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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors nach Patentanspruch 8 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 11.
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Aus der
DE 10 2007 052 527 A1 ist eine Spindel für eine Textilmaschine bekannt, bei der der Motor in geeigneter Weise in das Innere einer Spindeleinheit integriert wurde. Durch den speziellen Aufbau kann eine schnelle Wartung und Auswechslung der Motoreinheit erfolgen. Ungelöst hingegen ist die Frage, auf welche Weise - außer durch menschliche Beobachtung von Außen - ein Wartungsfall ausgelöst werden kann. Ungelöst ist ferner das Problem, spinnstelleninherente Störungen, wie beispielsweise Fadenbruch oder ein Nachlassen der Fadenspannung zu detektieren und darauf zu reagieren. Ferner ungelöst ist das Problem einer anderweitigen Störung in dem Antriebsstrang der Anlage.
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Die
DE 10 2008 022 672 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Spinnmaschine mit einer Mehrzahl von Spinnstellen über Antriebskomponenten, wobei zeitabhängig die Last der Antriebskomponenten bestimmt wird und bei Lastveränderung mittels Steuerung die Parameter für die Antriebseinheit derart beeinflusst werden, dass konstante Spinnbedingungen über längere Zeit und innerhalb von Toleranzgrenzen eingehalten werden. Ein Hinweis auf einen Vergleich des gemessenen Betriebsparameters mit einem Vergleichsparameter und folgend eine veränderte Sollwertvorgabe finden sich nicht.
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In der nachveröffentlichten
DE 2009 042 782 A1 ist eine elektrische Antriebseinheit offenbart, die lastabhängig mittels Steuerung den Elektromotor ansteuert. Dabei ist die Steuereinrichtung angeordnet, um den Elektromotor entsprechend seiner thermischen Kapazität zu steuern. Ein Hinweis auf gemessene Betriebsparameter, die mit Vergleichsparametern verglichen und für den Regelbetrieb des Elektromotors verwendet werden, findet sich nicht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen des Betriebszustandes einer Textilmaschine oder eines angetriebenen Teiles einer Textilmaschine bzw. Steuern des Elektromotors anzugeben, dass auf einfache Weise selbsttätig ein optimaler Betriebszustand aufrechterhalten und Fehlfunktionen erkannt werden können.
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Zur Lösung der Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Betriebsparameter des Elektromotors und/oder der Stelleinheit gemessen und ausgewertet wird dahingehend, dass mindestens eine maschinenbezogene oder motorabnutzungsbezogene Zustandsgröße ermittelt wird.
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Nach der Erfindung werden Betriebsparameter eines Elektromotors und/oder einer Stelleinheit dazu genutzt, zumindest eine maschinenbezogene Zustandsgröße zu ermitteln. Ohne dass gesonderte Detektoren vorgesehen sind, kann vorzugsweise aus elektrischen Betriebsparametergrößen auf die maschinenbezogene Zustandsgröße geschlossen werden. Sobald die maschinenbezogene Zustandsgröße bekannt ist, ist auch der Betriebszustand der Maschine oder des angetriebenen Maschinenteils, z. B. der Spinnstelle, bekannt, der bei Veränderung der Zustandsgröße durch entsprechende Steuermittel ausgeglichen werden kann. Wird beispielsweise durch Erkennen des Stromverlaufs des Elektromotors festgestellt, dass die vorgegebene Fadenspannung infolge eines Verschleißes oder Verkantens des Motors oder der Lager nicht eingehalten wird, wird die maschinenbezogene Zustandsgröße einem Verschleiß- oder Verkantungsgrad zugeordnet. Eine Änderung der Zustandsgröße kann durch Vergleich der gemessenen Betriebsparameter mit vorgegebenen Vergleichsparametern überprüft werden, woraufhin bei Überschreitung der Vergleichsparameter die Sollwertvorgabe (z. B. Drehzahl) so verändert wird, dass die gewünschte Fadenspannung eingestellt wird.
