DE19626287A1 - Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die elektrische Antriebstechnik. Sie geht aus von
einem Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems nach dem Oberbe
griff des ersten Anspruchs. Die Erfindung betrifft im weiteren eine Vor
richtung zur Durchführung des Verfahrens.
Anwendungsgebiete der Erfindung sind beispielsweise Werkzeugmaschi
nen und Rotationsdruckmaschinen. Eine bevorzugte Anwendung sind Ro
tationsdruckmaschinen für den Zeitungsdruck mit einer Vielzahl von ein
zeln angetriebenen Druckzylindern und mit flexiblen Produktionsmög
lichkeiten.
Ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. Vorrichtung ist aus dem Skriptum
des Vortrages gehalten an dem "Ifra"-Seminar, 21. und 22. Mai 1996 von
Juha Kankainen, Honeywell Oy, Varkaus, Finnland bekannt. Es wird
dort ein wellenloses Antriebssystem vorgestellt, bei dem mehrere An
triebsgruppen vorgesehen sind, wobei jede Antriebsgruppe eine Antriebs
steuerung und mindestens einen Antrieb umfaßt. Der Antrieb seinerseits
umfaßt einen Antriebsregler und mindestens einen Motor. Die Antriebs
regler sind über einen Antriebsbus (im erwähnten Dokument als
"vertikaler SERCOS-Ring" bezeichnet) untereinander verbunden. Die An
triebssteuerungen (als "Prozeßstation" bezeichnet) sind über ein eigenes
Antriebsdatennetz in Form eines Ringes verbunden. Die Antriebssteue
rungen sind mit übergeordneten Steuereinheiten verbunden. Nach dem
SERCOS-Standard werden die Antriebe über einen lokalen Synchronisa
tionstakt synchronisiert.
Ein weiteres Konzept für ein wellenloses Antriebssystem in Form einer
Rotationsdruckmaschine ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 42
14 394 A1 bekannt. Die in dieser Schrift offenbarte Rotationsdruckma
schine stellt ein Antriebssystem dar, das mindestens zwei Antriebsgrup
pen, in der Form von einzeln angetriebenen Druckstellengruppen umfaßt.
Die Antriebsgruppen weisen eine Antriebssteuerung und minde
stens einen Antrieb, bestehend aus einem Motor und einem Antriebsreg
ler, auf. Die Antriebsgruppen erhalten ihre Positionsreferenz (Leitachse)
direkt von dem Falzapparat. Die Antriebsregler der Antriebsgruppen sind
ebenfalls über einen Antriebsbus verbunden. Die Antriebssteuerungen
sind über einen Datenbus untereinander und mit einer Bedienungs- und
Datenverarbeitungseinheit verbunden. Über diesen Datenbus erfolgt die
Vorgabe von Sollwerten und die Verwaltung der Druckstellengruppen.
Die Antriebsregler eines derartigen Antriebssystems ermöglichen eine
Drehmomentenregelung, Geschwindigkeitsregelung (Drehzahlregelung)
oder Positionsregelung (Winkellageregelung) der angetriebenen Achse.
Bei hohen Anforderungen nach winkelsynchronem Gleichlauf, wie sie bei
spielsweise bei Antriebssystemen in Werkzeugmaschinen und in Druck
maschinen bestehen, werden bevorzugt Positionsregelungen
(Winkellageregelungen) verwendet.
Die digitalen Antriebsregler sind bevorzugt mit schnellen digitalen Si
gnalprozessoren ausgestattet. Solche schnellen digitalen Antriebsregler
können einen Regelungszyklus bei Positionsregelung in sehr kurzer Re
chenzeit ausführen, bevorzugt in 250 µs oder in kürzerer Zykluszeit.
In solchen Antriebssystemen werden bevorzugt Drehstrommotoren einge
setzt. Die elektrische Antriebsenergie wird dem einzelnen Motor über eine
Leistungselektronikschaltung, bevorzugt mit Frequenzumrichterfunktion
zugeführt. Die Leistungselektronikschaltung wird vom digitalen Antriebs
regler angesteuert.
Die einzelnen Antriebe sind mit hochgenauen Istwertgebern ausgestattet,
bevorzugt optoelektronischen Positionsgebern. Die Signalauflösungen sol
cher bekannten, hochgenauen Istwertgeber liegen im Bereich von über
1′000′000 Punkten pro Umdrehung (360°). Die praktisch nutzbaren Meßgenauigkeiten
der bekannten Istwertgeber liegen im Bereich von mehr als
100′000 Punkten pro Umdrehung (360°).
