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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
sicheren Abschalten von Antrieben bei Werkzeug- oder Produktionsmaschinen.
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Bei
Werkzeug- oder Produktionsmaschinen muss das Gebersignal eines Motors überwacht
werden, um z.B. eine Realisierung der Sicherheitsfunktion "sichere Geschwindigkeit" nach EN954-1 Störungskategorie
3 in der Kombination aus Antrieb und Steuerung unter Verwendung
eines Gebers zu gewährleisten.
Die handelsübliche
Lösung
dieser Sicherheitsfunktion liegt in einem voll redundanten Aufbau
der Signal- und Abschaltpfade für
die Erfassung und Erkennung der Motorgeschwindigkeit. Diese Realisierung
benötigt
jedoch einen aufwendigen und kostenintensiven Hardware-Aufbau in
Form eines zweiten Gebers sowie der dazugehörigen Verkabelung. Durch die
obengenannte Sicherheitsfunktion soll z.B. ein Durchgehen des Antriebs
bzw. des Motors bei einem fehlerhaften oder ausgefallenen Gebersignal
vermieden werden.
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In 1 ist eine solche handelsübliche Realisierung
dargestellt. An einem Motor 7 ist zur Ermittlung der Motordrehzahl
ein Sinus-Cosinus-Geber 8 angebracht. Weiterhin ist der
Motor 8 zur redundanten Ermittlung der Motordrehzahl indirekt über eine Mechanik 22 mit
einem TTL-Geber 20 verbunden. Durch den Sinus-Cosinus-Geber 8 und
den TTL-Geber 20 stehen zur Ermittlung der Motordrehzahl
zwei vollkommen unabhängige
Gebersignale zur Verfügung.
Das Gebersignal 11 des Sinus-Cosinus-Gebers 8 wird von einer Signalerfassungseinheit 3 bzw. einer
Interfacekarte 2 eingelesen und anschließend einer
Regel- und Steuerungseinheit 5, über eine Verbindung 13,
zur Verfügung
gestellt. Die Mikroprozessor gesteuerte Regel- und Steuerungseinheit 5 überprüft das Gebersignal 11 auf
mögliche
Stö rungen bzw.
Fehler. Hierzu muss zunächst
bemerkt werden, dass das Gebersignal 11 aus mehreren Einzelsignalen
besteht. Ein solches Einzelsignal ist z.B. das Sinus-Signal des
Sinus-Cosinus-Gebers 8,
das um 90° versetzte
unabhängige
Cosinus-Signal des
Sinus-Cosinus-Gebers 8, sowie z.B. noch zusätzlich vorhandene
Inkrementalsignale des Sinus-Cosinus-Gebers 8. Die Regel-
und Steuerungseinheit 5 erkennt nun anhand von Plausibilitätsprüfungen der Einzelsignale
ob das Gebersignal 11 fehlerfrei ist. Hierzu wird z.B. überprüft ob die
Addition des Quadrats des Sinus-Signals und des Quadrats des Cosinus-Signals des Sinus-Cosinus-Gebers 8 einen
Wert von 1 ergibt.
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Falls
die Regel- und Steuerungseinheit 5 solchermaßen ein
fehlerhaftes Gebersignal 11 des Sinus-Cosinus-Gebers 8 erkennt,
sendet sie ein Ausschaltsignal 10 an einen Umrichter 6,
welcher infolge eine Impulssperre der Ventile des Umrichters durchführt. Die
Regel- und Steuerungseinheit 5, die Interface-Karte 2 sowie
der Umrichter 6, sind Bestandteil eines Antriebsgerätes 1,
wobei der Umrichter 6 auch außerhalb des Antriebsgerätes als
eigenständiges Gerät vorhanden
sein kann.
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Zur
Energieversorgung ist der Motor 7 über eine Verbindung 9 elektrisch
mit dem Umrichter 6 verbunden.
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Die
Sollwertvorgaben für
die Regel- und Steuerungseinheit 5 werden über einen
Feldbus 19 von einer Steuerungseinheit 16, bzw.
einer übergeordneten
Steuerung 15 vorgegeben. Der Motor 7 ist über eine
Mechanik 22 mit einem zweiten sogenannten TTL-Geber 20 verbunden.