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Nach der Erfindung kann die Ermittlung der mindestens einen Zustandsgröße dazu genutzt werden, eine Sollwertvorgabe so zu ändern, dass eine Anpassung der aktuellen Stellgröße an die geänderte Zustandsgröße erfolgt.
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Vorteilhaft kann aus den für die Steuerung des Elektromotors ohnehin vorliegenden elektrischen Betriebsparametern ein die Sollwertvorgabe verändernder Ausgleichswert bestimmt werden, der abhängig von der anlagenbezogenen Zustandsgröße ist. Die gemessenen elektrischen Betriebsparameter korrespondieren hierbei insbesondere zu der Funktionsfähigkeit der Anlage, des Anlagenteils oder der Antriebseinheit hinsichtlich wichtiger Funktionsparameter der Anlage, wie z. B. Fadenspannungen in einer Spinnmaschine.
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Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsparameter in einer mikroprozessorgestützten Vergleichseinheit abgespeichert sind, an der sich ausgangsseitig eine auf den Elektromotor unmittelbar einwirkende Stelleinheit anschließt.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass keine zusätzlichen Detektoren an dem Elektromotor oder an der Anlage angebracht werden müssen, um anlagenbezogene Zustandsgrößen zu ermitteln.
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Der Betriebszustand der Anlage, des Anlagenteils, des Motors bzw. der anlagenbezogenen Zustandsgröße erfolgt allein durch elektrische Betriebsparameter des Elektromotors, die in einer Vergleichseinheit mit vorgegebenen Vergleichsparametem verglichen werden. Der mindestens eine Vergleichsparameter bildet einen Schwellwert, der bei Über- oder Unterschreiten durch zumindest einen der gemessenen Betriebsparameter zu einer Änderung der Stellparameter bzw. der Sollwertvorgabeführt. Es kann somit ein Betriebszustand der Anlage oder des Anlagenteils an aktuelle Rahmenbedingungen angepasst werden, so dass die Funktionsfähigkeit der Anlage oder des Anlagenteils auf einem gleichen Niveau aufrechterhalten wird. Falls notwendig, können externe Sensorsignale ebenfalls verwendet werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die vorgegebenen Vergleichsparameter in einer Vergleichsdatenbank gespeichert, so dass nach und nach entweder einzelne Vergleichsparameter oder zeitliche Verläufe von Vergleichsparametern mit den entsprechenden Betriebsparametern verglichen werden können. Vorzugsweise ist die Vergleichsdatenbank einem Mikrokontroller zugeordnet und kann in Abhängigkeit von dem Anwendungsfall auf einfache Weise initialisiert oder aktualisiert werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vergleichseinheit einen Rechner bzw. einen Mikroprozessor (Mikrokontroller) auf, der gegebenenfalls einen Ausgleichswert berechnet, um den der ursprüngliche Sollwert verändert wird. Die Vergleichseinheit generiert somit bei signifikanter Änderung der anlagenbezogenen Zustandsgröße einen veränderten Sollwert, der auf eine Stelleinheit und/oder eine Regeleinheit übertragen wird. Der Elektromotor wird somit stets in Abhängigkeit von der anlagenbezogenen Zustandsgröße optimal angesteuert.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern einer Anlage oder eines Anlagenteils,
- 2 ein Blockschaltbild einer Vergleichseinheit der Vorrichtung gemäß 1 und
- 3 einen Ablaufplan eines Vergleichsprogramms, das in einem Rechner der Vergleichseinheit abläuft.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern einer Anlage oder einesAnlagenteils wird vorzugsweise in Textilmaschinen, Druckmaschinen, Werk- zeugmaschinen und dgl. eingesetzt.
