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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch
1 sowie auf ein System gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 10.
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„Antriebe„ sind
im Sinne der Erfindung Antriebe oder Systeme unterschiedlichster
Art, beispielsweise Antriebe von Maschinen, Maschinenanlagen, Geräten, Fahrzeugen,
auch Antriebe zum Heben und/oder Bewegen von Lasten, Personen usw.
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Es
ist üblich,
bei derartigen Antrieben eine Notstoppfunktion vorzusehen, so dass
der betreffende Antrieb durch Aktivieren dieser Funktion aus jedem
aktuellen Betriebszustand (beispielsweise Geschwindigkeit) in den
Betriebszustand Stillstand übergeführt werden
kann, und zwar in einem zeitlichen Verlauf, der unter anderem durch
die Parameter (z. B. fest definierte und/oder aktuell gemessene
Parameter) des Antriebs bzw. eines Systems bestimmt ist.
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Aus
sicherheitsrelevanten Überlegungen
ist eine Überwachung
der Notstoppfunktion nach deren Aktivierung unerlässlich,
und zwar insbesondere dahingehend, ob nach der Aktivierung innerhalb
vorgegebener Grenzwerte tatsächlich
der Stillstand des Antriebs oder Systems erreicht ist. Bei bekannten Systemen
erfolgt die Überwachung
der Notstoppfunktion dadurch, dass festgestellt wird, ob nach dem Einleiten
der Notstoppfunktion der Stillstand des Antriebs innerhalb eines
vorgegebenen Zeitfensters erreicht ist. Ist dies nicht der Fall,
so werden nach Ablauf des Zeitfensters weitere Notmaßnahmen,
beispielsweise eine Notbremsung des Antriebs eingeleitet.
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Weiterhin
ist es auch üblich,
die Notstoppfunktion mit einer Vielzahl von Geschwindigkeitsüberwachungseinheiten
oder -sensoren zu überwachen,
die jeweils auf unterschiedliche Geschwindigkeitsgrenzwerte eingestellt
sind und die nach dem Einleiten der Notstoppfunktion in definierten
Zeitintervallen abgefragt werden und dann jeweils abhängig von
dem Über-
oder Unterschreiten des zugehörigen Grenzwertes
ein entsprechendes Überwachungssignal
liefern.
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Alle
bekannten Systeme haben aber den grundsätzlichen Nachteil einer hohen
Ungenauigkeit hinsichtlich der zu erwartenden Zeitdauer und Stoppdistanz
bis zum endgültigen
Stillstand des Antriebes. Diese Ungenauigkeit vergrößert sich
bei geregelten Antrieben, die zum Zeitpunkt des Auslösens der
Notstoppfunktion unterschiedlicher Betriebszustände, beispielsweise unterschiedliche
Geschwindigkeiten aufweisen können.
Bei der Auslegung von Antrieben und/oder Maschinen und/oder Anlagen
usw. müssen daher
bisher diese Ungenauigkeiten bei den nach dem Aktivieren der Notstoppfunktion
im schlechtesten Fall (Worst-Case) auftretenden Nachlaufwegen oder
Nachlaufzeiten berücksichtigt
werden, was sich unter anderem sehr negativ auf die Auslegung von Antrieben,
Maschinen, Anlagen, Geräten
usw. auswirkt.
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Bekannt
ist auch ein Verfahren zum Steuern eines elektrischen Antriebssystems
zum synchronen Verstellen mehrerer bewegter Funktionsteile und ihnen
zugeordneten Antriebseinheiten (
DE 197 16 457 C2 ). Zur Reduzierung des konstruktiven
und steuerungstechnischen Aufwandes sieht dieses bekannte Verfahren
vor, im Fehlerfall die Antriebsverbindungen zwischen den Funktionsteilen
und den zugehörigen Antriebseinheiten
jeweils nach einer gemeinsamen, fest vorgegebenen Auslauffunktion
abzuschalten.
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Bekannt
ist weiterhin eine Einrichtung zur Positionssteuerung eines Elektromotors
(
EP 0 135 754 B1 ),
wobei in Abhängigkeit
vom aktuellen Betriebszustand des Motors im Hinblick auf den Zielwert ein Überlauf
errechnet und der Anhaltvorgang bzw. eine diesen Vorgang definierende
Anhaltefunktion entsprechend korrigiert wird.
