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Die
Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung mit wenigstens zwei
Antriebsreglern, vorzugsweise Umrichtern, nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
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Bei
der Ansteuerung von Maschinen werden häufig Umrichter eingesetzt,
mit denen beispielsweise Leitachspositionen von Motoren eingestellt
werden können.
Die Umrichter haben eine RS232-Schnittstelle, über die der Einrichter der
Maschine beispielsweise Daten eingeben kann. Hierfür muss er
an die Schnittstelle einen Rechner anschließen, mit dem er die entsprechenden
Daten eingeben kann. Je größer die
Zahl der Umrichter ist, umso zeitaufwändiger ist dieser Arbeitsgang.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Antriebseinrichtung
so auszubilden, dass sie einfach und zeitsparend eingestellt werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Antriebseinrichtung
erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die
Antriebsregler der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung
haben zwei Schnittstellen, die jeweils als Ethernet-Schnittstellen
ausgebildet sind. Dadurch lassen sich in einem Netzwerk mehrere
Antriebsregler über
Netzwerckabel, die an die Ethernet-Schnittstellen angeschlossen
werden, miteinander verbinden. Der Einrichter muss darum nur an
einem Antriebsregler die entsprechenden Daten eingeben, die dann über die
Netzwerkkabel den weiteren Antriebsreglern übermittelt werden. Dadurch
können sämtliche
Antriebs regler sehr einfach und vor allen Dingen innerhalb kürzester
Zeit mit den entsprechenden Daten versorgt werden. Innerhalb des
Netzwerkes identifizieren und synchronisieren sich die Antriebsregler
selbsttätig
untereinander. Dadurch ist ein sonst üblicher Master bzw. Controller
nicht notwendig.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen
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1 in
schematischer Darstellung ein Netzwerk aus erfindungsgemäßen Antriebsreglern,
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2 in
vereinfachter Darstellung einen Zyklus des Netzwerkes gemäß 1,
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3 in
schematischer Darstellung den Ablauf der Übertragung von Daten der am
Netzwerk beteiligten Antriebsregler,
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4 bis 6 in
Darstellungen entsprechend 3 weitere
Möglichkeiten
der Datenübertragung
der am Netzwerk beteiligten Antriebsregler,
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7 in
schematischer Darstellung eine Verpackungsmaschine, deren Antriebe
an Antriebsregler angeschlossen sind.
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Mit
dem Netzwerk bzw. Kommunikationssystem können mehrere, beispielsweise
bis zu 32 Antriebsregler 1, 2 ... n so
miteinander verbunden werden, dass die einzelnen Antriebsregler
angesteuert sowie auch gewartet werden können. Das Kommunikationssystem
ist somit für
Motion Control und für Fernwartung
vorgesehen. Als Antriebsregler werden bevorzugt Umrichter eingesetzt.
Allgemein werden unter Antriebsregler Geräte verstanden, die elektrische
Energie so umwandeln, dass eine erforderliche Bewegung eines Motors
entsteht. Jeder Antriebsregler 1, 2 ... n hat
zwei Ethernet-Schnittstellen 3, 4, über welche
die Antriebsregler 1, 2 ... n miteinander sowie mit
einer Programmiereinrichtung und einem Rechner 5, der auch
ein Notebook sein kann, verbunden werden können. Mit dem Rechner 5 können die
Antriebsregler unabhängig
voneinander beispielsweise programmiert werden. In diesem Falle
dienen die den Rechner 5 mit den Antriebsreglern und die
Antriebsregler untereinander verbindenden Ethernet-Leitungen 6 als
Serviceleitungen. Beispielhaft ist es möglich, mittels des Rechners 5 in
die Antriebsregler Firmware einzuspielen. Die Ethernet-Leitungen 6 können auch
als Datenleitungen dienen, über
die die Antriebsregler 1, 2 ... n Daten untereinander
austauschen können.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 sind die
in Serie geschalteten Antriebsregler 1, 2 ...
