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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Überwachungssystem zum Überwachen einer von einem drehzahlveränderbaren Antrieb antreibbaren Walze einer Maschine zum Herstellen oder Bearbeiten einer Warenbahn, insbesondere einer Papierbahn.
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Maschinen zum Herstellen oder Bearbeiten einer Warenbahn weisen in der Regel Walzen zum Transport und/oder Bearbeiten der Warenbahn auf. Warenbahnen sind beispielsweise Papierbahnen, Folienbahnen, Textilbahnen und Metallbahnen. Für derartige Maschinen gelten Normen für die Sicherheit der Maschinen, die insbesondere dem Schutz von Bedienern und Benutzern der Maschinen dienen (funktionale Sicherheit). Diese Normen betreffen unter anderem die Sicherheit der Steuerung und des Antriebs von Walzen. Andere Normen legen fest, dass Walzenumfangsgeschwindigkeiten bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten dürfen, beispielsweise die europäische Normenreihe EN 1034 für Papierherstellungs- und Papierverarbeitungsmaschinen.
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Sicherheitssysteme zur Erfüllung derartiger Normen sind häufig auf die Antriebe von Walzen gerichtet. Derartige Sicherheitssysteme unterstellen eine intakte Verbindung einer Walze mit deren Antrieb. Jedoch kann eine Verbindung der Walze mit dem Antrieb gestört oder unterbrochen werden. Beispielsweise kann eine Wellenverbindung eines eine Walze antreibenden Motors mit der Walze brechen, wenn hohe Drehmomente anliegen, die beispielsweise bei einem Schnellhalt oder Nothalt oder im Betrieb durch Lagerdefekte auftreten. Nach einem Bruch der Wellenverbindung bremst der Motor in der Regel sehr schnell ab. Dann meldet der Motor nach kurzer Zeit eine verschwindende Drehzahl, während sich die Walze aber aufgrund ihrer Massenträgheit noch dreht. Bei einer Walze mit einem großen Massenträgheitsmoment kann dieser Zustand einige Zeit lang bestehen bleiben, unter Umständen mehrere Minuten oder Stunden. Das Sicherheitssystem kann diesen gefährlichen Zustand nicht detektieren und könnte bei Stillstand des Motors beispielsweise auch Schutztüren zu dem Gefahrenbereich freigeben. Eine Gefährdung durch die Bewegung der Walze wird somit nicht verhindert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und zuverlässige Überwachung einer von einem drehzahlveränderbaren Antrieb antreibbaren Walze einer Maschine zum Herstellen oder Bearbeiten einer Warenbahn zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Überwachungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen einer von einem drehzahlveränderbaren Antrieb antreibbaren Walze einer Maschine zum Herstellen oder Bearbeiten einer Warenbahn werden Kamerabilder einer Walzenstirnseite der Walze erfasst. Aus den Kamerabildern wird ein Rotationsmesswert ermittelt, der eine Rotationsgeschwindigkeit der Walze charakterisiert.
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Die Erfindung sieht also vor, die Rotationsgeschwindigkeit der Walze zu ermitteln, indem Kamerabilder einer Walzenstirnseite der Walze erfasst und ausgewertet werden. Im Unterschied zu einer Erfassung einer Drehzahl eines die Walze antreibenden Motors wird die Rotationsgeschwindigkeit der Walze somit auch dann erfasst, wenn eine Kopplung des Motors und der Walze gestört oder unterbrochen ist. Dabei ist die Erfassung der Rotationsgeschwindigkeit der Walze durch eine Auswertung von Kamerabildern einfacher und preiswerter als andere Methoden einer direkten Erfassung der Rotationsgeschwindigkeit wie
- - einer Drehzahlmessung mit einem an einer Walzenwelle der Walze angeordneten und gemäß den Sicherheitsnormen fehlersicher angebauten Tachometer oder
- - einer Messung einer Umfangsgeschwindigkeit der Walze mit einem an die Walze angelegten Messrad, was meist jedoch schon aus produktionstechnischen Gründen nicht durchführbar ist, oder
- - einer Messung mit einem Laser-Doppler-Interferometer.