Der Istwertgeber für den einzelnen Antrieb ist oft auf der Motorachse an
gebracht. Es sind aber auch Anordnungen bekannt, bei denen ein Istwert
geber an der vom Motor angetriebenen Last angebracht ist. Zum Beispiel
ist es bei Druckmaschinen vorteilhaft, einen hochauflösenden Positions
geber am drehmomentenfreien Ende des angetriebenen Druckzylinders
anzubringen.
Entscheidend für den hochgenauen Gleichlauf mehrerer positionsgeregel
ter Einzelantriebe ist die genaue Synchronisation der Antriebe über einen
gemeinsamen Takt und die zyklische Belieferung mit Positionssollwerten
im vorgegebenen Taktrahmen.
Der gemeinsame Takt stellt sicher, daß die einzelnen Antriebsregler ihre
Positionsregelungsfunktionen zeitlich exakt synchron (zeitgleich) ausfüh
ren und dabei die vorgegebenen Positionssollwerte zeitlich konsistent
(zeitgleich) auswerten.
Es sind Antriebssysteme bekannt, bei denen eine Anzahl von Einzelan
trieben von einer zentralen Antriebssteuerung über einen schnellen An
triebsbus mit einem gemeinsamen Synchronisationstakt und mit Soll
wertdaten beliefert werden.
Die Datenübertragung erfolgt bevorzugt nach den Vorgaben des SERCOS-
Standard. Der SERCOS-Standard ist eine von mehreren Antriebsherstel
lern vereinbarte Datenschnittstelle, welche die Synchronisation und die
Sollwertübertragung für die Antriebe einer Antriebsgruppe unterstützt.
Zu SERCOS-Standard siehe: "Kurzübersicht der Produkte mit SERCOS-
Interface", 2. Auflage, Oktober 1995, Fördergemeinschaft SERCOS inter
face e.V., Im Mühlefeld 28, D-53123 Bonn; oder "SERCOS interface, Digi
tale Schnittstelle zur Kommunikation zwischen Steuerungen und Antrie
ben in numerisch gesteuerten Maschinen", Update 9/91, Fördergemein
schaft SERCOS interface e.V., Pelzstraße 5, D-5305 Alfter/Bonn.
Der Antriebsbus ist dabei bevorzugt als ringförmige Glasfaserverbindung
realisiert. Die Datenübertragung wird dabei von einer zentralen Haupt
station (Busmaster) gesteuert und koordiniert. Die an die ringförmige Da
tenleitung angeschlossenen einzelnen Antriebe sind Unterstationen, d. h.
Slaves, bei der Datenübermittlung. Die einzelnen Antriebe erhalten einen
gemeinsamen Synchronisationstakt und ihre Sollwertdaten von der zen
tralen Antriebssteuerung über den Antriebsbus. Die zentrale Antriebs
steuerung erzeugt den gemeinsamen Synchronisationstakt und berechnet
die Sollwerte für die einzelnen Antriebe der Antriebsgruppe. Die An
triebssteuerung liefert dabei in kurzen Zykluszeiten jeweils neue Sollwer
te für die einzelnen Antriebsregler. Bevorzugte Zykluszeiten für die Über
tragung des gemeinsamen Synchronisationstaktes und für die Berech
nung und die Übertragung der Sollwerte der einzelnen Antriebe einer An
triebsgruppe sind beim SERCOS-Standard 62 µs, 125 µs, 250 µs, 500 µs,
1 ms, 2 ms, 3 ms, . . . 63 ms, 64 ms oder 65 ms.
Mit derartigen Antriebssystemen sind recht hohe Gleichlaufgenauigkeiten
zwischen den Antrieben einer Antriebsgruppe realisierbar. Es lassen sich
mechanische Synchronwellen und mechanische Getriebe durch elektro
nisch synchronisierte Gruppen von Einzelantrieben ersetzen. Derartige
Antriebssysteme mit elektronischer Synchronisation der Einzelantriebe
ermöglichen somit elektronische Synchronwellen und elektronische Ge
triebefunktionen.
Mit derartigen Antriebssystemen können beispielsweise Rotationsdruck
maschinen mit einzeln angetriebenen Druckzylindern - ohne mechanische
Synchronwellen - realisiert werden (siehe z. B. die eingangs genannte Of
fenlegungsschrift und das Vortragsskriptum).