n an einen Router 7 angeschlossen, über den die Antriebsregler
mit einem Firmennetzwerk 8 verbunden sind, das durch einen
Bus schematisch dargestellt ist. Das Firmennetzwerk 8 ist über einen
weiteren Router 9 mit dem Internet 10 verbunden. Über das
Internet 10 können
von einem externen Rechner 11 aus Daten, Steuersignale
und andere Signale in das Firmennetz 8 und von dort über den
Router 7 in die Antriebsregler eingegeben werden. Da üblicherweise der
Zugang vom Internet 10 zum Firmennetzwerk 8 durch
eine Firewall abgesichert ist, werden die vom Rechner 11 kommenden
Daten in einer (nicht dargestellten) Vermittlungsstelle zwischengespeichert
und von dort durch den jeweiligen Antriebsregler 1 ...
n abgerufen.
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Die
Antriebsregler sind in Linientopologie zusammengeschaltet und können über das
Internet 10 in der beschriebenen Weise angesprochen werden. Die
Antriebsregler können
durch einfaches Stecken vorzugsweise kurzer Kabel 6 miteinander
verbunden werden. Der Anwender des Kommunikationssystems benötigt keine
externen Komponenten, wie Switches und dergleichen. Alle Antriebsregler 1, 2 ...
n sind hinsichtlich Hardware und Firmware identisch, so dass kein
besonderes Gerät
als Master für
die Funktion des Kommunika tionssystems benötigt wird. Aufgrund dieser
einfachen Gestaltung des Kommunikationssystemes ist zur Inbetriebnahme
dieses Netzwerkes kein Netzwerk-Administrator notwendig. Auch ist
keine aufwändige
Konfiguration erforderlich.
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Da
die Antriebsregler 1, 2 ... n in Linientopologie
geschaltet sind, ist an den beiden äußeren Geräten der Linientopologie jeweils
eine Ethernet-Schnittstelle 3 bzw. 4 frei, über die
das Netzwerk mit dem Rechner 5 bzw. mit dem Router 7 verbunden werden
kann. Die Kommunikation des Rechners 5 mit dem Netzwerk
erfolgt über
TCP/IP. Über
die Ethernet-Schnittstellen 3, 4 können Daten
und Signale mit hoher Geschwindigkeit direkt übertragen werden. Am anderen
Ende der Linientopologie kann an die Ethernet-Schnittstelle 3 des
Antriebsreglers 1 über
den Rechner 11 die Fernwartung durchgeführt werden. Das Übertragungsprotokoll
basiert ebenfalls vorteilhaft auf TCP/IP und dem Firmennetzwerk 8 oder
dem Internet 10. Die interne Netzwerkverbindung und die
Verbindung zum Internet 10 werden vom Anwender des Kommunikationssystems
hergestellt.
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Die
Fernwartungsfunktion wird lokal an den Antriebsreglern 1 ...
n aktiviert, für
die die Fernwartung gewünscht
wird. Ohne diese Aktivierung ist ein Fernzugriff auf die Antriebsregler
nicht möglich.
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Die
Kommunikation der Antriebsregler 1, 2 ... n untereinander
erfolgt auf dem TCP/IP-Protokoll, kann aber auch über das
UDP/IP-Protokoll erfolgen.
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Die
am linken und am rechten Ende des Netzwerkes vorhandenen Antriebsregler 1,
n arbeiten als Gateway. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einem
versehentlichen Stecken einer Ethernet-Verbindung mit einem Fremdgerät keine
Fehlfunktion in dem durch die Antriebsregler 1 ... n und
die Leitungen 6 gebildeten internen Netzwerk 28 ausgelöst wird.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 1 sind die Antriebsregler 1, 2 ...
n mittels der körperlichen Ethernet-Leitungen 6 miteinander
verbunden. Auch der Anschluss des Routers 7 und des Rechners 5 an das
interne Netzwerk 28 erfolgt über die Ethernet-Leitung 6.