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In
Druckschrift
EP 0 743 579 ist
ein Verfahren zum Betrieb einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
oder eines Roboters bekannt geworden. Bei einem Abbremsvorgang,
der mit maximaler axialer Bremsbeschleunigung durchgeführt wird,
wird überprüft, ob der
Bremsvorgang noch innerhalb der durch eine Endlage vorgegebenen
Strecke zum Stehen kommt. Für
den Fall, dass dies nicht gewährleistet
werden kann, wird auf einen weiteren Verfahrensschritt umgeschaltet
und der Bremsvorgang mit maximaler Bremsbeschleunigung ausgeführt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches diese Nachteile
vermeidet. Zur Lösung
dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch
1 ausgebildet. Ein System ist entsprechend dem Patentanspruch 10
ausgeführt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
einem schematischen Blockdiagramm ein Gesamtsystem bestehend aus
dem Antrieb und einem Überwachungssystem
gemäß der Erfindung;
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2 ein
Geschwindigkeits-Zeitdiagramm bei einer Ausführungsform der Erfindung;
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3 ein
Geschwindigkeits-Zeitdiagramm wie 2, wobei
der Geschwindigkeitsverlauf im Falle eines Fehlverhaltens der Notstoppfunktion
dargestellt ist;
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4 und 5 jeweils
ein Geschwindigkeits-Zeitdiagramm zur Verdeutlichung des Verhaltens
eines herkömmlichen
Systems zur Überwachung
der Notstoppfunktion.
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In
den Figuren ist 1 ein Antrieb, beispielsweise einer Rotations-Druckmaschinenanlage,
dessen Geschwindigkeits- oder Weg-Zeitfunktion nach dem Betätigen eines
Notstopps 2 überwacht
wird, um unter anderem ein eventuelles fehlerhaftes Verhalten der
Notstoppfunktion frühzeitig
zu erkennen und bei einem erkannten Fehlverhalten dieser Notstoppfunktion
andere, geeignete Sicherheitsmaßnahmen
frühzeitig
einzuleiten.
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Zusätzlich zu
der die Notstoppfunktion 2 beispielsweise durch manuelle
Betätigung
auslösenden Einrichtung
weist das Überwachungssystem 3 unter anderem
als zentrale Komponente eine Überwachungs-
und Steuerelektronik 4 auf, der u. a. wenigstens einen
Speicher 5 zum Speichern von Daten, Parametern und/oder
Programmen, eine Datenschnittstelle 6 zur Übertragung
von Parameterdaten sowie Schnittstellen 8 für das Anschließen peripherer
Geräte
oder Komponenten, wie Geschwindigkeitsmess-Sensoren 9 und für das Ein-
und Auslesen von Daten in bzw. aus der Überwachungs- und Steuerelektronik zugeordnet sind.
Die Steuer- und Überwachungselektronik
ist beispielsweise ein Rechner.
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Zusätzlich zu
den vorgenannten Komponenten können
auch noch weitere Komponenten oder periphere Geräte zur Datenübertragung
oder -aufbereitung, zur Steuerung usw. vorgesehen sein.
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Mit 10 ist
in der 1 eine Funktionseinheit bezeichnet, die von dem Überwachungssystem 3 angesteuert
wird, und zwar zur Einleitung von weiteren Notmaßnahmen dann, wenn das Überwachungssystem 3 ein
Fehlverhalten der Notstoppfunktion ermittelt hat, beispielsweise
für das
zusätzliche
Aktivieren von Bremsen des Antriebs 1, für die Abgabe
von akustischen und/oder optischen Warnsignalen usw.
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Nach
dem Aktivieren der Notstoppfunktion 2 wird mit dem Überwachungssystem 3 an
Hand der von den Sensoren 9 gelieferten Daten der Geschwindigkeits/Zeitverlauf
des Antriebs 1, beispielsweise an wenigstens einer umlaufenden
Welle dieses Antriebs, z. B. entsprechend dem Geschwindigkeits-Zeitdiagramm
der 2 überwacht.
In diesem Diagramm sind auf der Abszisse die Zeit T beispielsweise
in Millisekunden und auf der Ordinate die Geschwindigkeit V des
Antriebs 1, beispielsweise in Metern/Sekunden angegeben.
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Unter
Berücksichtigung
von Maschinengrenzdaten oder -parametern, die für den Antrieb typisch und charakteristisch
sind, beispielsweise maximale Geschwindigkeit, maximale Beschleunigung, maximale Änderung
der Beschleunigung, Verlauf bzw. Form der Beschleunigungsänderung
usw. wird vom Überwachungssystem
eine in der 2 mit 11 bezeichnete Überwachungsgrenzkurve
generiert, und zwar beispielsweise als Datensatz vor der ersten Inbetriebnahme
des Systems oder aber neu vor jeder Inbetriebnahme des Systems.