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Außerdem ist an einer Maschine zum Herstellen oder Bearbeiten einer Warenbahn oft ohnehin ein Kamerasystem vorhanden, beispielsweise um Bahnabrisse der Warenbahn zu erkennen. In einem solchen Fall können unter Umständen die Kamerabilder einer Kamera des Kamerasystems bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgewertet werden, so dass keine zusätzliche Kamera erforderlich ist, um das Verfahren durchzuführen.
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Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Rotationsmesswert eine Drehzahl der Walze oder eine Bahngeschwindigkeit eines an der Walzenstirnseite angeordneten Objekts ermittelt. Die Drehzahl der Walze und die Bahngeschwindigkeit eines an der Walzenstirnseite angeordneten Objekts sind jeweils direkt proportional zur Rotationsgeschwindigkeit der Walze und eignen sich daher als Rotationsmesswerte zur Charakterisierung der Rotationsgeschwindigkeit.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Kamerabilder eine zeitliche Abfolge von Positionen wenigstens eines fest an der Walzenstirnseite angeordneten Objekts ermittelt, und der Rotationsmesswert wird durch Auswerten der zeitlichen Abfolge der Positionen ermittelt. Ein Objekt, dessen Positionen dabei ermittelt werden, ist beispielsweise ein ohnehin an der Walzenstirnseite angeordnetes Objekt, beispielsweise ein Schraubkopf einer an der Walzenstirnseite angeordneten Schraube, oder eine auf die Walzenstirnseite aufgebrachte Markierung, beispielsweise ein Farbmuster. Beispielsweise ist die Kamera eine Videokamera und die Kamerabilder werden mit einer Bildverarbeitung ausgewertet, die in aufeinander folgenden Kamerabildern jeweils ein Objekt erkennt und eine Position des Objekts ermittelt.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der ermittelte Rotationsmesswert dem Antrieb übermittelt. Dadurch können von dem Antrieb Sicherheitsfunktionen aktiviert werden, wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Walze einen vorgegebenen sicherheitsrelevanten Grenzwert überschreitet, wobei der Grenzwert von einem Betriebsmodus der Walze beziehungsweise der Maschine abhängen kann.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Schwellenwert für den Rotationsmesswert vorgegeben, der ermittelte Rotationsmesswert wird mit dem Schwellenwert verglichen und dem Antrieb wird ein Warnsignal übermittelt, wenn der ermittelte Rotationsmesswert den Schwellenwert überschreitet. Beispielsweise ist der Schwellenwert ein Wert, bis zu dem der Rotationsmesswert noch zuverlässig durch Auswerten der Kamerabilder ermittelt werden kann, oder ein Wert, der nur durch aktiven Antrieb der Walze übertroffen werden kann.