Rotationsdruckmaschinen für den Mehrfarbendruck mit einzeln angetrie
benen Druckzylindern stellen besonders hohe Anforderungen an den win
kelsynchronen Gleichlauf der einzelnen Antriebe. Beim Vierfarbendruck
sind oft Gleichlaufgenauigkeiten der einzelnen Druckzylinder in der Größenordnung
von 10 µm gefordert. Bei einem Druckzylinderumfang von
z. B. 1 m bedeutet dies, daß eine Positionsmessung und Positionsregelung
mit einer Genauigkeit von besser als 100′000 Punkten pro Zylinderum
drehung (360°) erfolgen muß. Bei Druckgeschwindigkeiten
(Papierbahngeschwindigkeiten) von mehr als 10 m/s bedeutet dies weiter
hin, daß der zeitliche Synchronisationsfehler zwischen den einzelnen An
trieben der auf eine Papierbahn druckenden Zylinder (nach der Formel
Zeit = Weg / Geschwindigkeit = 10 µm / 10 m/s = 1 µs) kleiner als 1 µs sein
muß.
Das bedeutet, daß die einzelnen Antriebsregler bei ihren Positionsrege
lungen mit einer zeitlichen Genauigkeit von besser als 1 µs über den An
triebsbus synchronisiert werden müssen.
Mit den genannten Antriebssystemen und der Synchronisation und der
Sollwertbelieferung der Einzelantriebe über eine ringförmige Glasfaser
verbindung nach den Vereinbarungen des SERCOS-Interface lassen sich
diese Anforderungen lediglich für Antriebsgruppen mit einer begrenzten
Anzahl von Einzelantrieben erreichen.
Durch die zentralen, gemeinsamen Einrichtungen, Antriebssteuerung und
Antriebsbus, ergeben sich aber bestimmte Engpässe und Nachteile, die
sich mit wachsender Anzahl von Antrieben in der Antriebsgruppe zuneh
mend negativ auswirken. Die wichtigsten Begrenzungen und Nachteile
sind die folgenden:
Mit steigender Anzahl von Antrieben wächst generell der Synchronisati onsfehler der Datenleitung. Bei einer ringförmigen Glasfaserverbindung mit Datenübertragungsfunktionen, beispielsweise nach den Vereinbarun gen des SERCOS Interface, gilt folgendes für das Anwachsen des Syn chronisationsfehlers: Bei jedem an den Glasfaserring angeschlossenen An triebsregler erfolgt eine zeitdiskrete Signalabtastung mit einer bestimm ten Abtastperiode, zum Beispiel 30 ns. Das durch zeitdiskrete Abtastung beim Empfänger reproduzierte binäre Signal kann somit maximal um die Abtastperiode, z. B. 30 ns, zeitlich zittern (auf der Zeitachse gegenüber dem Originalsignal beim Sender). Somit kommt es bei jedem Teilnehmer, d. h. Antrieb, zu einem zeitlichen Abtastfehler der sich als Jitter (zeitliches Zit tern) bemerkbar macht. Dieser Abtastfehler (Jitter) betrifft auch den ge meinsamen Synchronisationstakt. Der Abtastfehler macht sich deshalb als Synchronisationsfehler bemerkbar. Das abgetastete Signal wird im einzelnen Antrieb verwendet und - nach entsprechender Regeneration des Signals - auch an den jeweils nächsten Antriebsregler im Glasfaserring weitergegeben. Entsprechend der Anzahl von Antrieben am Glasfaserring summieren sich die Synchronisationsfehler (Jitter) der einzelnen Teil nehmer zu einem Gesamtfehler. Zum Beispiel bei 33 Antrieben am Glas faserring mit je 30 ns Abtastfehler ergibt sich ein Gesamtsynchronisations fehler von ca. 1 µs.