Die Verbindung zwischen dem Rechner 5 und dem internen
Netzwerk 28 kann auch über eine
LAN-Verbindung erfolgen. Über
das Firmennetzwerk 8 kann ebenfalls jeder einzelne Antriebsregler 1, 2 ...
n vom Rechner 5 angesteuert werden. Eine solche Ausbildung
des Kommunikationssystems bzw. Netzwerkes ist beispielsweise dann
von Vorteil, wenn sich die Antriebsregler bzw. die diese Antriebsregler
aufweisenden Maschinen in anderen Räumen oder auch Gebäuden befinden
als der Rechner 5. Dann kann der Programmierer oder Einrichter
der Maschinen von seinem Büroraum
aus die räumlich
entfernt stehenden Maschinen über
das Firmennetz 8 programmieren und/oder einrichten.
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Schließlich ist
auch eine WAN-Verbindung möglich.
In diesem Falle erfolgt die Daten- und Befehlsübertragung nicht über das
Firmennetzwerk wie bei der LAN-Verbindung, sondern über das
Internet. Die Antriebsregler 1, 2 ... n sind in
diesem Falle untereinander mit den Ethernet-Leitungen 6 verbunden, wobei
der im Netzwerk erste Antriebsregler 1 über ein Ethernet-Kabel 6 mit
einem Router verbunden ist. Über
ihn ist das Kommunikationssystem an das Firmennetzwerk 8 angeschlossen.
Es ist seinerseits mit dem Internet verbunden, über das von einem Rechner aus
die Antriebsregler 1, 2 ... n angesteuert werden
können,
um sie zu programmieren und/oder mit Daten zum Einrichten von Maschinen
zu versehen.
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Jeder
Antriebsregler 1 ... n sendet nach dem Einschalten oder
dem Stecken eines Ethernet-Kabels 6 selbstständig ein
Identifizierungspaket in das Netz. Gleichermaßen empfangen die Antriebsregler 1 ...
n von den anderen im Netzwerk 28 vorhandenen Antriebsreglern
deren Identifizierungspakete. Da die Antriebsregler in Linientopologie
gesteckt sind und sich im Einschaltmoment als Gateway verhalten, empfängt jeder
Antriebsregler die Identifizierungspakete seiner direkten Nachbarn.
Durch diese Identifizierung können
Fremdgeräte
aus dem Netzverbund ausgeschlossen werden.
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Nach
dieser Identifizierung wird die Übertragungszeit
für elektrische
Signale zwischen unmittelbar benachbarten Reglern ausgemessen (Delay).
Innerhalb dieses Netzwerkes 28 ist das Delay klein. Sollte
versehentlich an den Router 7 ein zweites, anderes Netzwerk
mit gleichartigen Antriebsreglern angeschlossen werden, dann ist
das Delay zu diesem Netzwerk wesentlich größer. Dadurch wird sichergestellt,
dass die Antriebsregler des anderen Netzwerkes nicht in das Netzwerk 28 eingebunden
werden.
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Aufgrund
der Identifizierung und der Delay-Messung weiß der Antriebsregler 1,
dass er nur einen unmittelbaren Nachbar an der Schnittstelle 4 hat.
Darum gibt sich der Antriebsregler 1 selber die Positionsnummer 1 und
teilt sie seinem rechten Nachbarn mit. Der Antriebsregler 2 empfängt diese Information
und gibt sich selber die Positionsnummer 2, die er dem
Antriebsregler 3 mitteilt. Auf diese Weise werden alle
in das Netzwerk 28 eingebundenen Antriebsregler durchgezählt. Der
letzte Antriebsregler hat nur den linken Nachbarn an der Schnittstelle 3,
so dass er weiß,
dass er das letzte Element innerhalb des Netzwerkes 28 ist.
Auf diese Weise wird die Zahl der Antriebsregler im Netzwerk 28 selbsttätig festgestellt.
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Um
die Gesamtdauer T (3 bis 6) einhalten
zu können,
wird die Anzahl der Antriebsregler im Netzwerk 28 selbsttätig begrenzt,
indem der letzte zulässige
Antriebsregler sich als Gateway einschaltet und darum seinen benachbarten
Antriebsregler aus dem Netzwerk 28 ausschließt.
