DE10248690A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Synchronisation mehrerer elektrischer Antriebseinheiten - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Synchronisation von an mehreren Einheiten (2a, 2b, 2c) ablaufenden Prozessen, insbesondere in Papier verarbeitenden Maschinen, wobei die Einheiten (2a, 2b, 2c) mit einer zentralen Steuerungseinheit (1) über einen Datenbus (6) verbunden sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die zentrale Steuerungseinheit (1) dazu vorgesehen ist, Bewegungsbefehle, welche den Zeitpunkt enthalten, an dem diese Befehle ausgeführt werden, über einen Datenbus (6) an mehrere Einheiten (2a, 2b, 2c) zu verteilen, und das vorgesehen ist, dass diese Befehle von den Einheiten (2a, 2b, 2c), welche die absolute Zeit vorhalten, zu dem mit den Befehlen mitgeteilten Zeitpunkt synchron ausgeführt werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 zur Synchronisation mehrerer Antriebseinheiten.
• Druckmaschinen weisen eine Vielzahl drehbeweglicher Teile auf, welche winkelsynchron in Drehbewegung versetzt werden müssen. Dazu koppelte man in der Vergangenheit diese drehbeweglich anzutreibenden Teile über eine mechanische Verbindung, wie z. B. eine Königswelle oder einen durchgehenden Räderzug miteinander, was jedoch unter anderem den Nachteil hatte, dass in einer solchen Maschine unangenehme Schwingungen auftraten. Daher geht der Trend in letzter Zeit dazu, die drehbeweglich anzutreibenden Teile einer Druckmaschine nicht mehr mechanisch winkelgenau miteinander zu synchronisieren, sondern mit separaten elektrischen Antrieben zu versehen, welche dann über eine elektronische Steuerung miteinander synchronisiert werden. Dazu sind aber elektronische Schaltkreise erforderlich, welche die separaten Antriebsmotoren derart ausregeln, dass sie winkelsynchron arbeiten. Außerdem müssen die elektronischen Regler schnell und präzise arbeiten. Größere Schwierigkeiten treten in der Regel insbesondere dann auf, wenn die Arbeitsgeschwindigkeit einer Druckmaschine oder von Teilen einer Druckmaschine verändert wird. In diesem Fall muß sichergestellt werden, dass die einzelnen elektrischen Antriebe nach der Geschwindigkeitsänderung weiterhin winkelsynchron arbeiten.
• Ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Regelung des winkelgenauen Gleichlauf mehrerer elektrischer Antriebe ist aus DE 197 27 824 C1 bekannt. Dieses System besteht aus einem Steuerungsrechner, welcher ein zentrales Leitsystem darstellt, und mehreren dezentralen Antriebsregelgeräten, welche in der Nähe des zu steuernden elektrischen Antriebs angeordnet sind. Die dezentralen Antriebsregelgeräte und der Leitrechner sind dabei über einen Synchronisationsbus miteinander verbunden. Das Leitsystem versorgt dabei über den Synchronisationsbus die dezentralen Antriebsregelgeräte mit Maschinengeschwindigkeitssollwerten. Aus diesen Maschinengeschwindigkeitssollwerten werden vorort in den jeweiligen dezentralen Antriebsregelgeräten die Drehzahlsollwerte erzeugt. Um eine Winkelsynchronisation zwischen den einzelnen Antriebseinheiten zu ermöglichen, enthalten die dezentralen Antriebsregelgeräte Winkelsollwertgeneratoren, welche aus einem Leitzeiger in dem jeweiligen Antriebsregelgerät bestehen. Sind nun die Maschinengeschwindigkeitsollwerte über den Synchronisationsbus an die Antriebsregelgeräte verteilt worden, so wird von dem Leitsystem an alle Antriebsregelgeräte ein sogenannter Interrupt versendet. Dieser Interupt dient zur Synchronisation und gewährleistet, dass alle dezentralen Antriebsregelgeräte ihre Rechenzyklen mit dem gleichen aktuellen Maschinengeschwindigkeitssollwert abarbeiten. In den dezentralen Antriebsregelgeräten werden dann die für den jeweiligen Antrieb zutreffenden Drehzahl- und Winkelsollwerte berechnet. Ein solches Antriebsregelungssystem zur Synchronisation mehrerer Antriebseinheiten bietet den Vorteil, dass der Synchronisationsbus entlastet wird, da er nur die gemeinsamen Maschinengeschwindigkeitssollwerte und Interrupts verteilen muß. Desweiteren wird vorgeschlagen, sogenannte asynchrone Sollwerte, wie z. B. einen Versatzwinkel zwischen mehreren Antriebseinheiten, über einen separaten Bus zu versenden, welcher ausschließlich für Steuer- und Parametrierdaten zuständig ist.
• Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektrisch synchronisierten Antriebsverbund von mehreren elektrischen Antrieben zu schaffen, ohne dass über einen Bus, welcher die Kommunikation zwischen den Antriebseinheiten und einer zentralen Steuerung übernimmt, zeitkritische Sollwerte übertragen werden müssen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung, gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 7 bieten den großen Vorteil, dass über den Datenbus keinerlei zeitkritische Sollwerte versendet werden müssen. Dazu umfaßt die Vorrichtung einen zentralen Steuerungsrechner, welcher über einen Datenbus mit dezentralen Einheiten verbunden ist, wobei sowohl auf dem zentralen Steuerungsrechner als auch auf den dezentralen Antriebseinheiten eine absolute Systemzeit vorgehalten wird, welche über den Datenbus synchronisiert werden kann. Da alle Einheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung diese absolute Systemzeit vorhalten, ist es möglich, von der zentralen Steuerungseinheit aus Bewegungsbefehle an die dezentralen Einheiten zu versenden, wobei die Bewegungsbefehle nicht nur die Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung bestimmter Bewegungsformen beinhalten, sondern insbesondere auch den Zeitpunkt beinhalten, an dem sie in den dezentralen Einheiten ausgeführt werden sollen. Es ist daher unwichtig, zu welchem Zeitpunkt die Bewegungsbefehle an den dezentralen Einheiten ankommen, solange sie nur rechtzeitig vor dem Zeitpunkt ankommen, zu dem der Bewegungsbefehl ausgeführt werden soll. Dies kann dadurch sichergestellt werden, dass die Bewegungsbefehle rechtzeitig im voraus an die dezentralen Einheiten verschickt werden. Die Befreiung des Datenbusses von zeitkritischen Sollwerten erlaubt es einen recht einfachen Datenfeldbus wie z. B. einen CAN-Bus für die Übertragung der Bewegungsbefehle vom Zentralrechner an die dezentralen Einheiten zu verwenden. Dies sorgt für einen großen preislichen Vorteil gegenüber Systemen, welche auf eine Übertragung zeitkritischer Sollwerte angewiesen sind, da diese auf sehr schnelle und teure Antriebsbustechniken wie z. B. SERCOS zurückgreifen müssen.
• Verfügen die dezentralen Einheiten über eigene Rechner, so ermöglicht dies die Sollwertgenerierung vorort aus den Bewegungsbefehlen, welche von der zentralen Steuerungseinheit über den Datenbus versendet werden. Ein Sollwertgenerator berechnet dann Lage-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungssollwerte in der jeweiligen dezentralen Einheit, so dass alle von den dezentralen Einheiten gesteuerten Antriebe winkelsynchron arbeiten.
• Die Verwendung eines CAN-Busses als Datenbus erlaubt eine besonders kostengünstige Realisierung des erfindungsgemäßen Antriebskonzeptes. CAN-Busse haben zwar eine relativ niedrige Datenübertragungsgeschwindigkeit, sind aber in der industriellen Steuerungstechnik bewährt und in diesem Fall das Mittel der Wahl, da auf Grund der zeitunkritischen Werte, welche über den Feldbus übertragen werden, keine großen Geschwindigkeitsanforderungen gemacht werden müssen.
• Sind in den dezentralen Einheiten neben den Recheneinheiten zur Sollwertgenerierung noch weitere Rechnereinheiten vorhanden, so bietet das den Vorteil, dass auf diesen weiteren Rechnereinheiten zusätzliche Funktionen implementiert werden können. Damit können die für die Synchronisation notwendigen Sollwerte für eine individuelle Antriebseinheit so bearbeitet werden, dass Sonderfunktionen wie z. B. eine elektronische Kurvenscheibe möglich sind. Trotzdem arbeiten aber auch diese mit den Sonderfunktionen versehenen dezentralen Einheiten winkelgenau und damit synchron zueinander.
• In den dezentralen Einheiten vorhandene Antriebsregler dienen dazu, die in den dezentralen Einheiten vorhandenen Sollwerte, welche evt. durch Sonderfunktionen bearbeitet worden sind, mit den am elektrischen Antrieb vorhandenen Istwerten zu vergleichen und gegebenenfalls die Istwerte den Sollwerten nachzuregeln. Dadurch werden die elektrischen Antriebe synchron zueinander ausgeregelt.