Die Eingabe dieser Grenzparameter erfolgt beispielsweise einmal über die
Datenschnittstelle 6 und/oder durch die am Antrieb vorgesehenen
Signalgeber 9 bei einem entsprechendem Prüflauf des
Antriebs 1. Die Grenzparameter und/oder die Überwachungsgrenzkurve 11 werden
im Speicher 5 abgelegt.
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In
der 2 ist mit 12 weiterhin der Geschwindigkeitsverlauf
des Antriebs 1 dargestellt, und zwar für einem maximalen Betriebszustand
(z. B. maximaler Geschwindigkeit) und unter Berücksichtigung der zur Bildung
der Überwachungsgrenzkurve 11 verwendeten
Maschinenparameter, und zwar mit einem Abschnitt 12.1 konstanter
Geschwindigkeit bis zum Zeitpunkt T2, an dem die zum Zeitpunkt T1
aktivierte Notstoppfunktion wirksam wird. Ab dem Zeitpunkt T2 weist
der Geschwindigkeitsverlauf 12 den Abschnitt 12.2 auf.
Die Zeitdifferenz zwischen T1 und T2 dokumentiert die Zyklus- bzw.
Verzögerungszeit des
Steuerungssystems. Die Überwachungsgrenzkurve
verläuft
ab dem Zeitpunkt T2 bis zum endgültigen
Stillstand des Antriebes etwas oberhalb des Kurvenabschnitts 12.2.
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Da
der Antrieb 1 im normalen Betrieb zum Zeitpunkt T2 des
Wirksamwerdens der Notstoppfunktion 2 einen beliebigen,
von dem maximalen Betriebszustand abweichenden Betriebszustand aufweisen
kann, wird beim Aktivieren der Notstoppfunktion 2 vom System 3 unter
Berücksichtigung
der Überwachungsgrenzkurve 11 bzw.
des entsprechenden Datensatzes und der zum Zeitpunkt T2 von den Sensoren 9 detektierten
tatsächlichen
Betriebsparameter des Antriebes 1 bzw. des aktuellen Status
dieses Antriebs (z. B. aktuelle Geschwindigkeit und/oder aktuelle
Beschleunigung usw.) eine adaptierte Überwachungskurve 14 errechnet.
Der Geschwindigkeits-Zeitverlauf liegt bei dieser adaptierten Überwachungskurve 14 zum
Zeitpunkt T2, aber auch zu in vorgegebenen Abständen auf den Zeitpunkt T2 folgenden
Mess- oder Überwachungszeiten
TM unter dem Wert der Überwachungsgrenzkurve 11.
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Solange
der Verlauf 13 der detektierten Geschwindigkeit nach dem
Aktivieren der Notstoppfunktion unterhalb der adaptierten Überwachungsgrenzkurve 14 verbleibt,
stellt das System 3 ein einwandfreies Funktionieren der
Notstoppfunktion fest. Wird die adaptierte Überwachungsgrenzkurve 14 von
dem detektierten, d. h. den Sensoren 9 festgestellten Geschwindigkeitsverlauf überschritten,
so werden über die
Einrichtung 10 weitere Notmaßnahmen, beispielsweise eine
Notbremsung des Antriebs 1 unmittelbar eingeleitet, so
dass es auch in diesem Fall zu einem frühzeitigen Stillstand des Antriebs 1 kommt.
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Bei
einem maximalen Betriebszustand des Antriebs 1 ist die
adaptierte Überwachungskurve gleich
der Überwachungskurve 11.
In der 3 ist für einen
solchen extremen Betriebszustand die Situation dargestellt, dass
trotz Auslösen
der Notstoppfunktion der Antrieb mit unverminderter Geschwindigkeit V
weiterläuft
(Abschnitt 15.1 der Kurve 15) und dadurch an dem
Zeitpunkt TM1 die durch den Verlauf der Überwachungsgrenzkurve 11 vorgegebene
Geschwindigkeit V überschritten
ist. Durch entsprechende Maßnahmen
wird dann der Antrieb 1 abgebremst, so dass die Geschwindigkeit
des Antriebs entsprechend dem Kurvenabschnitt 15.1 bei
der angenommenen Darstellung linear abfällt, bis die Geschwindigkeit
des Antriebs den Wert Null erreicht hat, und zwar zu einem Zeitpunkt
T3, der bei der dargestellten Ausführungsform noch vor dem Zeitpunkt
T4 liegt, an dem bei einem ordnungsgemäßen Funktionieren der Notstoppfunktion
die Geschwindigkeit des Antriebes 1 den Zustand Null erreicht
hätte (hierzu
auch Verlauf 15.2).