Dieser erzeugt ein binäres
TTL-Gebersignal 21,
welches aus mehreren binären
getrennten Einzelsignalen besteht. Das TTL-Gebersignal 21 wird
somit, wie das Gebersignal 11, über mehrere Hardwire-Verbindungen
zur zugehörigen
Interfacekarte gesendet. Das TTL-Gebersignal 21 wird von
der Interfacekarte 14 eingelesen, digitalisiert und mittels
einer Verbindung 17 an die Steuerungseinheit 16 weitergeleitet.
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Dort
wird ähnlich
wie in der Regel- und Steuerungseinheit 5 eine Plausibilitätsüberprüfung des TTL-Gebersignals 21 durchgeführt. Falls
das TTL-Gebersignal 21 als fehlerhaft erkannt wird, sendet
die Steuerungseinheit 16 mittels einer direkten Hardwire-Verbindung
auf einen unabhängigen
Signalpfad ein Ausschaltsignal 18 an den Umrichter 6 sowie
an ein Relais 28. Das Ausschaltsignal 18 bewirkt
ebenfalls wieder eine Impulssperre der Ventile des Umrichters 6 sowie
ein Öffnen
des Relais 7, was dem Leistungsteil des Umrichters 6 die
Eingangsspannungsversorgung entzieht (Funktion „sicherer Betriebshalt" nach EN954-1 Kategorie
3).
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Weiterhin
wird mit Hilfe des Feldbusses 19 ein kreuzweiser Austausch
von Fehlerinformationen bei fehlerhaft erkanntem Gebersignal zwischen übergeordneter
Steuerung 15 und Antriebsgerät 1, insbesondere
der Regel- und Steuerungseinheit 5 durchgeführt. Falls
z.B. die Regel- und Steuerungseinheit 5 feststellt, dass
das Gebersignal 11 fehlerhaft ist, sendet sie über den
Feldbus 19 die Fehlerinformation an die übergeordnete
Steuerung 15, insbesondere an die Steuerungseinheit 16,
welche in Folge das Ausschaltsignal 18 an den Umrichter 6 bzw.
an das Relais 7 sendet. Für den umgekehrten Fall gilt
entsprechendes. Neben den Statusinformationen werden über den
Feldbus 19 auch Betriebsdaten insbesondere die Gebersignale
kreuzweise ausgetauscht. Bei einer erkannten Inkonsistenz der Daten
können die übergeordnete
Steuerung 15 und die Regel- und Steuerungseinheit 5 getrennt
die Impulse für
die Ventile des Umrichters 6 sperren bzw. die Abschaltung veranlassen.
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Auf
diese Art und Weise ist ein sicheres Abschalten des Motors 7 durch
die beiden unabhängigen
Signalpfade des Ausschaltsignals 18 sowie des Ausschaltsignals 10 und
die voneinander unabhängige
Hardware sichergestellt.
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Gegebenfalls
kann der Umrichter 6 bzw. das Relais 28, falls
eine besonders hohe Sicherheit erforderlich ist, seinerseits mit
in 1 der Übersichtlichkeit
halber nicht mehr darge stellter Verbindungen, bzw. über den
Feldbus 19, bei empfangenen Abschaltsignal auch eine Rückmeldung
an die Steuerungseinheit 16 und die Regel- und Steuerungseinheit 5 zurückschicken,
welche jeweils dann das Ausschaltsignal 18 bzw. 10 senden,
wenn es nicht schon vorher von der jeweiligen Einheit gesendet wurde.
