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Die Erfindung betrifft ein Antriebsmodul
für eine
Druckmaschine mit mehreren Antriebsachsen.
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Drucksysteme weisen mehrere Antriebsachsen
auf. Jede der Antriebsachsen wird bislang durch ein eigenes Antriebsmodul
angesteuert. Ein Antriebsmodul besteht i.d.R. aus einer Regelungseinheit
und einem Leistungsteil und ist gewöhnlich über einen Feldbus mit einer
Zentraleinheit verbunden, die die Gesamtsteuerung des Systems, z.B.
die Befehlsvorgabe an die Antriebsachsen, übernimmt.
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Durch die Verschärfung von Sicherheitsbestimmungen
ist es notwendig, eine redundante Überwachung der Antriebsachsen
vorzusehen. Dies wurde bisher durch separate Zusatzmodule erreicht.
Diese Überwachungsmodule
besitzen einen redundanten Zugriff auf die Gebersignale des Motors.
Weiterhin werden den Überwachungsmodulen
die Signale von sicherheitsrelevanten Eingängen (Schutzgitter, Not-Aus,
...) zugeführt.
Eine in die Überwachungsmodule
integrierte Logik ermittelt aus den Eingangssignalen den erlaubten
Betriebszustand, überprüft dessen
Einhaltung durch die redundante Auswertung der Gebersignale und
sperrt ggfs. die Freigabe des Antriebes und / oder aktiviert die
Bremse.
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Das Vorsehen von separaten Zusatzmodulen
führt in
nachteiliger Weise zu einem zusätzlichen Verdrahtungsaufwand
und hohen Kosten für
die Antriebsmodule für
eine Antriebsachse.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
kostenoptimierte, skalierbare Ansteuerung für Antriebsachsen in einem Drucksystem
zu schaffen, welche über
eine integrierte einfehlersichere Überwachungseinheit verfügt.
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Diese Aufgabe wird durch das Steuermodul nach
Anspruch 1 sowie durch das Antriebssystem nach Anspruch 4 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Steuermodul für eine oder
mehrere steuerbare Antriebsachsen einer Druckmaschine vorgesehen.
Das Steuermodul besitzt eine Schnittstelle zur übergeordneten Steuerung sowie
Schnittstellen zu den intelligenten Leistungsteilen. Das Steuermodul
weist eine Antriebsrecheneinheit zum Steuern und Regeln der einen
oder mehreren Antriebsachsen sowie eine Überwachungsrecheneinheit zur Überwachung
der Bewegung der Antriebsachsen abhängig von den vorgegebenen Sicherheitseingangsdaten
auf.
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Bei der Erfindung ist daher ein Steuermodul vorgesehen,
das mehrere Antriebsachsen einer Druckmaschine steuern kann, wobei
mit Hilfe der Überwachungsrecheneinheit
eine redundante Überwachung
der Antriebe für
die mehreren Antriebsachsen sichergestellt ist. Dies hat den Vorteil,
dass weniger Steuermodule erforderlich sind als bei den bisherigen
Systemen, bei denen für
jede Antriebsachse eine Antriebsrecheneinheit vorgesehen war. Dies führt in vorteilhafter
Weise zu einer Reduzierung der Kosten und der Schnittstellen zur
Maschinensteuerung. Durch die Integration der Überwachungseinheit für n Achsen
in die Antriebssteuerung kann der Verdrahtungsaufwand reduziert
werden.
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Es ist vorgesehen die Überwachungseinheit so
zu gestalten, dass die Steuerung der Antriebsachsen durch die Antriebsrecheneinheit
abhängig
von den Sicherheitsdaten durch die Überwachungseinheit zu unterbrechen.