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Die vorgenannte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt, dass hohe Rotationsgeschwindigkeiten der Walze nur durch aktiven Antrieb der Walze erreicht werden können und daher aus einer Drehzahl des Antriebs abgeleitet werden können. Die Bestimmung des Rotationsmesswertes aus den Kamerabildern dient dagegen der Erfassung kleiner Rotationsgeschwindigkeiten der Walze, die auch bei Entkopplung des Antriebs von der Walze auftreten können. Zum Erfassen kleiner Rotationsgeschwindigkeiten der Walze durch das Auswerten der Kamerabilder genügen daher moderate Videodatenraten einer als Videokamera ausgebildeten Kamera. Durch eine Kombination der Auswertung der Kamerabilder zum Erfassen kleiner Rotationsgeschwindigkeiten der Walze mit der Drehzahlerfassung einer Drehzahl des Antriebs wird eine mehrkanalige Überwachung der Rotationsgeschwindigkeit der Walze realisiert, die sowohl für große als auch für kleine Rotationsgeschwindigkeiten der Walze zuverlässig arbeitet.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird fortlaufend überprüft, ob der Rotationsmesswert aktualisiert wird. Dadurch kann vorteilhaft erkannt werden, ob die Überwachung der Rotationsgeschwindigkeit der Walze durch die Auswertung der Kamerabilder der Kamera intakt ist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den Kamerabildern ein Walzendurchmesser der Walze ermittelt. Mit Hilfe der Durchmessererfassung des Walzendurchmessers kann beispielsweise eine automatische Anpassung der Auswertung der Kamerabilder an geänderte Strukturen der Walzenstirnseite durchgeführt werden, so dass bei einem Walzenwechsel kein Umprogrammieren einer die Kamerabilder auswertenden Auswerteeinheit erforderlich ist, selbst wenn sich ein Objekt, das zum Auswerten der Kamerabilder herangezogen wird, oder die Anordnung des Objektes an der Walzenstirnseite ändert.
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Der ermittelte Walzendurchmesser kann ferner dem Antrieb übermittelt werden. Dadurch kann beispielsweise eine Plausibilitätskontrolle des von dem Antrieb verwendeten Wertes für den Walzendurchmesser durchgeführt werden. So kann beispielsweise verhindert werden, dass nach einem Walzenwechsel von dem Antrieb ein falscher Walzendurchmesser verwendet wird.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass anhand des ermittelten Walzendurchmessers und des Rotationsmesswertes eine Walzenumfangsgeschwindigkeit der Walze ermittelt wird. Die ermittelte Walzenumfangsgeschwindigkeit wird beispielsweise dem Antrieb übermittelt. Dadurch kann insbesondere vorteilhaft überprüft werden, ob eine auf die Walzenumfangsgeschwindigkeit gerichtete Norm, beispielsweise eine Norm der europäischen Normenreihe EN 1034, erfüllt ist.
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Ein erfindungsgemäßes Überwachungssystem zum Überwachen einer von einem drehzahlveränderbaren Antrieb antreibbaren Walze einer Maschine zum Herstellen oder Bearbeiten einer Warenbahn umfasst eine Kamera, die zum Erfassen von Kamerabildern einer Walzenstirnseite der Walze eingerichtet ist, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, aus den Kamerabildern einen Rotationsmesswert, der eine Rotationsgeschwindigkeit der Walze charakterisiert, zu ermitteln. Dabei wird von der Auswerteeinheit beispielsweise ein Computerprogramm ausgeführt, das Befehle umfasst, die die Auswerteeinheit veranlasst, aus den Kamerabildern den Rotationsmesswert zu ermitteln.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfasst dementsprechend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch eine Auswerteeinheit diese veranlassen, aus Kamerabildern einer Walzenstirnseite einer Walze einen Rotationsmesswert, der eine Rotationsgeschwindigkeit der Walze charakterisiert, zu ermitteln.
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Ein erfindungsgemäßes Überwachungssystem und ein erfindungsgemäßes Computerprogram ermöglichen die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Daher entsprechen die Vorteile eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems und eines erfindungsgemäßen Computerprogramms den oben bereits genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
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Dabei zeigt die einzige Figur schematisch eine Walze 1, einen Antrieb 3 und ein Überwachungssystem 5 zum Überwachen der Walze 1.
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Die Walze 1 ist Bestandteil einer Maschine zum Herstellen oder Bearbeiten einer Warenbahn, beispielsweise einer Papierbahn. Die Walze 1 ist über eine Antriebswelle 7 durch den Antrieb 3 antreibbar. Die Antriebswelle 7 ist in Wellenlagern 9, 10 gelagert.
