenzwertüberschreitung vorliegt, ist von einer Fehlfunktion auszugehen. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird jedoch nur ein Drehgeber benötigt, auf den auch keine zusätzlichen Sensoren montiert sein müssen.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehgeber ein Resolver mit einem Eingangssignal als Erregerspannung und wenigstens zwei Ausgangssignalen als Winkelsignale ist. Ein Resolver ist ein Drehwinkelgeber, welcher aus wenigstens drei elektrischen Wicklungen besteht. Über die erste Wicklung wird eine Wechselspannung mit einer Erregerfrequenz eingespeist, während die beiden anderen Wicklungen jeweils eine nach dem elektromagnetischen Prinzip induzierte Wechselspannung liefern, welche den Sinus bzw. Kosinus des mechanischen Winkels enthalten. Um eine Position zu bestimmen, wird der Betrag der beiden Ausgangssignale der beiden Wicklungen gemessen und hieraus über die mathematische Arcustangens-Funktion der mechanische Winkel berechnet. Resolver haben den großen Vorteil, dass sie nur aus passiven elektromechanischen Komponenten wie Ferritkernen und Kupferwicklungen bestehen und damit robuster als andere Winkelsensoren wie z. B. Encoder mit optischer Abtastung sind.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens zwei Rechnersysteme jeweils die Erregerfrequenz erfassen und dass in Abhängigkeit der jeweils erfassten Erregerfrequenz die Ausgangssignale des Drehgebers von wenigstens zwei Rechnersystemen ausgewertet werden. Beim Einsatz eines Resolvers wird dieser an zwei voneinander unabhängig arbeitende Rechnersysteme angeschlossen. Die Erregerfrequenz des Resolvers auf der ersten Wicklung wird aber von beiden Rechnersystemen unabhängig voneinander erfasst, wobei ein Rechnersystem die Erregerfrequenz auch vorgeben kann, so dass dieses System dann keine Erfassung der Frequenz mehr braucht, da ihm die Erregerfrequenz ohnehin durch die interne Erzeugung bekannt ist. Somit ist jedem Rechnersystem für sich der Zeitpunkt der Abtastung für die beiden Ausgangssignale der zweiten und dritten Wicklung des Resolvers bekannt. Auf diese Art und Weise lassen sich Winkelpositionen und Drehzahl des Resolvers redundant überwachen, so dass Fehler im System erkannt werden können. Der Resolver an sich muss jedoch nicht verändert werden, da weder zusätzliche Sensoren noch eine zusätzliche Wicklung benötigt werden. Durch die Abtastung der Ausgangssignale der zweiten und dritten Wicklung lassen sich sowohl die Winkelposition an einer drehbaren Komponenten als auch deren Drehgeschwindigkeit ermitteln.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Drehgeber auf einer gemeinsamen Achse mit der Antriebswelle eines Motors angeordnet ist. Eine solche Anordnung ermöglicht die direkte Erfassung der Drehgeschwindigkeit und der Winkelposition eines Antriebsmotors. Hier ist keine Umrechnung der Übersetzung aufgrund eines Getriebes erforderlich. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehgeber an einem drehbaren Bauteil einer Bedruckstoffe verarbeitenden Maschine befestigt ist. Ein solches drehbares Bauteil kann z. B. der Druckzylinder einer Druckmaschine sein, aber auch andere rotierende Bauteile z. B. rotierende Falzmesser in Falzmaschinen fallen darunter. Auf diese Art und Weise lässt sich die Drehgeschwindigkeit und Winkelposition des drehbaren Bauteils in einer Bedruckstoffe verarbeitenden Maschine eindeutig bestimmen. Falls erforderlich kann solch ein Drehgeber auch an weiteren drehbaren Bauteilen einer Bedruckstoffe verarbeitenden Maschine befestigt sein, so dass mehrere oder auch alle drehbare Bauteile einer Bedruckstoffe verarbeitenden Maschine überwacht werden können. Dies kann auch bei drehbaren Bauteilen sinnvoll sein, welche selbst über mechanische Komponenten wie z. B. eine Welle oder einen Zahnradräderzug miteinander verbunden sind. Sollten Drehgeschwindigkeiten und Winkelpositionen der Bauteile bei einer solchen Ausführungsform voneinander abweichen, so lässt sich z. B. ein Kupplungsversagen oder ein Zahnradbruch diagnostizieren.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Rechnersysteme in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Auf diese Art und Weise lässt sich eine besonders kompakte redundante Überwachungseinheit realisieren, welche z. B. zum einen den Betriebswegrechner und zum anderen den Sicherheitswegrechner enthält. In diesem Fall reicht es auch aus, wenn außen am Gehäuse die Anschlüsse für den Drehgeber einfach vorgesehen sind, da die Signale des Drehgebers im Inneren des Gehäuses an die beiden Rechnersysteme verzweigt werden.