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Die 4 verdeutlicht
in einem Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm das Verhalten eines herkömmlichen
Systems zur Überwachung
der Notstoppfunktion. Es wird wiederum davon ausgegangen, dass die
Notstoppfunktion zum Zeitpunkt T1 aktiviert und dann mit gewisser,
systembedingter Verzögerung
zum Zeitpunkt T2 eingeleitet wird. Die Geschwindigkeit des Antriebs
ist mit der Kurve 16 wiedergegeben, wobei der Abschnitt 16.1 wiederum
der Geschwindigkeitsverlauf vor dem Einleiten der Notstoppfunktion
ist. Bei einem ordnungsgemäßen Funktionieren
der Notstoppfunktion reduziert sich die Geschwindigkeit entsprechend
dem Kurvenabschnitt 16.2.
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Bei
dem bekannten System erfolgt kein Abfragen von Geschwindigkeitsgrenzwerten,
sondern nur eine Überwachung
dahin gehend, dass der Antrieb spätestens zum Zeitpunkt T3 den
Stillstand erreicht hat, d. h. es wird nach Ablauf einer fest eingestellten
Zeit ein Stillstandswächter
bzw. ein Sensor mit festem Geschwindigkeitsgrenzwert nahe Null aktiviert.
Liegt die tatsächliche
Geschwindigkeit zum Zeitpunkt T3 höher als dieser feste Geschwindigkeitsgrenzwert,
erfolgt ein Einleiten von Notmaßnahmen,
beispielsweise eine Notbremsung. Bei der 4 wird davon
ausgegangen, dass der Antrieb durch ein Fehlverhalten nach dem Einleiten
der Notstoppfunktion mit unverminderter Geschwindigkeit weiterläuft und
zwar entsprechend dem Kurvenabschnitt 16.3. Hierbei wird
erst zum Zeitpunkt T3 die Überschreitung
der zulässige
Geschwindigkeit festgestellt. Nach einer systembedingten Verzögerung wird
dann die Notfunktion eingeleitet. Damit kommt es erst ab dem Zeitpunkt
T4 zu einem Abbremsen des Antriebs durch die Notfunktion, so dass
der Antrieb letztendlich erst am Zeitpunkt TS steht. Also zu einem
Zeitpunkt der weit nach dem Zeitpunkt T6 für den normalen Nothalt liegt. 5 zeigt
ebenso die Funktionsweise eines herkömmlichen Überwachungssystems auf. Auch
hier wird zum Zeitpunkt T1 eine Notstoppfunktion aktiviert, welche
nach systembedingter Verzögerung
zum Zeitpunkt T2 wirksam wird. In der Kurve 17 ist das
Geschwindigkeitsverhalten des Antriebes, ausgehend von max. Geschwindigkeit
aufgezeigt. Die Kurve 18 zeigt das Verhalten bei Aktivieren
einer Notstoppfunktion ausgehend von einer reduzierten Geschwindigkeit.
Bei einer ordnungsgemäßen Funktion
des Notstops folgt der Antrieb der Kurve 17.2, ausgehend
von max. Geschwindigkeit bzw. 18.2, ausgehend von reduzierter
Geschwindigkeit.
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Das
als bekannt vorausgesetzte System unterscheidet sich von den in 4 dargestellten
durch das Abfragen mehrerer Sensoren mit festen, nach unten gestaffelten
Geschwindig-keitsgrenzwerten. Diese festen Grenzwerte VG1 bis VG3
werden jeweils zu den Zeitpunkten TS1 bis TS3 aktiviert und sind
in ihrer Höhe
und Zeitpunkt dem erwarteten Ge-schwindigkeitsverlauf bei korrekter
Notstoppfunktion, ausgehend von max. Geschwindig-keit angepasst.
Dieses System erkennt fehlerhafte Zustände früher als dasjenige in 4.
Die Kurve 17 zeigt das Verhalten bei max. Geschwindigkeit.
Wird hier fehlerhaft die Geschwindigkeit auch nach Aktivierung des Notstops
nicht reduziert, wird dies zum Zeitpunkt TS1 erkannt und nach Ablauf
einer systembedingten Verzögerungszeit
zum Zeitpunkt TS1.1 eine Notfunktion z. B. Notbremsung aktiviert.
Der Antrieb kommt damit zum Zeitpunkt TS zum Stehen. Es zeigt aber
deutliche Schwächen
bei einer variablen Geschwindigkeit des Antriebes, d. h. bei einer
reduzierten Geschwindigkeit zum Zeitpunkt des Auslösens der
Notstoppfunktion.