Auf diese Weise kann im Fehlerfall, der mit Hilfe der Sicherheitsdaten
ermittelt werden kann, der Antrieb durch die Überwachungsrecheneinheit stillgesetzt
werden. Hierzu wird die Überwachungseinheit
bei Installation der Maschine konfiguriert. Diese Konfiguration
wird bei der abschließenden
Sicherheitsabnahme überprüft und nicht
flüchtig
abgespeichert. Beim Einschalten der Maschine wird die aktuelle Konfiguration
mit dem abgenommenen Gutmuster verglichen und nur bei Gleichheit
ein Betrieb zugelassen. Bei Unterschieden in der Konfiguration ist
eine neue Sicherheitsabnahme erforderlich. Diese Konfiguration legt
nun die Programmierung der Logik und die Parametrierung der Überwachungen
auf dem Überwachungsmodul
fest. Die Sicherheitsdaten stehen in Form von Eingangsinformationen (Zustände über Not-Aus,
Schutzschalter, ...) dem Überwachungsmodul
direkt oder über eine
Datenschnittstelle (i.d.R. Feldbus) zur Verfügung. Anhand der Konfiguration
ist festgelegt, welche Informationen für den jeweiligen Zustand relevant
sind.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein,
dass das Steuermodul eine erste Datenschnittstelle und eine zweite
Datenschnittstelle aufweist, um die Befehle von der Maschinensteuerung über die
erste Datenschnittstelle und die Sicherheitsdaten über die
zweite Datenschnittstelle zu empfangen. Das Vorsehen von zwei Datenschnittstellen
ist vorteilhaft, um eine Trennung der Übertragungen der Betriebswegdaten
(Befehle) und der Sicherheitsdaten auch über den Datenbus zu gewährleisten,
so dass ein Fehler auf einem der Datenbusse nicht zu einem unsicheren
Zustand der Antriebe führt.
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Alternativ dazu kann auch vorgesehen
sein, die Betriebswegdaten und die Sicherheitssdaten über eine
gemeinsame Datenschnittstelle zu empfangen. Dies hat den Vorieil,
dass der Verdrahtungsaufwand noch weiter reduzieri werden kann.
Zusätzlich
müssen
dafür jedoch
Sicherungsmechanismen in die Übertragungsprotokolle
eingebaut werden, welche u.U. die Buslast erhöhen.
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Die digitale Schnittstelle des Steuermoduls zu
den intelligenten Leistungsteilen ist unabhängig von der eingesetzten Antriebstechnologie.
Da Drehzahl- und Stromregelung auf dem Leistungsteil erfolgen, werden
an die Übertragungsbandbreite
der Schnittstelle nur geringe Anforderungen gestellt.
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Weiterhin besteht durch die Unabhängigkeit der
Schnittstelle von der Antriebstechnologie die Möglichkeit sowohl Leistungsteile
für Drehfeldantriebe
als auch Leistungsteile für
DC- oder Schrittantriebe
an das Steuermodul anzuschließen.
Auf der Schnittstelle sind weiterhin die Signale für den auf dem
Steuermodul integrierten Überwachungsrechner
vorhanden um die entsprechenden Antriebe einfehlersicher (redundant)
zu überwachen.
Zusätzlich sind
die Leistungsteile mit dem Steuermodul durch eine Taktleitung synchronisieri.
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Die Anzahl der einem Steuermodul
zugeordneten intelligenten Leistungsteile kann in Abhängigkeit
von der Rechnerauslastung des Steuermoduls festgelegt werden. So
sind beispielsweise bei komplexen Algorithmen an einem Steuermodul
nur wenige Leistungsteile angeschlossen, während bei einfachen Algorithmen
viele Leistungsteile von einem Steuermodul gesteuert werden.
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Zusätzlich werden über die
Schnittstelle zum Leistungsteil Daten zur Erkennung und Parametrierung
des Leistungsteils und des Motors ausgetauscht. Die Parameter sind
hierbei nichtflüchtig
auf dem Leistungsteil bzw. im Motor hinterlegt und werden beim Einschalten
ausgewertet (Selbsterkennung). Damit wird insbesondere ein Tausch
der Komponenten im Servicefall stark vereinfacht.
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Diagnosedaten vom intelligenten Leistungsteil 5 werden über diese
Schnittstelle 6 zum Steuermodul 1 und von hier
an die Maschinensteuerung weitergeleitet.
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Weiterhin ist ein Software Update
des intelligenten Leistungsteils über diese Schnittstelle möglich.