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Es ist auch möglich, dass die wenigstens zwei Rechnersysteme Bestandteil der Maschinensteuerung einer Bedruckstoffe verarbeitenden Maschine sind. In diesem Fall müssen keine zwei zusätzlichen Rechnersysteme zur Überwachung des Drehgebers vorhanden sein, es kann stattdessen auf zwei schon ohnehin vorhandene Rechnersysteme einer Maschinensteuerung zurückgegriffen werden, die ansonsten für andere Zwecke benutzt werden. Wichtig dabei ist nur, dass tatsächlich zwei voneinander unabhängig arbeitende Rechnersysteme vorhanden sind, da sonst die redundante Überwachung der Ausgangssignale des Drehgebers nicht gewährleistet ist. Aus diesem Grund muss die Auswertung der Ausgangssignale des Drehgebers in jedem Fall unabhängig voneinander vorgenommen werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an die Rechner jeweils die Ausgangssignale mehrerer Drehgeber angeschlossen sind. Wichtig dabei ist, dass jeder der mehreren Drehgeber an wenigstens zwei unabhängig voneinander arbeitende Rechner angeschlossen ist. Dies hat zur Folge, dass jeder Drehgeber von wenigstens zwei Rechnern redundant ausgewertet wird, so dass Fehler im System erkannt werden können. Da die Rechner jedoch mit der Überwachung eines Drehgebers meist nicht ausgelastet sind, können die Rechner dazu benutzt werden mehrere Drehgeber zu überwachen. So können entsprechend schnelle Rechner abwechselnd die Signale mehrerer Drehgeber auswerten.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1: eine Druckmaschine mit erfindungsgemäßen Drehgebern in zwei Druckwerken und
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2: einen redundant überwachten Resolver als Drehgeber.
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1 zeigt eine Bogenoffsetdruckmaschine 1 mit zwei Druckwerken 2, wobei der Druckmaschine 1 ein Anleger 3 vorgeordnet und ein Ausleger 4 nachgeordnet ist. Grundsätzlich lässt sich jedoch ein erfindungsgemäß überwachter Drehgeber auch in anderen Druckmaschinen, Falzmaschinen sowie Maschinen überhaupt einsetzen. Die Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen von den Beispielen in den Figuren in keiner Weise eingeschränkt werden. Die zwei Druckwerke 2 der Druckmaschine 1 weisen jeweils ein Farbwerk 12 auf, welches in 1 nur schematisch für das erste Druckwerk 2 gezeigt ist. Weiterhin sind in beiden Druckwerken 2 Plattenzylinder 11 vorhanden, welche die Druckplatten tragen. Die Plattenzylinder 11 übertragen das Druckbild jeweils auf einen Gummituchzylinder 10, welcher wiederum im Druckspalt zwischen Gummituchzylinder 10 und einen Gegendruckzylinder 8 einen nicht dargestellten Bedruckstoff mit Farbe beaufschlagt. Zwischen den Druckwerken 2 sind Transportzylinder 9 vorhanden, welche den nicht gezeigten Bedruckstoff durch die Druckmaschine 1 transportieren. Zusätzlich ist zwischen den beiden Druckwerken 2 eine Wendetrommel 7 vorhanden, welche es erlaubt zwischen den beiden Druckwerken 2 die nicht gezeigten Bedruckstoffe zu wenden, so dass Vorder- und Rückseite eines Bedruckstoffs verarbeitet werden können. Im Anleger 3 werden weiße Bedruckstoffe dem Anlegerstapel 6 entnommen und dem ersten Druckwerk 2 zugeführt. Am anderen Ende der Druckmaschine 1 werden die bedruckten Bogen vom Gegendruckzylinder 8 an eine Auslegertransportkette 13 übergeben, welche die bedruckten Bogen ergreift und im Ausleger 4 auf einen Auslegerstapel 5 ablegt.