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Ausgehend
von einer reduzierten Geschwindigkeit wird bei einem Fehlverhalten
des Antriebes nach Auslösen
der Notstoppfunktion dies erst nach Aktivieren der Schwelle VG3
zum Zeitpunkt TS3 erkannt und die Notabschaltung somit erst zum
Zeitpunkt TS3.1 aktiviert. Der Antrieb kommt somit auch erst zum
deutlich gegenüber
T6 verschobenen Zeitpunkt T7 zum Stillstand. Die abgestufte Überwachung
dieses herkömmlichen
Systems verliert seine Wirkung bei reduzierter und/oder variabler
Geschwindigkeit
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Durch
die Erfindung und insbesondere auch durch dynamische Anpassung der
adaptierten Grenzkurve 14 an den jeweiligen aktuellen Status des
Antriebes 1 wird dieser Nachteil einer extrem langen Zeit
für das
Stillsitzen des Antriebs bei einem Fehlverhalten der Notstoppfunktion
wirksam vermieden.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind,
ohne dass dadurch der die Erfindung tragende Gedanke verlassen wird.
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So
ist das erfindungsgemäße System
für die Überwachung
der Notstoppfunktion unterschiedlichster Antriebe oder Antriebssysteme
geeignet und keineswegs auf das obige Beispiel eines Antriebs für eine Rotationsdruckpresse
oder -anlage beschränkt. Weiterhin
wurde voranstehend die Überwachung
der Notstoppfunktion anhand des zeitlichen Verlaufs der Geschwindigkeit
beschrieben. Selbstverständlich kann
auch ein anderer aktueller Parameter des jeweiligen Antriebs oder
Anriebssystems, dessen zeitliche Änderung ein Kriterium für das Funktionieren
oder Fehlverhalten der Notstoppfunktion darstellt, beispielsweise
der zeitliche Verlauf eines Weges und/oder der zeitliche Verlauf
einer Beschleunigung des Antriebes usw. überwacht werden.
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- 1
- Antrieb
- 2
- Notstoppfunktion
- 3
- Überwachungssystem
für die
Notstoppfunktion
- 4
- Überwachungs-
und Steuerelektronik
- 5
- Speicher
- 6
- Datenschnittstelle
- 8
- Schnittstelle
- 9
- Sensor
- 10
- Einrichtung
zum Auflösen
einer Notfunktion
- 11
- Überwachungsgrenzkurve
- 12
- Verlauf
der Geschwindigkeit bei maximalem Betriebszustand des Antriebs
- 12.1
- zeitlicher
Verlauf vor dem Einleiten der Notstoppfunktion
- 12.2
- zeitlicher
Verlauf nach dem Einleiten der Notstoppfunktion
- 13
- zeitlicher
Verlauf der aktuellen bzw. detektierten Geschwindigkeit des Antriebs
- 13.1
- zeitlicher
Verlauf vor dem Einleiten der Notstoppfunktion
- 13.2
- zeitlicher
Verlauf nach dem Einleiten der Notstoppfunktion
- 14
- adaptierte Überwachungsgrenzkurve
- 15
- zeitlicher
Verlauf der aktuellen Geschwindigkeit
- 15.1
- zeitlicher
Verlauf vor dem Einleiten der Notstoppfunktion
- 15.2
- zeitlicher
Verlauf nach dem Einleiten der Notstoppfunktion bei ordnungsgemäßem Funktionieren
diese Funktion
- 15.3
- zeitlicher
Verlauf nach dem Überschreiten
der Überwachungsgrenzkurve
und dem Einleiten einer Notbremsung
- 16
- zeitlicher
Verlauf der Geschwindigkeit eines Antriebs
- 16.1
- zeitlicher
Verlauf vor dem Einleiten einer Notstoppfunktion
- 16.2
- erwarteter
zeitlicher Verlauf nach dem Einleiten der Notstoppfunktion
- 16.3
- zeitlicher
Verlauf bei einem Fehlverhalten der Notstoppfunktion und bei anschließender Notbremsung
des Antriebs
- T1
- Zeitpunkt
der Aktivierung der Notstoppfunktion
- T2
- Zeitpunkt
der Einleitung der Notstoppfunktion
- T3
- Zeitpunkt
des Antriebsstillstandes bei Notbremsung
- T4
- Zeitpunkt
des Stillstandes des Antriebs bei normalen Verlauf der Notsoppfunktion
- TS1–TS6
- Zeitpunkt
- TM
- Messzeitpunkt