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Bei
manchen Steuerungen ist es aber möglich, unter bestimmten Voraussetzungen,
auf einen der beiden genannten Geber zu verzichten. Bestimmte Sensoren
bzw. Geber sind im Sinne der EN954-1 Kategorie 3 als zweikanalig
anerkannt. Mit diesen können
Sicherheitsfunktionen mit nur einem Geber realisiert werden.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 07 834 A1 eine Anlage, umfassend Automatisierungszellen,
und Verfahren, wobei zumindest eine Automatisierungszelle zumindest
einen mindestens einen Umrichter und Motor umfassenden Antrieb und einen
Verteiler aufweist, und wobei der Verteiler eine Signalelektronik
aufweist, die mindestens einen Mikroprozessor und/oder Mikrocontroller
umfasst, und der Verteiler mindestens einen Anschluss für Niederspannung
zur Versorgung seiner Signalelektronik umfasst, und wobei der Verteiler
mindestens einen Anschluss für
einen Feldbus zum Datenaustausch mit weiteren Feldbusteilnehmern
und/oder mit einer Steuerung, insbesondere einer zentralen Steuerung, umfasst,
und wobei der jeweilige Motor von einem Umrichter versorgt wird,
der mit Netzspannung zur Leistungsversorgung verbindbar ist, und
wobei der Umrichter und der Verteiler zum Datenaustausch verbindbar
sind, und wobei eine sichere Versorgung der Signalelektronik des
Umrichters mit Niederspannung vom Verteiler aus gemäß einer
Sicherheitskategorie vorhanden ist, und wobei mindestens der Umrichter, der
Verteiler und die sichere Versorgung gemäß einer Sicherheitskategorie
derart ausgeführt
sind, dass die gesamte jeweilige Automatisierungszelle die Sicherheitskategorie
hat oder ihr eine solche zuordenbar ist, bekannt.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift 100 37 737 ist ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur sicheren einkanaligen Auswertung von Sensorsignalen
bekannt. Zur sicheren Auswertung von Sensorsignalen wird dabei bereits
bei der Generierung der Sensorsignale durch Erzeugung eines Redundanzsignals
nach einem vorgegebenen Algorithmus eine singuläre Weiterverarbeitung ermöglicht.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 100 47 924 A1 ist ein Gebersystem zur
Lage-/Positionserfassung und/oder Geschwindigkeitserfassung und/oder
Beschleunigungserfassung, eine darauf aufbauende Antriebsregelung
sowie ein Verfahren zur Vernetzung einer Regelungseinheit mit einem oder
mehreren Gebersystemen, bekannt. Dabei werden eine analoge Auswerteschaltung,
die Digitalisierung und die Umrechnung von physikalischen Größen einer übergeordneten
Regelung in das Gebersystem verlegt und die Regelung über ein
synchrones Hochgeschwindigkeitsübertragungssystem
mit diesem neuen Gebersystem verbunden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges
Verfahren und eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zum sicheren
Abschalten von Antrieben bei Werkzeug- oder Produktionsmaschinen,
unter Verwendung eines einzelnen Gebers, zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird für
das erfindungsgemäße Verfahren
dadurch gelöst,
dass mittels eines an einen Motor angeschlossenen Sinus-Cosinus-Gebers zur
Erfassung des Rotorlagewinkels des Motors ein aus mehreren Einzelsignalen
bestehendes Gebersignal erzeugt und einem Antriebsgerät zur Verfügung gestellt
wird, wobei im Antriebsgerät
entlang eines ersten Gebersignalweges eine Auswertung des Gebersignals
durchgeführt
wird und bei erkanntem fehlerhaften Gebersignal eine Abschaltung
des Antriebes durchgeführt
wird, wobei im Antriebsgerät
entlang eines zweiten vom ersten unabhängigen Gebersignalwegs, eine
Umwandlung des Gebersignals in ein aus mehreren Einzelsignalen bestehendes
binärgewandeltes
Gebersignal durchgeführt
wird, wobei das binärgewandelte
Gebersignal von einer übergeordneten
Steuerung eingelesen und auf Fehler überprüft wird und bei erkanntem fehlerhaften
Gebersignal eine Abschaltung des Antriebes durch die übergeordnete
Steuerung durchgeführt
wird.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe für eine
Vorrichtung dadurch gelöst,
dass mittels eines an einen Motor angeschlossenen Sinus-Cosinus-Gebers
zur Erfassung des Rotorlagewinkels des Motors ein aus mehreren Einzelsignalen
bestehendes Gebersignal erzeugbar ist und einem Antriebsgerät zur Verfügung gestellt
wird, wobei im Antriebsgerät
entlang eines ersten Gebersignalweges eine Auswertung des Gebersignals
durchführbar
ist und bei erkanntem fehlerhaften Gebersignal eine Abschaltung des
Antriebes durchführbar
ist, wobei im Antriebsgerät
entlang eines zweiten vom ersten unabhängigen Gebersignalwegs, eine
Umwandlung des Gebersignals in ein aus mehreren Einzelsignalen bestehendes
binärgewandeltes
Gebersignal durchführbar
ist, wobei das binärgewandelte
Gebersignal von einer übergeordneten
Steuerung einlesbar ist und auf Fehler überprüfbar ist und bei erkanntem
fehlerhaften Gebersignal eine Abschaltung des Antriebes durch die übergeordnete
Steuerung durchführbar
ist.