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Im
letzten Schritt synchronisieren sich die Antriebsregler im Netzwerk 28 selbstständig. Beispielsweise
sendet der Antriebsregler 1 über seine Schnittstelle 4 Synchronisationssignale,
die der Antriebsregler 2 über seine Schnittstelle 3 empfängt. Der
Antriebsregler 2 synchronisiert sich auf das Synchronisationssignal
des Antriebsreglers 1 und gibt an der Schnittstelle 4 seinerseits
ein Synchronisationssignal an den Antriebsregler 3 aus.
Auf diese Weise werden alle Antriebsregler 1 ... n im Netzwerk 28 automatisch
synchronisiert.
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Aufgrund
des beschriebenen Einschaltvorganges ist ein sonst üblicher
Master bzw. Controller nicht notwendig.
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Innerhalb
des Kommunikationssystems werden Nutzdaten, wie beispielsweise die
Achsposition der an den Antriebsregler angeschlossenen Maschine,
und Servicedaten gleichzeitig übertragen.
Dadurch ist es möglich,
dass jeder Antriebsregler 1, 2 ... n zu jedem
Zeitpunkt die wichtigen Ist-Werte aller anderen Antriebsregler auswerten
kann. Die Antriebsregler synchronisieren sich untereinander, so
dass der zyklische Datenverkehr optimal organisiert werden kann
und sehr kurze Zykluszeiten erreicht werden. Sie liegen im Bereich
von beispielsweise nur etwa einer Millisekunde.
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2 zeigt
einen solchen Zyklus mit einer Länge
von einer Millisekunde. Innerhalb dieses Zyklus werden Prozessdaten
und im Bedarfsfall gleichzeitig Diagnose-, Parametrier-, Konfigurations- und/oder
Firmware-Daten übertragen.
Der Zyklus enthält
einen ISO-Anteil 12, der eine Länge von nur 0,32 ms hat und
in dem Prozessdaten von allen Antriebsreglern 1, 2 ...
n an alle anderen Antriebsregler übertragen werden. Diese Prozessdaten
werden in jedem Zyklus und immer im gleichen Zeitfenster 12, also
isochron, übertragen.
In einem weiteren Zeitfenster 13 werden im Bedarfsfall
Daten zum lokalen Rechner 5 bzw. zur Fernwartung 11 übertragen.
Das Zeitfenster 13 hat eine ausreichende Länge, so
dass ein TCP/IP-Paket innerhalb des Kommunikationssystems bzw. Netzwerkes 28 übertragen
werden kann. Zwischen dem ISO-Fenster 12 und dem Zeitfenster 13 ist
ein Zeitfenster 14 von nur sehr geringer Dauer vorgesehen,
innerhalb dem eventuell auftretende Jitter-Anteile aufgefangen werden können. Im
Beispielsfall beträgt
der Zeitraum dieses Zeitfensters 14 nur 0,08 ms. Das Zeitfenster 13 hat
beispielhaft eine Länge
von 0,5 ms. An das Zeitfenster 13 schließt ein weiteres
Zeitfenster 15 an, das ebenso wie das Zeitfenster 14 zum
Auffangen von eventuell auftretenden Jitter-Anteilen reserviert
ist.
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Anhand
der 3 bis 6 wird die Übertragung der Daten und Befehle
zwischen den Antriebsreglern 1, 2 ... n des Kommunikationssystems 28 erläutert. Beispielhaft
sind 32 Antriebsregler vorgesehen, die ihre jeweiligen
Da ten gleichzeitig den jeweils anderen Antriebsreglern mitteilen.
Beispielhaft sendet der Antriebsregler 1 zu Beginn des Übertragungszyklus
(2) den Frame F1 aus. Zu gleicher Zeit senden auch
die anderen Antriebsregler ihre entsprechenden Frames aus. Beispielhaft
hierfür ist
der vom Antriebsregler 32 ausgesandte Frame F32 dargestellt.