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Die Leistungsteile weisen vorzugsweise
jeweils einen Leistungsversorgungsanschluss und einen Steuersignalanschluss
zur Ansteuerung der Antriebsmotoren auf.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt ein Steuermodul 1 für drei Antriebsachsen 2 einer
Druckmaschine. Die Antriebsachsen 2 können jeweils durch einen steuerbaren
Antriebsmotor 3 angetrieben werden. Jeder der steuerbaren
Antriebsmotoren wird über
eine Leitungsverbindung 4 von einem Leistungsteil 5 angesteuert.
Die Leitungsverbindung 4 dient dazu, Stellgebersignale
von dem Leistungsteil 5 an den Antriebsmotor 3 zu übertragen.
Die Antriebsmotoren 3 sind mit Sensoren (nicht gezeigt)
ausge stattet, um Position und/oder Geschwindigkeit der jeweiligen
Antriebsachse 2 über
die Leitungsverbindung das jeweilige Leistungsteil 5 an
das Steuermodul 1 zu übertragen.
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Jedes der Leistungsteile 5 erhält von dem Steuermodul 1 Sollwerte,
die zum Betreiben des jeweiligen Antriebsmotors 3 benötigt werden.
Zwischen dem Steuermodul 1 und den Leistungsteilen 5 besteht
eine weitere Leitungsverbindung 6, über die Steuerdaten sowie die
Spannungsversorgungen für die
Leistungsteil-Elektronik an das Leistungsteil 5 angelegt
werden. Darüber
hinaus können
Gebersignale, Signale zum Abschalten der Leistungsteile und eine
Achsencodierung von dem Leistungsteil 5 an das Steuermodul 1 zur
evtl. Übermittlung
an eine Zentraleinheit 7 übertragen werden. Zusätzlich besitzt
jedes Leistungsteil einen Leistungsversorgungsanschluss 15.
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Das Steuermodul 1 weist
eine Antriebssteuereinheit 12 auf, die die Steuerung der
Antriebsmotoren 3 gemäß von der
Zentraleinheit 7 vorgegebenen Ansteuerdaten vornimmt. Die
Ansteuerdaten sind Betriebsparameter, die die Art und Weise der
Ansteuerung der Antriebsmotoren aber auch Position und/oder Geschwindigkeit
der Antriebsmotoren vorgeben können.
Das Steuermodul 1 weist weiterhin eine Überwachungsrecheneinheit 13 auf,
die den ordnungsgemäßen Betrieb
der Antriebsachsen gemäß vorbestimmter
Sicherheitsbetriebsparameter überprüft. Die Überwachungsrecheneinheit
erhält über die
Leitungsverbindung 4 und die weitere Leitungsverbindung 6 von
den Sensoren der Antriebsmotoren Daten, die gemäß der Sicherheitsbetriebsparameter überprüft werden.
Die Sicherheitsbetriebsparameter werden von der Zentraleinheit 7 oder direkt
von den Eingangsmodulen geliefert und aktivieren beispielsweise Überwachungen
der Antriebe, welche im Fehlerfall das entsprechende Leistungsteil abschalten.
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Darüber hinaus können die
Sicherheitsbetriebsparameter auch angeben, dass ein Notaus anliegt,
bei dem die Antriebsachsen sofort gestoppt werden, d.h. der Nachlauf
der Antriebsachsen wird soweit möglich
vermieden. Darüber
hinaus können die
Sicherheitsbetriebsparameter auch vorgeben, dass die Bewegung der
Antriebsachsen gemäß einem
vorbestimmten Programm bis zum Stillstand verlangsamt werden, um
die Druckmaschine in geordneter Weise zum Stillstand zu bringen.
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Das Steuermodul 1 ist über einen
ersten Datenbus 8 und einen zweiten Datenbus 9 mit
der Zentraleinheit 7 verbunden. Der erste Datenbus 8 ist über eine
erste Datenschnittstelle 10 und der zweite Datenbus 9 über eine
zweite Datenschnittstelle 11 im Steuermodul 1 mit diesem
verbunden. Über
den ersten Datenbus 8 werden von der Zentraleinheit 7 Befehle
an das Steuermodul 1 gesendet. Diese Befehle dienen dazu,
Sollwerte für
die Antriebsachsen 2 vorzugeben. Solche Sollgrößen können beispielsweise Lagesollwerte
oder Drehzahlsollwerte oder Ähnliches
sein. Diese Ansteuerdaten werden im Steuermodul 1 an die
Antriebsrecheneinheit 12 geleitet, die die Steuerung bzw.