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Der Antrieb 3 umfasst einen Elektromotor 11, einen Stromumrichter 13, einen Drehzahlmesser 15 und ein Getriebe 17. Der Stromumrichter 13 ist eingerichtet, den Elektromotor 11 mit einer veränderbaren elektrischen Spannung zu versorgen, um eine Drehzahl des Elektromotors 11 einzustellen. Beispielsweise ist der Stromumrichter 13 ein Frequenzumrichter zur Versorgung des Elektromotors 11 mit einer veränderbaren Wechselspannung oder ein steuerbarer Gleichrichter, wenn der Elektromotor 11 ein Gleichstrommotor ist. Der Drehzahlmesser 15 ist eingerichtet, eine Drehzahl des Elektromotors 11 zu erfassen. Über das Getriebe 17 ist eine Motorwelle 19 des Elektromotors 11 mit der Antriebswelle 7 verbunden. Der Antrieb 3 ist überdies eingerichtet, Sicherheitsfunktionen zu aktivieren, wenn eine Rotationsgeschwindigkeit der Walze 1 einen vorgegebenen sicherheitsrelevanten Grenzwert überschreitet, der von einem Betriebsmodus der Walze 1 beziehungsweise der Maschine abhängen kann.
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Das Überwachungssystem 5 umfasst eine Kamera 21 und eine Auswerteeinheit 23. Die Kamera 21 ist zum Erfassen von Kamerabildern einer Walzenstirnseite 25 der Walze 1 eingerichtet. Die Kamera 21 kann eine ohnehin an der Maschine angeordnete Kamera sein. Beispielsweise ist die Kamera 21 eine Kamera, die eingesetzt wird, um Bahnabrisse der Warenbahn zu erkennen. Vorzugsweise ist die Kamera 21 eine Videokamera, die Kamerabilder in festen Zeitabständen aufnimmt.
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Die Auswerteeinheit 23 ist eingerichtet, aus den Kamerabildern wiederholt einen Rotationsmesswert, der die Rotationsgeschwindigkeit der Walze 1 charakterisiert, zu ermitteln. Beispielsweise wird von der Auswerteeinheit 23 ein Computerprogramm ausgeführt, das Befehle umfasst, die die Auswerteeinheit 23 veranlasst, aus den Kamerabildern den Rotationsmesswert zu ermitteln.
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Beispielsweise wird von der Auswerteeinheit 23 anhand der Kamerabilder eine zeitliche Abfolge von Positionen wenigstens eines fest an der Walzenstirnseite 25 angeordneten Objekts 27 ermittelt und der Rotationsmesswert wird durch Auswerten der zeitlichen Abfolge der Positionen ermittelt. Ein derartiges Objekt 27 ist beispielsweise ein Schraubkopf einer an der Walzenstirnseite 25 angeordneten Schraube oder eine auf die Walzenstirnseite 25 aufgebrachte Markierung, beispielsweise eine Markierung, die Teil eines Farbmusters ist. Wenn die Kamera 21 eine Videokamera ist, wird beispielsweise von der Auswerteeinheit 23 eine Bildverarbeitung der Kamerabilder durchgeführt, die in aufeinander folgenden Kamerabildern jeweils das Objekt 27 erkennt und eine Position des Objekts 27 ermittelt. Die zeitliche Abfolge dieser Positionen ergibt sich aus dem zeitlichen Abstand aufeinander folgender Kamerabilder.
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Als Rotationsmesswert wird beispielsweise eine Drehzahl der Walze 1 oder eine Bahngeschwindigkeit eines an der Walzenstirnseite 25 angeordneten Objekts 27 ermittelt.