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In der Druckmaschine 1 in 1 sind an mehreren Stellen Winkelgeber 17 vorhanden, welche als Resolver ausgebildet sind. Mit den Winkelgebern 17 werden die Winkelpositionen und die Drehzahlen der zugeordneten Zylinder überwacht. In 1 sind die Winkelgeber 17 an den Gegendruckzylindern 8 und an der Wendetrommel 7 angebracht. Über die Wendetrommel 7 wird in 1 zugleich die Antriebsleistung des Antriebsmotors 15 in die Druckmaschine 1 eingebracht. Der Antriebsmotor 15 ist drehzahlvariabel ausgelegt und treibt über eine Antriebswelle 14 die Wendetrommel 7 an. Der Antriebsmotor 15 wird von einer Leistungselektronik 19 derart angesteuert, dass sich die gewünschte Drehzahl in der Druckmaschine 1 einstellt. Die von der Leistungselektronik 19 einzustellende Drehzahl wird von der Maschinensteuerung 16 der Druckmaschine 1 als Sollwert vorgegeben. Über die Maschinensteuerung 16 kann das Bedienpersonal der Druckmaschine 1 Einfluss nehmen. An die Maschinensteuerung 16 sind außerdem die Ausgangssignale der Winkelgeber 17 über Datenleitungen 18 angeschlossen, welche die Istwerte erfassen. Auf diese Art und Weise lassen sich Drehgeschwindigkeit und Winkellage der Gegendruckzylinder 8 und der Wendetrommel 7 von der Maschinensteuerung 16 durch Soll-/Istwertvergleich überwachen. Falls ein Drehzahlunterschied zwischen den Zylindern festgestellt wird, so liegt ein mechanischer Defekt vor, z. B. ein Zahnradbruch. Falls die Drehzahlen nicht voneinander abweichen, es jedoch eine Abweichung bezüglich der Winkelposition gibt, kann z. B. auf einen Zahnflankenwechsel der die Zylinder 8, 9, 7 verbindenden hier nicht gezeigten Zahnräder geschlossen werden.
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2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur redundanten Überwachung der Ausgangssignale der Winkelgeber 17. 2 ist zu entnehmen, dass die Maschinensteuerung 16 aus 1 im Inneren zwei unabhängig voneinander arbeitende Rechner 20, 21 aufweist. Der eine Rechner stellt dabei den Betriebswegrechner 20 dar, während der andere Rechner der Sicherheitswegrechner 21 ist. Wie 2 zu entnehmen ist, sitzt der Winkelgeber 17 auf der Antriebswelle des Motors 15. Gesteuert wird der Antriebsmotor 15 von der Leistungselektronik 19, welche den Strom in den Motorphasen U, V, W entsprechend der gewünschten Drehzahl regelt. Die vorgegebene Drehgeschwindigkeit für die Leistungselektronik 19 wird vom Betriebswegrechner 20 geliefert. Der Sicherheitswegrechner 21 hat keinen Einfluss auf die Leistungselektronik 19, sondern dient lediglich der Überwachung der Ausgangssignale des Winkelgebers 17. Zu diesem Zweck sind die beiden Ausgangssignale Spur A (U1) und Spur B (U2) sowohl an den Betriebswegrechner 20 als auch an den Sicherheitswegrechner 21 angeschlossen. Die Erregerspannung (U0) mit der Erregerfrequenz (fr), welche auf eine erste Wicklung des Winkelgebers 17 aufgebracht und vom Betriebswegrechner 20 erzeugt wird, wird zusätzlich noch vom Sicherheitswegrechner 21 erfasst. Falls die beiden Rechner 20, 21 bei der Auswertung der Ausgangssignale A, B der zweiten und dritten Wicklungen des Winkelgebers 17 zu unterschiedlichen Ergebnissen gelangen, liegt offensichtlich ein Fehler im System vor. So lassen sich z. B. Kurzschlüsse innerhalb des Winkelgebers 17 oder zwischen den Signalleitungen des Winkelgebers 17 erfassen. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese Kurzschlüsse im Inneren des Winkelgebers 17 auftreten oder außerhalb des Gebers auf den Anschlussleitungen zu den Rechnern 20, 21. Ebenso lässt sich die Unterbrechung einzelner Leitungen feststellen. Auch Fehlfunktionen wie z. B. permanente Werte auf allen Ausgängen oder Rechteckschwingungen auf einen oder mehreren Ausgängen lassen sich so erfassen. Ebenso lässt sich der Ausfall des Analogdigitalkonverters, der die analogen Ausgangssignale A, B in digitale Signale umsetzt, in einem der beiden Rechner 20, 21 feststellen.