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Ein Anlagenteil einer Textilmaschine dient als Spinnstelle 1 zur Aufnahme 2 eines Kops und weist einen in diesen Anlagenteil integrierten, vorzugsweise koaxial angeordneten Motor M auf, der die Spinnstelle in Rotation versetzt. Die Spinnstelle ist ortsfest an der Anlage 3 angebracht. Auf die Kops wird ein Faden aufgewickelt, bis die Kops gefüllt sind, das heißt, ein maximaler Außendurchmessers des aufgewickelten Garnes erreicht wird.
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Der Elektromotor M kann beispielsweise als Synchronmotor oder Asynchronmotor ausgebildet sein, wobei ein Rotor desselben eingangsseitig mit der Aufnahme 2 für die Kops gekoppelt ist. Auf den Motor M wirkt eine Stelleinheit 6 ein, die beispielsweise eine Pulsweitenmodulationseinrichtung und eine Umrichtereinheit aufweisen kann. Die Umrichtereinheit kann beispielsweise einen Gleichrichter, einen Zwischenkreis sowie einen Wechselrichter aufweisen.
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Weiterhin weist die Vorrichtung eine Reglereinheit 7 und eine Vergleichseinheit 8 auf. Die Vergleichseinheit 8 weist einen Mikrokontroller 9 als Rechner sowie eine Vergleichsdatenbank 10 auf, mittels derer in Abhängigkeit von dem aktuellen Betriebszustand der Spinnstelle 1 ein Sollwert Ssoll veränderbar ist. Hierzu werden der Vergleichseinheit 8 elektrische Betriebsparameter Bist des Elektromotors M und/oder der Stelleinheit 6 zugeführt. Als Betriebsparameter Bist können beispielsweise mindestens eine Spannungsgröße U und/oder Stromgröße I und/oder Phasenwinkel und/oder Mittelwert der Spannungsgröße U und/oder der Stromstärke I über ein Zeitintervall und/oder eine Leistungsgröße P, Q beispielsweise von der Stelleinheit 6 übermittelt werden. Diese Betriebsparameter Bist werden laufend mit vorgegebenen und beispielsweise in der Vergleichsdatenbank 10 abgespeicherten Vergleichsparametern Bv verglichen. Die Vergleichsparameter Bv bilden jeweils einen Schwellwert, der bei Überschreitung durch den korrespondierenden gemessenen Betriebsparameter Bist zur Erzeugung eines Ausgleichswertes A führt, um den der Sollwert Ssoll verändert wird in einen modifizierten Sollwert s*soll .
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Die vorgegebenen Vergleichsparameter Bv sind so bemessen, dass bei Über/Unterschreiten mindestens eines derselben die Änderung der anlagenbezogenen Zustandsgröße Z eintritt. Beispielsweise kann die anlagenbezogene Zustandsgröße Z den aktuellen Verschleißzustand der Spinnstelle 1 oder des Motors M oder anderer Teile der Spinnstelle 1 (z. B. Lager) bedeuten. Falls beispielsweise der Verschleiß der Spinnstelle 1 oder des Motors M zugenommen hat, muss die Drehzahl, die Leistungsaufnahme und/oder das Anfahrverhalten des Motors M angepasst werden, um die vorgegebene Fadenspannung zu erreichen. Der elektrische Strom bzw. das durch den Elektromotor M erzeugte Drehmoment stellt sich somit in einem anderen Betriebspunkt ein, so dass durch Vergleich des aktuellen zeitlichen Stromverlaufs I(t) mit einem vorgegebenen und abgespeicherten Stromverlauf (Vergleichsparameter Bv) auf den verschlechterten Verschleißzustand der Spinnstelle 1 oder des Motors M geschlossen werden kann. Tritt in signifikanter Weise eine Verschlechterung des Verschleißzustands ein, was infolge einer Überschreitung des Vergleichsparameters Bv durch den aktuellen Betriebsparameter Bist festgestellt werden kann, wird in der Vergleichseinheit der Ausgleichswert A berechnet, um den der vorgegebene Sollwert Ssoll vergrößert wird. Der modifizierte Sollwert S*soll bewirkt nun, dass entweder Motorparameter geändert werden, um das gewünschte Spinnresultat unter Beibehaltung einer definierten Fadenspannung zu erzielen oder eine Abschaltung erfolgt, um keine Prozessschwankungen beim Fadendurchmesser zu riskieren mit dem gleichzeitigen Auslösen einer Wartungsaktion.