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Eine
erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Fehlerinformation über
ein erkanntes fehlerhaftes Gebersignal kreuzweise zwischen übergeordneter
Steuerung und Antriebsgerät
ausgetauscht und nach eingelesener Information jeweilig eine Abschaltung
des Antriebs veranlasst wird. Hierdurch ist eine besonders sichere
Abschaltung des Antriebs sichergestellt.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, dass Betriebsdaten kreuzweise zwischen übergeordneter Steuerung
und Antriebsgerät
ausgetauscht und miteinander verglichen werden, wobei bei erkannten
Inkonsistenzen der Betriebsdaten eine Impulssperre des Umrichters
auf unabhängigen
Signalpfaden erfolgt. Hierdurch lassen sich besonders sicher fehlerhafte
Gebersignale erkennen.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, dass bei einem durch das Antriebsgerät erkannten
fehlerhaften Gebersignal eine Abschaltung des Antriebs mittels einer
Impulssperre des Umrich ters durchgeführt wird. Eine Impulssperre
zur Abschaltung des Umrichters stellt eine in der Technik bewährte Methode
dar.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, dass bei einem durch die übergeordnete
Steuerung erkannten fehlerhaften Gebersignal eine Abschaltung des
Antriebs mittels einer Impulssperre des Umrichters und einer Unterbrechung
der Energieversorgung des Umrichters durchgeführt wird. Wenn das Abschalten
des Antriebs nicht nur mittels einer Impulssperre des Umrichters,
sondern auch durch eine Unterbrechung der Energieversorgung des
Umrichters durchgeführt
wird, ist eine besonders sichere Abschaltung des Umrichters gewährleistet
(Funktion „sicherer
Betriebshalt" nach
EN954-1 Kategorie 3).
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Weiterhin
erweist es sich für
die Erfindung von Vorteil, wenn für die von der übergeordneten Steuerung
durchgeführte
Abschaltung des Antriebs, ein von der Regel- und Steuerungseinheit
des Antriebs unabhängiger
Signalpfad vorgesehen ist. Hierdurch ist auch im Falle einer Störung innerhalb
der Regel- und Steuerungseinheit des Antriebsgerätes ein sicheres Abschalten
des Antriebes sichergestellt.
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In
diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn als unabhängiger Signalpfad, eine
direkte Hardwire-Verbindung vorgesehen ist. Eine direkte Hardwire-Verbindung
hat gegenüber z.B.
einer Busverbindung den Vorteil einer höheren Zuverlässigkeit.
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Ferner
erweist es sich für
die Erfindung als vorteilhaft, wenn für den kreuzweisen Austausch
von Fehlerinformation und/oder Betriebsdaten zwischen übergeordneten
Steuerung und Antriebsgerät
ein Feldbus vorgesehen ist. Da die Steuerung und das Antriebsgerät ohnehin
zum Austausch von Daten mit einem Feldbus (z.B. Profibus) miteinander
verbunden sind, ist es besonders kostengünstig den Feldbus auch für den kreuzweisen
Austausch von Fehlerinformation und/oder Betriebsdaten zu verwenden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 ein
handelsübliches
Verfahren und handelsübliche
Vorrichtung zum sicheren Abschalten von Antrieben,
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2 das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum sicheren Abschalten von Antrieben und
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3 ein
Sinus-Cosinus-Geber
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In 1 ist
in Form eines Blockschaltbildes das handelsübliche Verfahren bzw. die handelsübliche Vorrichtung
zum sicheren Abschalten von Antrieben bei Werkzeug- oder Produktionsmaschinen
dargestellt. Da die Funktionsweise der Vorrichtung und des Verfahrens
schon in der Einleitung ausführlich beschrieben
wurden, wird an dieser Stelle nicht noch einmal auf 1 eingegangen.
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In 2 wird
in Form eines Blockschaltbildes das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum sicheren Abschalten von Antrieben bei Werkzeug- oder Produktionsmaschinen
dargestellt. 2 stimmt im wesentlichen bis
auf zwei signifikante Unterschiede mit 1 überein.
Die in 2 dargestellte Vorrichtung bzw. das in 2 dargestellte
Verfahren benötigt
gegenüber 1 keinen
zusätzlichen
TTL-Geber 20,
um ein sicheres Abschalten des Antriebes bei einem fehlerhaften
Gebersignal 11 zu gewährleisten.
Das Gebersignal 11 des Sinus-Cosinus-Gebers 8 besteht
dabei, wie schon gesagt, aus mehreren unabhängigen Einzelsignalen, insbesondere
einem sinusförmigen
Sinus-Signal und einem weiteren um 90° phasenverschobenen cosinusförmigen Cosinus-Signal.