• Es ist sinnvoll, wenigstens eine der dezentralen Antriebseinheiten als sogenannten Master zu definieren, während die anderen Antriebseinheiten als sogenannte Slaves definiert werden. Dadurch ist es möglich, den als Slave definierten Antriebseinheiten sogenannte Verfahrbefehle zuzusenden, welche es z. B. erlauben, den Drehwinkel der Slaveeinheiten gegenüber dem Master um einen gewünschten Winkel zu verändern. Dazu erhalten die Slaveeinheiten einen Befehl, welcher sich auf den Sollwinkel zu einem bestimmten Zeitpunkt bezieht und durch kurzzeitiges Erhöhen oder Erniedrigen der Solldrehzahl des Slaveantriebs dafür sorgt, dass dieser Differenzwinkel eingestellt wird.
• Werden über den vorhandenen Datenbus neben den Antriebsbefehlen auch Daten zur Parametrierung und Diagnose versendet, so ist es möglich auf einen weiteren Datenbus zu verzichten, wie er für diese Aufgaben in DE 197 27 824 C1 empfohlen wird. Da auch die globale Systemzeit über diesen einen Datenbus in allen dezentralen Einheiten und der zentralen Steuerungseinheit synchronisiert werden kann, ist auch dafür kein separater Datenbus notwendig. Es ist daher mit einem einzigen Datenbus möglich, die für ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung erforderliche Kommunikation zwischen den dezentralen Einheiten und der Steuerungseinheit vorzunehmen.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Figuren zu entnehmen. Anhand der Figuren wird ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben und erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung und
• Fig. 2 Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdiagramme, welche einen sogenannten Verfahrbefehl eines Slaveantriebs relativ zu einem Masterantrieb darstellen.
• Einen möglichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt Fig. 1. Die Vorrichtung besteht aus einer zentralen Steuerungseinheit 1 und drei dezentralen Einheiten 2a, 2b, 2c, wobei die dezentralen Einheiten 2a, 2b, 2c die Antriebssteuerungen von hier nicht abgebildeten elektrischen Antrieben darstellt. Zur Kommunikation zwischen den dezentralen Einheiten 2a, 2b, 2c und der zentralen Steuerungseinheit 1 ist ein Bussystem 6 vorhanden. Dabei handelt es sich um einen einfachen Feldbus, wie z. B. einen CAN-Bus. Über den Feldbus 6 werden von der zentralen Steuerungseinheit 1 Bewegungsbefehle an die dezentralen Einheiten 2a, 2b, 2c gesendet. Die dezentralen Einheiten 2a, 2b, 2c bestehen jeweils aus einer Rechnereinheit 3a, 3b, 3c, welche aus den Bewegungsbefehlen, die die zentrale Steuerungseinheit gesendet hat, Sollwerte generiert. Diese Sollwerte können mittels einer weiteren Rechnereinheit 4a, 4b, 4c, in der Sonderfunktionen abgespeichert sind, weiter bearbeitet werden, so dass jede dezentrale Einheit 2a, 2b, 2c unterschiedliche Bewegungsabläufe durchführen kann. Dies ist z. B. dann sinnvoll, wenn einer der von den dezentralen Einheiten 2a, 2b, 2c angesteuerten elektrischen Antriebe in einem bestimmten Verhältnis zu den anderen elektrischen Antrieben langsamer oder schneller drehen muß. Die elektrischen Antriebe werden dabei von den Antriebsreglern 5a, 5b, 5c gesteuert, welche die Istwerte der elektrischen Antriebe mit den Sollwerten aus den weiteren Rechnereinheiten 4a, 4b, 4c vergleichen und den Sollwerten nachführen.
• Wie in Fig. 1 angedeutet, können neben den drei hier gezeigten dezentralen Einheiten 2a, 2b, 2c weitere dezentrale Einheiten an den Bus 6 angeschlossen werden, bis die Maximalkapazität eines Bussystems erreicht ist. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführung sind die dezentralen Antriebsboard 2a, 2b, 2c dazu ausgelegt, die elektrischen Antriebe einer Druckmaschine zu steuern. Druckmaschinen verfügen über viele drehbewegliche angetriebene Bauteile, welche wie eingangs erwähnt zunehmend von separaten Elektromotoren angetrieben werden, aber trotzdem wie bei einer mechanischen Königswelle oder einem Zahnräderzug miteinander synchronisiert werden müssen. Zu diesem Zweck wählt man einen der elektrischen Antriebe als sogenannten virtuellen Masterantrieb aus, während die anderen elektrischen Antriebe als sogenannte virtuelle Slaveantriebe arbeiten. Als Masterantrieb kommt insbesondere das Antriebsboard des Hauptantriebs einer Druckmaschine in Frage. Der Unterschied zwischen Masterantrieb und Slaveantrieben liegt lediglich darin, dass die Slaveantriebe neben den Bewegungsbefehlen, die an alle dezentralen Antriebsboards 2a, 2b, 2c versendet werden noch weitere Bewegungsbefehle erhalten, die jeweils nur einen spezifischen Slaveantrieb betreffen.