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Es ist ersichtlich, dass die ausgewählten aktuellen Betriebsparameter Bist abhängig sind von abnutzungsbezogenen Kennwerten des Elektromotors M und/oder anlagenbezogenen Kennwerten der Anlageneinheit und/oder der Spinnelle 1 und/oder des aufgewickelten Gutes. Diese Kennwerte können zur Definition der anlagenbezogenen und/oder motorabnutzungsbezogenen Zustandsgröße herangezogen werden.
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Aus 3 ist ersichtlich, dass bei Überschreitung des Vergleichsparameter Bv durch den aktuellen Bist eine Änderung der Zustandsgröße Z erkannt wird, siehe Vergleichsschritt 12. Als Konsequenz wird der Sollwert Ssoll , der sequentiell in konstanten Zeitintervallen T abgefragt wird, um den Ausgleichswert A erhöht zu dem modifizierten Sollwert S*soll , Schritt 12. Ist der aktuelle Betriebsparameter Bist kleiner oder gleich dem Vergleichsparameter Bv, bedeutet dies, dass die anlagenbezogene Zustandsgröße Z unverändert bzw. sich innerhalb eines vorgegebenen Schwankungsbereichs befindet, so dass in einem zweiten Ergebnisschritt 13 der Sollwert Ssoll gleich gehalten wird.
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Der Sollwert Ssoll oder der modifizierte Sollwert S*soll werden an einen Eingang der Reglereinheit 7 angelegt, die beispielsweise einen PID-Regler oder PI-Regler aufweisen kann. In der der Reglereinheit 7 nachgeordneten Stelleinheit 6 wird ein durch die Sollwerte Ssoll , S*soll vorgegebenes Stellsignal erzeugt, mit dem der Elektromotor M gespeist wird. Beispielsweise kann die Drehzahl des Motors vorgegeben werden, um eine vorgegebene Fadenspannung zu bewirken. Alternativ kann beispielsweise über den Statorstrom ein Drehmoment und somit eine vorgegebene, auf die Spinnstelle 1 und das Wickelgut wirkende Kraft erzeugt werden. Am Ausgang der Stelleinheit 6 führt ein Rücklaufzweig 14 an den Eingang der Reglereinheit 7, so dass in Abhängigkeit von den aktuellen Betriebsparametern Bist, die in der Stelleinheit 6 ermittelt werden, der Elektromotor M stets auf den Sollwert S*soll geregelt wird.
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Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform können auch am Elektromotor M und/oder an der mechanischen Schnittstelle zum angetriebenen Anlagenteil ermittelte Betriebsparameter Bist der Vergleichseinheit 8 und/oder der Reglereinheit 7 zugeführt werden.
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Die ermittelten Betriebsparameter Bist können ein Hinweis sein auf Zustandsgrößen wie Verschleiß, Geräusch, Schleifen, Korrosion des Elektromotors M und/oder des angetriebenen Anlagenteils bzw. der Anlage. Insbesondere können die Abnutzung der Lager, die Höhe der Fadenspannung und Toleranzen im Anlagenteil berücksichtigt werden. Beispielsweise kann durch Vergleich mit in der Vergleichsdatenbank 10 abgespeicherten Vergleichsdaten festgestellt werden, ob Grenzwerte überschritten werden. Die Grenzwerte dienen hierbei als absolute Vergleichsdatenwerte, die als Schwellwerte durch Anwenden des oben beschriebenen und im Rechner 9 gespeicherten Überprüfungsprogramms eine Korrektur der Motoransteuerung bewirken. Steigt beispielsweise überraschend die Stromaufnahme des Elektromotors M, kann durch Überprüfung der Betriebsparameter Bist in der Vergleichseinheit 8 eine modifizierte Sollvorgabe S*soll erzeugt werden, die ein entsprechendes Korrekturstellsignal bewirkt.