Da das Sinus-Signal unabhängig
vom Cosinus-Signal erzeugt wird, wird ein Sinus-Cosinus-Geber häufig als zweikanaliger
Geber mit redundanten Signalen anerkannt.
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Genau
wie bei 1 wird bei 2 das
Gebersignal 11 von einer Signalerfassungseinheit 3 auf der
Interfacekarte 2 eingelesen. Gegenüber der Interfacekarte 2 gemäß 1,
besitzt die Interfacekarte 2 in 2, eine
von der Signalerfassungseinheit 3 vollkommen unabhängige TTL-Signalerzeugungseinheit 4.
Die TTL-Signalerzeugungseinheit 4 liest das Gebersignal 11 ein
und wandelt es in ein TTL-gewandeltes Gebersignal 12 nach
RS422 um, wobei sich das TTL-gewandeltes Gebersignal 12 ebenfalls wieder
aus mehreren binär
gewandelten Einzelsignalen zusammensetzt. Die TTL-Signalerzeugungseinheit 4 enthält unter
anderem hierzu z.B. zwei Schmitttrigger-Bausteine, die aus dem Sinus-Signal
und dem Cosinus-Signal des Gebersignals 11 jeweils getrennt
ein jeweiliges binäres
rechteckförmiges
Signal erzeugen. Das TTL-gewandelte TTL-Gebersignal 12 entspricht
dem TTL-Gebersignal 21 des originalen TTL-Gebers 20 von 1.
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Der
Interfacekarte 14 von 2 wird somit die
Existenz eines physikalisch vorhandenen TTL-Gebers vorgetäuscht. Ansonsten
entspricht die in 2 gezeigte Schaltung der in 1 gezeigten Schaltung.
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Es
existieren somit zwei voneinander unabhängige Gebersignalwege. Ein
erster Gebersignalweg setzt sich aus dem Signalweg vom Geber 8 bis zur
Regel- und Steuerungseinheit 5 zusammen, während ein
zweiter Signalweg sich aus dem Signalweg vom Geber 8 bis
zur Steuerungseinheit 16 zusammensetzt.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit, mit Hilfe einer geringen Modifikation der Interfacekarte 2,
den TTL-Geber 20 gemäß 1 einzusparen,
während der übrige Teil
der bewährten
Vorrichtung und des bewährten
Verfahrens zum sicheren Abschalten von Antrieben bei Werkzeug- oder
Produktionsmaschinen beibehalten werden kann.
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In 3 ist
in Form eines Blockschaltbildes ein Sinus-Cosinus-Geber 8,
der ein Gebersignal 11 ausgibt, welches sich aus einem
Sinus-Signal 23, einem Cosinus-Signal 24, zwei
Inkrementalsignalen 25 und 26 und einem Nullimpulssignal 27 zusammensetzt.
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Ein
Sinus-Cosinus-Geber kann z.B. in einer einfachen Ausführungsform
in Form eines Inkrementalgebers, mit einem sinusförmigen Ausgangssignal und
einem vom sinusförmigen
Ausgangssignal unabhängigen
cosinusförmigen
Ausgangssignal, vorliegen.
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Es
sei an dieser Stelle bemerkt, dass sich ein Antrieb aus einem Motor 7 und
einem dazugehörigen Umricher 6 zusammensetzt.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass als Werkzeugmaschinen z.B. ein-
oder mehrachsige Dreh-, Fräs-,
Bohr- oder Schleifmaschinen zu verstehen sind. Zu den Werkzeugmaschinen
werden auch noch Bearbeitungszentren, lineare und rotatorische Transfermaschinen,
Lasermaschinen oder Wälz-
und Verzahnmaschinen gezählt.
Allen gemeinsam ist, dass ein Material bearbeitet wird, wobei diese
Bearbeitung mehrachsig ausgeführt
werden kann. Zu den Produktionsmaschinen werden z.B. Textil-, Kunststoff-,
Holz-, Glas-, Keramik- oder Steinbearbeitungsmaschinen gezählt. Maschinen
der Umformtechnik, Verpackungstechnik, Drucktechnik, Fördertechnik, Pumpentechnik,
Lüftertechnik,
Hebewerkzeuge sowie Roboter gehören
ebenfalls zu den Produktionsmaschinen.