Die Frames F1, F32 werden jeweils innerhalb von nur 7 μs dem benachbarten
Antriebsregler, nach weiteren 7 μs
dem Antriebsregler 3 usw. mitgeteilt. In gleicher Weise übertragen
auch alle anderen Antriebsregler innerhalb der jeweils 7 μs ihre Frames
an die jeweils anderen Antriebsregler. Um alle Frames F1 bis F32
an alle anderen Antriebsregler zu übersenden, wird eine Gesamtzeit
T von nur etwa 247,5 μs
benötigt.
Nach dieser Gesamtzeit T sind alle Frames F abgesandt und von den
jeweils anderen Antriebsreglern aufgenommen worden.
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Ein
Frame F1 ... F32 benötigt
eine Sendezeit von 7 μs
für die
Mindestanzahl von Bits von 100 MBps. Hinzu kommen 0,5 μs Übertragungszeit
bei 100 m Kabel und 0,5 μs
Delay in jedem Antriebsregler 1 ... 32.
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Diese Übertragung
der Frames F1 ... F32 erfolgt im Vollduplex-Verfahren; die Übertragung
der Frames erfolgt synchron und wird gleichzeitig gestartet. Durch
die Pfeile wird angedeutet, dass die Übertragung der Frames F1 ...
F32 in beiden Richtungen, das heißt beispielsweise vom Antriebsregler 1 zum Antriebsregler 2 sowie
in umgekehrter Richtung stattfindet.
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Der
Antriebsregler 1 sendet sein Frame F1 bzw. sein Paket,
das er allen anderen Antriebsreglern 2 bis 32 mitteilen
will, über
die rechte Schnittstelle 4 aus. Der Antriebsregler 2 sendet
sein Paket bzw. Frame F2 gleichzeitig über die beiden Ethernet-Schnittstellen 3 und 4.
Auf diese Weise übersenden
die Antriebsregler ihre entsprechenden Frames. Der letzte Antriebsregler 32 sendet
seinen Frame F32 nur nach links über
die Schnittstelle 3. Alle Frames F1 bis F32 sind an eine
Broadcast-Adresse gerichtet. In 3 ist durch
die Pfeile in den Frames die Senderichtung angegeben.
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Die Übertragung
bzw. Übersendung
der Frames F1 bis F32 erfolgt im ISO-Fenster 12 des Zyklus (2).
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4 veranschaulicht,
dass alle Antriebsregler 1 bis 32 gleichzeitig
ihre Frames F senden. Im Beispielsfall ist dies für die Antriebsregler 1 bis 3, 31 und 32 dargestellt.
Die Frames F1 bis F3, F30, F31 werden gleichzeitig zu Beginn des
Zyklus von den entsprechenden Antriebsreglern ausgesandt. Nach der
Gesamtzeit T, die im Beispielsfall 247,5 μs beträgt, haben alle Antriebsregler 1 bis 32 von
den jeweils anderen Antriebsreglern die entsprechenden Frames erhalten.
Zur Vereinfachung sind in 4 diejenigen
Frames dargestellt, die sich von links nach rechts bewegen.
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5 zeigt
den Fall, dass die von den Antriebsreglern gesendeten Frames von
rechts nach links sich bewegen. Innerhalb der Gesamtzeit T von beispielhaft
247,5 μs
haben alle Antriebsregler 1 bis 32 die Frames
der jeweils anderen Antriebsregler erhalten. Sämtliche Frames werden gleichzeitig
gestartet.
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6 zeigt,
dass die Frames F1 bis F32 gleichzeitig von rechts nach links und
von links nach rechts innerhalb des internen Netzwerkes 28 übertragen
werden. Die Frames werden gleichzeitig auf der Ethernet-Leitung 6 in
entgegengesetzten Richtungen gesendet (Vollduplex-Verfahren). Die
sich in 6 nach rechts bewegenden Frames
(gekennzeichnet durch die entsprechenden Pfeile) überdecken
die sich nach links bewegenden Frames. Erkennbar ist, dass bei diesem
Vollduplex-Verfahren sämtliche
Frames F1 bis F32 zwischen den Antriebsreglern 1 bis 32 innerhalb
der Gesamtzeit T von beispielhaft 247,5 μs ausgetauscht sind, wobei sämtliche
Frames F1 bis F32 gleichzeitig starten.