Regelung aller angeschlossenen Antriebsachsen übernimmt. Die Maximalanzahl
der ansteuerbaren Antriebsachsen ist von der Rechenleistung der
Antriebsrecheneinheit begrenzt.
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Über
den zweiten Datenbus 9 werden Sicherheitsdaten übertragen,
die von der Zentraleinheit 7 oder direkt von einem I/O-System 16 geliefert
werden. Die Sicherheitsdaten werden von der zweiten Datenschnittstelle 11 an
eine Überwachungsrecheneinheit 13 weitergeleitet.
Die Überwachungsrecheneinheit 13 überwacht
den ordnungsgemäßen Betrieb der
Antriebsachsen 2 gemäß vorbestimmter
Konfiguration. Die Überwachungsrecheneinheit 13 leitet
bestimmte Maßnahmen,
wie z.B. ein Not-aus, ein, wenn unzulässige Betriebszustände durch
die Sensoren in den Antriebsmotoren 3 gemeldet werden.
Die Überwachungsrecheneinheit 13 kann
die Antriebsachsen getrennt oder gemeinsam ansteuern, so dass bei
einem unerwarteten Zustand eine, mehrere oder alle Antriebsachsen
abgeschaltet werden.
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Das erfindungsgemäße Steuermodul 1 ermöglicht es,
mehrere Antriebsachsen 2 gemeinsam zu steuern. Das Steuermodul 1 ist
nur über
den ersten Datenbus 8 und den zweiten Datenbus 9 mit
der Zentraleinheit 7 und mit dem I/O-System 16 verbindbar,
so dass eine einzelne Verbindung zwischen den Antriebsachsen 3 bzw.
deren Antriebssteuerungen 5 und der Zentraleinheit 7 nicht
notwendig ist. Die dargestellte Konfiguration bestehend aus 3 Antriebsachsen
benötigt
dadurch nur 2 anstatt 6 Busanschlüsse. Bezüglich der ersten und zweiten
Datenbusse 8, 9 ist eine Reduzierung der Busknoten
möglich,
so dass mehr Antriebsachsen 2 über den ersten und den zweiten
Datenbus 8, 9 gesteuert werden können.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft,
dass im Steuermodul 1 nur einmalig die Versorgungsspannungen,
die für
alle Antriebsachsen 2 generiert werden müssen, bereitgestellt
werden.
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Die Antriebsmotoren 3 können in
beliebiger Antriebstechnologie realisiert sein (Asynchron bzw. Synchron,
Gleichstrom, Schrittantriebe, ...). Sind sie als sog. bürstenlose
Antriebsmotoren realisiert sind zusätzliche Sensoren als Stellgeber
zum Überwachen
der Antriebe nicht notwendig, da die Hall-Sensoren für die Motorkommutierung
redundant ausgewertet werden können,
um die Lage bzw. Drehzahl der Antriebsmotoren 3 zu erfassen.
Diese Gebersignale werden der Geberauswertung des intelligenten Leistungsteils 5 und
der Überwachungsrecheneinheit 13 über die
Schnittstelle 6 zur Verfügung gestellt.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist es, dass das Steuermodul 1 eine beliebige Anzahl
von Antriebsachsen steuern kann und somit nahezu beliebig skalierbar
ist, wobei die ansteuerbare Anzahl der Antriebsachsen von Aufgabe
und Rechenleistung der Antriebsrecheneinheit 12 abhängt.
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- 1
- Steuermodul
- 2
- Antriebsachse
- 3
- Antriebsmotor
- 4
- Leitungsverbindung
- 5
- Leistungsteil
- 6
- weitere
Leitungsverbindung
- 7
- Zentraleinheit
- 8
- erster
Datenbus
- 9
- zweiter
Datenbus
- 10
- erste
Datenschnittstelle
- 11
- zweite
Datenschnittstelle
- 12
- Antriebsrecheneinheit
- 13
- Überwachungsrecheneinheit
- 14
- Schnittstelle
- 15
- Leistungsversorgungsanschluss
- 16
- VO
System