Mit steigender Anzahl von Antrieben wächst generell der Synchronisati onsfehler der Datenleitung. Bei einer ringförmigen Glasfaserverbindung mit Datenübertragungsfunktionen, beispielsweise nach den Vereinbarun gen des SERCOS Interface, gilt folgendes für das Anwachsen des Syn chronisationsfehlers: Bei jedem an den Glasfaserring angeschlossenen An triebsregler erfolgt eine zeitdiskrete Signalabtastung mit einer bestimm ten Abtastperiode, zum Beispiel 30 ns. Das durch zeitdiskrete Abtastung beim Empfänger reproduzierte binäre Signal kann somit maximal um die Abtastperiode, z. B. 30 ns, zeitlich zittern (auf der Zeitachse gegenüber dem Originalsignal beim Sender). Somit kommt es bei jedem Teilnehmer, d. h. Antrieb, zu einem zeitlichen Abtastfehler der sich als Jitter (zeitliches Zit tern) bemerkbar macht. Dieser Abtastfehler (Jitter) betrifft auch den ge meinsamen Synchronisationstakt. Der Abtastfehler macht sich deshalb als Synchronisationsfehler bemerkbar. Das abgetastete Signal wird im einzelnen Antrieb verwendet und - nach entsprechender Regeneration des Signals - auch an den jeweils nächsten Antriebsregler im Glasfaserring weitergegeben. Entsprechend der Anzahl von Antrieben am Glasfaserring summieren sich die Synchronisationsfehler (Jitter) der einzelnen Teil nehmer zu einem Gesamtfehler. Zum Beispiel bei 33 Antrieben am Glas faserring mit je 30 ns Abtastfehler ergibt sich ein Gesamtsynchronisations fehler von ca. 1 µs.
Mit steigender Anzahl Antriebe im Ring nimmt auch die benötigte Zykluszeit
für die Datenübertragung zu. Wenn zum Beispiel pro Antrieb ei
ne Datenübertragungszeit von 250 µs benötigt wird, so bedeutet das bei
Anschluß von 32 Antrieben an einen Ring, daß die Zykluszeit für die Da
tenübertragung mindestens 8 ms betragen muß. Ein Ansteigen der Zy
kluszeit für die Übertragungszyklen bedeutet auch längere Zeitabstände
zwischen den einzelnen Synchronisationstakten - im genannten Beispiel
sind das 8 ms. Zwischen aufeinanderfolgenden Synchronisationstakten des
Ringes laufen die lokalen Taktgeneratoren der einzelnen Antriebe frei -
und wandern (driften) dabei entsprechend der Ungenauigkeit der ver
wendeten Quarze mehr oder weniger auseinander.
Wenn der lokale Taktgenerator eines Antriebes zum Beispiel mit einem
Quarz der Qualität 100 ppm (parts per million) ausgestattet ist, so kann
dieser Taktgenerator auf Grund seiner Ungenauigkeit nach 8 ms eine
zeitliche Abweichung von (plus oder minus) 0,8 µs aufweisen. Die zeitliche
Abweichung zwischen zwei beliebigen Antrieben, die durch die Ungenau
igkeit der beiden lokalen Taktgeneratoren verursacht wird, ist die Summe
der Ungenauigkeiten der beiden Taktgeneratoren, zum Beispiel (2*0,8 µs)=1,6 µs.
Das Wegwandern (Driften) der lokalen Taktgeneratoren der einzelnen
Antriebe zwischen 2 aufeinanderfolgenden Synchronisationstakten des
Ringes macht sich als zusätzlicher Synchronisationsfehler bemerkbar, da
die einzelnen Antriebsregler während eines Datenübertragungszyklus,
von beispielsweise 8 ms, mehrere Regelungszyklen durchführen.
Bei einem Regelungszyklus im Antrieb von z. B. 250 µs und einem Daten
übertragungszyklus von z. B. 8 ms auf dem Ring führt der Antrieb wäh
rend eines Datenübertragungszyklusses 32 Regelungsvorgänge durch.
Nur der erste Regelungsvorgang ist dabei streng mit dem Synchronisati
onstakt des Ringes synchronisiert. Bei den folgenden 31 interpolierenden
Regelungsvorgängen erfolgt die zeitliche Steuerung über den lokalen
Taktgenerator des Antriebes. Die Ungenauigkeit der lokalen Taktgenera
toren der einzelnen Antriebe macht sich bei den interpolierenden Rege
lungsvorgängen als zusätzlicher Synchronisationsfehler bemerkbar.
Mit ansteigender Anzahl von Antrieben am Ring nimmt also die Zyklus
zeit der Datenübertragung zu und damit der zeitliche Abstand aufeinan
derfolgender Synchronisationstakte, und mit ansteigendem zeitlichen Ab
stand aufeinanderfolgender Synchronisationstakte vergrößert sich das
Auseinanderwandern (Driften) der lokalen Taktgeneratoren (Quarze) der
einzelnen Antriebe. Damit wächst der Synchronisationsfehler und die
Präzision der Positionsregelung erreicht die geforderten Werte nicht
mehr.