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Das
angesprochene Delay zwischen zwei Antriebsreglern bei Senden eines
Frames innerhalb des ISO-Fensters 12 setzt sich zusammen
aus einer Ausgangsverzögerung
des PHYs (elektrische Übertragungselemente),
der Sig nallaufzeit auf der Ethernet-Leitung 6 und der Eingangsverzögerung des PHYs.
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Da
die Übersendung
der Frames F1 bis F32 innerhalb des ISO-Zeitfensters 12 des
Zyklus erfolgt (2), kann der Rest der Zykluszeit
dafür verwendet
werden, dass ein beliebiges TCP/IP-Paket innerhalb des Kommunikationssystems 28 von
rechts nach links oder von links nach rechts transportiert werden
kann.
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7 zeigt
beispielhaft eine Anwendung der Antriebseinrichtung bei einer Schlauchbeutel-Verpackungsmaschine.
Die Antriebsregler 1, 2, n sind durch die Ethernet-Leitungen 6 in
der beschriebenen Weise miteinander verbunden. Die Verbindung des durch
die Antriebsregler gebildeten Netzwerkes mit dem Internet 10 erfolgt über einen
Bus 26. Der externe Rechner 11 ist über einen
Bus 27 mit dem Internet verbunden. Der Antriebsregler 1 steuert
einen Motor 22, mit dem eine Rolle 17 drehbar
angetrieben wird, auf die eine Verpackungsfolie 19 aufgewickelt
ist. Sie wird zur Verpackung von Riegeln 18 eingesetzt,
die mittels einer Zuführeinrichtung 24 zugeführt werden. Die
Zuführeinrichtung 24 hat
ein endlos umlaufendes Band 29, das über Umlenkrollen 30, 31 geführt ist. Die
Umlenkrolle 31 wird mittels eines Antriebes 25 drehbar
angetrieben. Er ist an den Antriebsregler 2 angeschlossen.
Der Zuführeinrichtung 24 nachgeschaltet
ist eine Einheit 20, mit der die Folie 19 zu einem
Schlauch geformt wird, der die Riegel 18 umgibt. Nachfolgend
wird mit einer Siegel- und Trennvorrichtung 21 der Schlauchbeutel
zwischen den umhüllten Riegeln 18 versiegelt
und abgetrennt. Die Siegel- und Trennvorrichtung 21 hat
einen Antrieb 23, an den der Antriebsregler n angeschlossen
ist.
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Über die
Ethernet-Leitungen 6 werden in der beschriebenen Weise
die Daten und Signale für
Servicetätigkeiten
(über den
externen Rechner 11) und für die überlagerten Echtzeitaufgaben
(motion control) übertragen.
Die Busse 26, 27 sind standardisierte Busse (Ethernet,
TCP/IP).
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Die
Riegel 18 werden mit hoher Geschwindigkeit der Verpackungsfolie 19 zugeführt. Mit
der Einheit 20 wird die Schlauchfolie 19 um die
mit Abstand hintereinander liegenden Riegeln 18 zu einem Schlauch
geformt, der mittels der Siegel- und Trennvorrichtung 21 zwischen
den aufeinanderfolgenden Riegeln 18 versiegelt und getrennt
wird. Auf diese Weise ist jeder Riegel 18 einzeln verpackt.
Die Antriebe 22, 23, 25 müssen so
aufeinander abgestimmt sein, dass die Riegel 18 im notwendigen
Abstand auf die Verpackungsfolie 19 gelangen und zwischen
den Riegeln 18 die Schlauchbeutel versiegelt und abgetrennt
werden. Die Antriebe werden von den Antriebsreglern 1, 2,
n so angesteuert und aufeinander abgestimmt, dass die Verpackung
der Riegel 18 auch mit hoher Geschwindigkeit problemlos
möglich
ist.