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Bei einer Ausführungsvariante der Erfindung wird für den Rotationsmesswert ein Schwellenwert vorgegeben und in der Auswerteeinheit 23 gespeichert. Beispielsweise ist der Schwellenwert ein Wert, bis zu dem der Rotationsmesswert noch zuverlässig durch Auswerten der Kamerabilder ermittelt werden kann, oder ein Wert, der nur durch aktiven Antrieb der Walze 1 mit dem Elektromotor 11 übertroffen werden kann. Der ermittelte Rotationsmesswert wird von der Auswerteeinheit 23 mit dem Schwellenwert verglichen und dem Antrieb 3 übermittelt, sofern der Rotationsmesswert nicht den Schwellenwert überschreitet. Wenn der ermittelte Rotationsmesswert den Schwellenwert überschreitet, wird dem Antrieb 3 ein Warnsignal übermittelt, beispielsweise ein für die Maschine unplausibel hoher Wert wie im Falle einer Papiermaschine z. B. der Drehzahlwert 9999,99, der deutlich über typischen maximalen Drehzahlen von etwa 2000 liegt. Dies berücksichtigt, dass hohe Rotationsgeschwindigkeiten der Walze 1 nur durch aktiven Antrieb der Walze 1 mit dem Elektromotor 11 erreicht werden können und daher mittels des Drehzahlmessers 15 erfasst werden können. Die Bestimmung des Rotationsmesswertes aus den Kamerabildern dient dagegen der Erfassung kleiner Rotationsgeschwindigkeiten der Walze 1, die auch bei Entkopplung des Elektromotors 11 von der Walze 3 auftreten können. Zum Erfassen kleiner Rotationsgeschwindigkeiten der Walze 1 durch das Auswerten der Kamerabilder genügen daher moderate Videodatenraten einer als Videokamera ausgebildeten Kamera 21.
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Durch eine Kombination der Auswertung der Kamerabilder zum Erfassen kleiner Rotationsgeschwindigkeiten der Walze 1 mit der Drehzahlerfassung der Drehzahl des Elektromotors 11 durch den Drehzahlmesser 15 wird eine mehrkanalige Überwachung der Rotationsgeschwindigkeit der Walze 1 realisiert, die insbesondere auch eine Überwachung der Rotationsgeschwindigkeit der Walze 1 bei Entkopplung der Walze 1 von dem Elektromotor 11 ermöglicht.
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Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung wird fortlaufend überprüft, ob der Rotationsmesswert aktualisiert wird. Beispielsweise wird von der Auswerteeinheit 23 eine Zählvariable verwaltet, deren aktueller Wert in festgelegten Zeitabständen dem Antrieb 3 übermittelt wird. Ein sich wiederholendes Inkrementieren des Wertes der Zählvariablen bis zu einem Maximalwert signalisiert dem Antrieb 3 das Aktualisieren des Rotationsmesswertes.
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Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung wird von der Auswerteeinheit 23 aus den Kamerabildern wiederholt ein Walzendurchmesser d der Walze 1 ermittelt und dem Antrieb 3 übermittelt. Der dabei ermittelte Walzendurchmesser d wird beispielsweise mit einem von dem Antrieb 3 verwendeten Wert für den Walzendurchmesser d verglichen, um eine Plausibilitätskontrolle des von dem Antrieb 3 verwendeten Wertes für den Walzendurchmesser d durchzuführen.
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Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung wird mit Hilfe der Durchmessererfassung des Walzendurchmessers d eine automatische Anpassung der Auswertung der Kamerabilder an geänderte Strukturen der Walzenstirnseite 25 durchgeführt, so dass bei einem Walzenwechsel kein Umprogrammieren der Auswerteeinheit 23 erforderlich ist, selbst wenn sich ein Objekt 27, das zum Auswerten der Kamerabilder herangezogen wird, oder die Anordnung des Objektes 27 an der Walzenstirnseite 25 ändert.
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Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung wird von der Auswerteeinheit 23 anhand des Walzendurchmessers d und des Rotationsmesswertes eine Walzenumfangsgeschwindigkeit der Walze 1 ermittelt und dem Antrieb 3 übermittelt. Anhand der ermittelten Walzenumfangsgeschwindigkeit wird beispielsweise überprüft, ob eine auf die Walzenumfangsgeschwindigkeit gerichtete Norm, beispielsweise eine Norm der europäischen Normenreihe EN 1034, erfüllt ist.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