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Beispielsweise kann der Elektromotor M zum Stillstand gebracht werden, oder es wird eine Bewegungsumkehr des Elektromotors M eingeleitet, um den Störzustand zu beheben.
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Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise in anderen Maschinen, wie Druckmaschinen oder Werkzeugmaschinen eingesetzt, kann eine rotatorische und/oder lineare Bewegung der angetriebenen Anlagenteile, wie Druckrollen, Vorschubeinheiten etc. gesteuert werden.
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Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann der Elektromotor M lediglich gesteuert werden, wobei die Reglereinheit 7 und der Rücklaufzweig 7 wegfallen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden bei Installation der Anlage oder einer Anlageneinheit, also auch bei Inbetriebnahme des Elektromotors M die aktuellen Betriebsparameter Bist des Elektromotors M gemessen und in der Vergleichsdatenbank 10 als Referenzdaten abgespeichert. Diese Referenzdaten dienen als Vergleichsdaten für die im weiteren Verlauf des Betriebs gemessenen weiteren Betriebsparameter Bist. Vorteilhaft können somit einzelne oder mehrere Betriebsparameter über einen längeren Zeitraum beobachtet und ausgewertet werden. Somit kann die Alterung des Elektromotors M bzw. der Anlage bzw. des angetriebenen Anlagenteils in Abhängigkeit von der Betriebsintensität ermittelt werden. Beispielsweise können Betriebsparameter in gleichen oder unterschiedlich langen Zeitintervallen auf Abweichung von den bei Inbetriebnahme ermittelten Referenzdaten überprüft werden. Der Vergleich beschränkt sich nicht auf einzelne Werte, sondern kann auch Zeitverläufe von Betriebsparametern betreffen.
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Die Erfindung ermöglicht auch das isolierte Erkennen des Betriebszustandes des Elektromotors M. Hierzu werden Betriebsparameter Bist des Elektromotors M ermittelt und ausgewertet, idealerweise im lastfreien Betrieb oder in einem ansonsten definierten Zustand, der unabhängig von Änderungen im Lastbereich ist. Die Auswertung umfasst den Vergleich des aktuellen Betriebsparameters Bist mit einen vorgegebenen gespeicherten Betriebsparameter Bv. Hierdurch lässt sich eine motorabnutzungsbezogene Zustandsgröße Z ermitteln, mittels derer auf die Abnutzung oder sonstige Veränderungen des Elektromotors M geschlossen werden kann. Es lässt sich somit der Grad der Abnutzung oder Entfernung vom Ideal- oder Auslieferungs- oder Inbetriebnahmezustand des Elektromotors M bestimmen, was Einfluss hat auf den Zeitpunkt des Ersatzes des Elektromotors M durch einen neuen oder überholten Elektromotor M. Wird beispielsweise ein motorabnutzungsabhängiger Grenzparameter Bv durch den gemessenen Betriebsparameter Bist über-/unterschritten, wird ein Fehlersignal erzeugt und an eine Überwachungseinheit übermittelt. Als Grenzparameter kann beispielsweise ein Grenzstromstärkewert des Elektromotors M dienen, wobei bei Überschreitung dieses Grenzparameters im laufenden Betrieb des Elektromotors M beispielsweise darauf geschlossen werden kann, dass ein Lager des Elektromotors M nur eingeschränkt oder gar nicht mehr funktionsfähig ist. Als Reaktion kann nun ein Austausch von Bauteilen des Elektromotors M bzw. des gesamten Elektromotors M vorbereitet und durchgeführt werden. Das Fehlersignal kann drahtlos oder über ein Kabel an eine zentrale Überwachungseinheit übermittelt werden. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Elektromotor M eine hohe Betriebssicherheit aufweist.