• Der Unterschied zwischen Hauptantrieb und Slaveantrieb geht auch aus Fig. 2 hervor. Hier sind drei Diagramme zu sehen, in denen jeweils über der Zeit die Beschleunigung, Geschwindigkeit und Winkelposition eines Masterantriebs und eines Slaveantriebs aufgetragen sind. Solange über das Bussystem 6 keine slavespezifischen Bewegungsbefehle erteilt werden, laufen sowohl Hauptantrieb als auch Hilfsantriebe völlig synchron miteinander. Soll jedoch einer der Hilfsantriebe gegenüber dem Hauptantrieb um einen bestimmten Winkel Δφ verdreht werden, so wird ein Vorgang eingeleitet, wie in Fig. 2 gezeigt. Dabei wird von der zentralen Steuerungseinheit 1 ein zusätzlicher Bewegungsbefehl über den Feldbus 6 an das entsprechende dezentrale Antriebsboard gesendet. Beispielsweise wird beabsichtigt, den elektrischen Antrieb, welcher von dem dezentralen Antriebsboard 2c gesteuert wird, um einen bestimmten Winkel Δφ gegenüber dem Hauptantrieb oder den anderen Hilfsantrieben zu verdrehen. Der in Fig. 2 gezeigte Bewegungsbefehl lautet in Worten umschrieben folgendermaßen: Zum Zeitpunkt t = 10 sec. soll der Winkel des Slaveantriebs um den Winkel Δφ relativ zum Istwinkel zum Zeitpunkt t = 10 sec verfahren werden. Dieser Bewegungsbefehl wird codiert von der zentralen Steuerungseinheit 1 über den Feldbus 6 an das entsprechende dezentrale Antriebsboard, hier 2c, verschickt. Mittels des Sollwertgenerators 2c werden dann auf dem dezentralen Antriebsboard 2c die Sollwerte für Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position berechnet. Zur Ausführung gelangt der Bewegungsbefehl dadurch, dass der elektrische Antrieb des Slaveantriebs zum Zeitpunkt t = 10 sec mit konstanter Beschleunigung auf eine höhere Drehgeschwindigkeit bis zum Zeitpunkt t = 15 sec beschleunigt, dann die Geschwindigkeit weitere 5 sec lang konstant hält und dann wieder in weiteren 5 sec mit konstanter negativer Beschleunigung auf seine ursprüngliche Geschwindigkeit herabgebremst wird. Somit ist sichergestellt, dass zum Zeitpunkt t = 25 sec der Slaveantrieb wieder völlig synchron mit dem Hauptantrieb oder den anderen Hilfsantrieben läuft. Da die Synchronisation aufgrund einer einheitlichen Zeitbasis abläuft, ist diese Zeit als sogenannte absolute Systemzeit sowohl in den dezentralen Antriebsboards 2a, 2b, 2c als auch in der zentralen Steuerungseinheit 1 abgelegt. Die Systemzeit kann durch Taktgeber auf den einzelnen Antriebsboards 2a, 2b, 2c und der zentralen Steuerungseinheit 1 erzeugt werden, welche mittels des Feldbusses 6 synchronisiert werden können.
• Bezüglich des genauen Ablaufs zur Herstellung einer einheitlichen Zeitbasis wird auf die beiden Patentanmeldungen mit den deutschen Aktenzeichen DE 101 11 647.0 und DE 100 59 270.8 verwiesen, welche sich mit der zeitlichen Synchronisation von Prozessen insbesondere bei der Steuerung einer Druckmaschine befassen.