Die an einen schnellen Antriebsbus angeschlossenen Antriebsregler erhal
ten von der zentralen Antriebssteuerung, welche auch Master bei der Da
tenübertragung ist, nicht nur den gemeinsamen Synchronisationstakt,
sondern auch die Sollwertdaten. Mit steigender Anzahl von Antrieben
wächst die benötigte Zeit für die Sollwertberechnungen und Sollwertüber
tragungen. Mit steigender Anzahl von Antrieben wächst die Belastung der
zentralen Antriebssteuerung durch die zyklischen Sollwertberechnungen.
Die zentrale Antriebssteuerung beliefert die angeschlossenen Antriebe
zyklisch mit neuen, individuellen Sollwerten und mit einem gemeinsamen
Synchronisationstakt. Die Zykluszeiten für die Sollwertberechnungen und
den gemeinsamen Synchronisationstakt liegen bevorzugt in der Größen
ordnung von 1 ms.
Mit ansteigender Anzahl von angeschlossenen Antrieben wächst der Zeit
aufwand für die Sollwertberechnungen in der zentralen Antriebssteue
rung. Zum Beispiel bei einer Rechenzeit von 250 µs für die Sollwerte eines
Antriebs und bei 32 angeschlossenen Antrieben muß die Zykluszeit der
Sollwertberechnungen in der Antriebssteuerung mindestens 8 ms betra
gen. Dies stellt eine enorme Rechenbelastung der zentralen Antriebs
steuerung dar, die ihrerseits wieder die Anzahl angeschlossener Antriebe
limitiert.
Mit steigender Anzahl von Antrieben wachsen die Auswirkungen eines
einzelnen Fehlers in der zentralen Antriebssteuerung oder im Antriebs
bus.
Die ringförmige Glasfaserverbindung nach dem SERCOS-Standard ist
nicht redundant aufgebaut und auch die Antriebssteuerung, welche
gleichzeitig Master bei der Datenübertragung ist, ist nicht redundant auf
gebaut. Bei einem Fehler in der zentralen Antriebssteuerung oder bei ei
nem Fehler im Antriebsbus fallen somit alle angeschlossenen Antriebe
aus.
In industriellen Produktionsanlagen ist es oft gefordert, die Auswirkun
gen einzelner Fehler auf eine eng begrenzte Umgebung einzuschränken.
Ein einzelner Fehler in der Elektronik darf zum Ausfall einer bestimmten
Funktionseinheit führen, aber keinesfalls zum Ausfall einer ganzen Pro
duktionsanlage.
Im Druckmaschinenbau wird es zum Beispiel weitgehend toleriert, daß
ein einzelner Fehler in der Antriebselektronik zum Ausfall einer Funkti
onseinheit, z. B. einer Druckeinheit mit 8 Druckzylindern, führt. Nicht
tolerierbar ist, daß ein Fehler in der Antriebssteuerung oder im An
triebsbus zum Ausfall einer ganzen Produktionsanlage, z. B. einer ganzen
Zeitungsdruckanlage, führt.
Die Anzahl der an eine Antriebssteuerung und einen Antriebsbus anzu
schließenden Antriebe sollte deshalb aus Verfügbarkeitsgründen bevor
zugt auf eine bestimmte Anzahl begrenzt sein, so daß ein Ausfall des An
triebsbusses oder der Antriebssteuerung nur Auswirkungen auf eine ein
zelne Funktionseinheit einer industriellen Anlage hat, z. B. auf eine Druck
einheit einer Zeitungsdruckanlage.
Ein zentralisiertes Antriebssystem mit einer zentralen Antriebssteuerung
und einem Antriebsbus, an die alle im genauen Gleichlauf zu betreiben
den Antriebe angeschlossen sind, entspricht oft nicht der natürlichen
Struktur, Funktionsverteilung und Modulbildung in großen technischen
Anlagen.
Industrielle Anlagen bestehen oft aus mehreren abgeschlossenen Funkti
onseinheiten, die jeweils alle zugehörigen mechanischen und elektrischen
Funktionen beinhalten.