• Zusätzlich können über den Feldbus 6 auch Daten zur Parametrierung und Diagnose der Antriebsboards 2a, 2b, 2c ausgetauscht werden. Damit ein solches Antriebssystem zuverlässig funktionieren kann, müssen die Bewegungsbefehle immer rechtzeitig vor dem Zeitpunkt, zu dem sie ausgeführt werden müssen, von der zentralen Steuerungseinheit 1 an die Antriebsboards 2a, 2b, 2c versendet werden. Diese Vorlaufzeit muß die Verzögerungszeit auf dem Feldbus 6, sowie Totzeiten des Systems berücksichtigen. Die Rechnereinheiten auf den Boards 2a, 2b, 2c arbeiten mit identischer Rechengeschwindigkeit, so dass zwischen den einzelnen Boards 2a, 2b, 2c keine Verzögerungen in der Ausführung der Bewegungsbefehle auftreten können. Bezugszeichenliste 1 Zentrale Steuerungseinheit
  2a, 2b, 2c Dezentrale Steuerungseinheiten
  3a, 3b, 3c Rechnereinheiten zu Sollwertgenerierung
  4a, 4b, 4c Rechnereinheiten zur Ausführung von Sonderfunktionen
  5a, 5b, 5c Antriebsregler
  6 Feldbus
  

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Synchronisation von an mehreren Einheiten (2a, 2b, 2c) ablaufenden Prozessen, insbesondere in Papier verarbeitenden Maschinen, wobei die Einheiten (2a, 2b, 2c) mit einer zentralen Steuerungseinheit (1) über einen Datenbus (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuerungseinheit (1) dazu vorgesehen ist, Bewegungsbefehle, welche den Zeitpunkt enthalten, an dem diese Befehle ausgeführt werden, über einen Datenbus (6) an mehrere Einheiten (2a, 2b, 2c) zu verteilen, und dass vorgesehen ist, dass diese Befehle von den Einheiten (2a, 2b, 2c), welche die absolute Zeit vorhalten, zu dem mit den Befehlen mitgeteilten Zeitpunkt synchron ausgeführt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuerungseinheit (1) einen Steuerungsrechner beinhaltet, dass die zu steuernden Einheiten (2a, 2b, 2c) ebenfalls Rechnereinheiten (3a, 3b, 3c) enthalten, und diese dezentralen Einheiten (2a, 2b, 2c) elektrische Antriebe steuern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus (6) ein Feldbus, insbesondere ein CAN-Bus, ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten (2a, 2b, 2c) Rechnereinheiten (3a, 3b, 3c) zur Sollwertgenerierung aus den Bewegungsbefehlen der zentralen Steuerung (1) aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten (2a, 2b, 2c) weitere Rechnereinheiten (4a, 4b, 4c) aufweisen, welche dazu vorgesehen sind, von den Rechnereinheiten (3a, 3b, 3c) zur Sollwertgenerierung berechnete Sollwerte mittels Funktionen zu bearbeiten, welche in den weiteren Rechnereinheiten (4a, 4b, 4c) abgespeichert sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten (2a, 2b, 2c) Antriebsregler (5a, 5b, 5c) aufweisen, welche dazu vorgesehen sind, an die Einheiten (2a, 2b, 2c) angeschlossene elektrische Antriebe gemäß den Vorgaben, welche die Antriebsregler (5a, 5b, 5c) von den in den Einheiten (2a, 2b, 2c) vorhandenen Rechnereinheiten (3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c) erhalten, auszuregeln.

7. Verfahren zur Synchronisation von an mehreren Einheiten (2a, 2b, 2c) ablaufenden Prozessen, insbesondere in papierverarbeitenden Maschinen, wobei die Einheiten (2a, 2b, 2c) mit einer zentralen Steuerungseinheit (1) über einen Datenbus (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuerungseinheit (1) Bewegungsbefehle, welche den Zeitpunkt enthalten, an dem diese Befehle ausgeführt werden, über einen Datenbus (6) an mehrere Einheiten (2a, 2b, 2c) verteilt, und dass diese Befehle von den Einheiten (2a, 2b, 2c), welche eine absolute Zeit vorhalten, zu dem mit den Befehlen mitgeteilten Zeitpunkten synchron ausgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehle, welche der zentrale Steuerungsrechner (1) an die Einheiten (2a, 2b, 2c) versendet, Bewegungsbefehle sind, welche Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu steuernder elektrischer Antriebe enthalten.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Bewegungsbefehlen, welche alle der elektrischen Antriebseinheiten (2a, 2b, 2c) erhalten, weitere spezielle Bewegungsbefehle über den Bus (6) verteilt werden, welche nur an ausgewählte elektrische Antriebseinheiten (2a, 2b, 2c) verteilt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Datenbus (6) neben den Antriebsbefehlen Daten zur Parametrierung und Diagnose, welche die Einheiten (2a, 2b, 2c) benötigen, sowie die zur Synchronisation der Bewegungsbefehle benötigte globale Systemzeit verteilt werden.

11. Papierverarbeitende Maschine, insbesondere Druckmaschine, welche eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 aufweist.

12. Papierverarbeitende Maschine, insbesondere Druckmaschine, welche dazu vorgesehen ist, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gesteuert zu werden.