Steuerungssysteme und Antriebssysteme werden deshalb bevorzugt nach
den Funktionseinheiten der industriellen Anlage strukturiert, zugeordnet
und verteilt. So ergeben sich abgeschlossene Funktionseinheiten, die ein
fach und unabhängig voneinander getestet und in Betrieb genommen
werden können. Die Schnittstellen zwischen so abgegrenzten Funktions
einheiten sind einfach und überschaubar.
Die Vorteile einer dezentralen, verteilten - an die technische Anlage an
paßbaren - Struktur des Steuerungs- und des Antriebssystems ergeben
sich besonders aus der klareren Systemstruktur, einfacheren Verständ
lichkeit, besseren Testbarkeit, eng abgegrenzten Fehlerauswirkungen.
Diese Vorteile führen oft zu geringeren Herstellkosten, Betriebskosten
und Wartungskosten.
Bei Zeitungsdruckereien, zum Beispiel, werden die Druckeinheiten,
Falzapparate und Rollenträger bevorzugt als abgeschlossene Funktions
einheiten gebaut und jeweils mit eigenen, lokalen Steuerungen und eige
nen, lokalen Antriebssystemen ausgerüstet.
Ein zentralisiertes Antriebssystem mit einer zentralen Antriebssteuerung
ist ein großes Hindernis zur Realisierung von technischen Anlagen mit
abgeschlossenen Funktionseinheiten und einfachen, klaren Schnittstel
len.
Der wesentliche Nachteil einer zentralen Antriebssteuerung besteht dar
in, daß alle Sollwertdaten an die einzelnen Antriebe über die zentrale
Antriebssteuerung geleitet werden. Es ist nicht möglich, daß die lokale
Steuerung einer Funktionseinheit direkt mit der lokalen Antriebssteue
rung der Funktionseinheit kommuniziert, da es dezentrale, lokale An
triebssteuerungen von Funktionseinheiten nicht gibt.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Betrieb eines
Antriebssystems anzugeben, durch welches keine Beschränkungen be
züglich Anzahl Antriebe bzw. Antriebsgruppen in Kauf genommen werden
müssen. Außerdem sollen die insbesondere für eine Rotationsdruckma
schine geforderten hohen Genauigkeitsanforderungen erfüllt werden kön
ne, und aus den Antriebsgruppen und Antrieben sollen flexible Funkti
onseinheiten gebildet werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betrieb eines Antriebssy
stems der eingangs genannten Art durch die Merkmale des ersten An
spruchs gelöst.
Kern der Erfindung ist es, daß die Antriebsregler einer Antriebsgruppe
über den Antriebsbus mittels eines lokalen Synchronisationstaktes syn
chronisiert werden und daß die lokalen Synchronisationstakte über ein
die Antriebssteuerungen verbindendes Antriebsdatennetz periodisch an
einen globalen Synchronisationstakt angeglichen werden. Die anlagen
weite Synchronisation der Antriebe über ein globales Signal erlaubt es,
ein Antriebssystem mit einer nahezu beliebigen Anzahl von Antrieben
auszurüsten.
Dadurch daß die Sollwerte vorzugsweise nach Massgabe des globalen
Synchronisationstaktes ebenfalls synchron zwischen den Antriebssteue
rungen über das Antriebsdatennetz übertragen werden, treten auch keine
zeitlichen Fehler bei der Sollwert-Übertragung auf. Sehr einfach wird die
Sollwert-Berechnung, insbesondere die Berechnung der Positionssollwerte
der Antriebe, wenn diese nach Massgabe eines Positionssollwerts einer
virtuellen Leitachse in den Antriebsteuerungen erfolgt. Der Positionssoll
wert der virtuellen Leitachse wird über das Antriebsdatennetz übertra
gen, und die Antriebssteuerungen berechnen daraus die Positionssollwer
te der zugehörigen Antriebe.
Eine besonders hohe Verfügbarkeit des Aufbaus des Antriebssystems er
reicht man dadurch, daß jede Antriebssteuerung zur Bildung des globa
len Synchronisationstaktes ausgerüstet ist und mittels einem Vorrangsli
ste bestimmt wird, welche Antriebssteuerung das globale Synchronisati
onstakt vorgeben darf. Diese Vorrangsliste kann außerdem zyklisch
durchlaufen werden, so daß das globale Synchronisationstakt nacheinan
der für eine bestimmte Zeitspanne von allen Antriebssteuerungen erzeugt
wird.
Um ein zeitliches Auseinanderdriften der einzelnen Antriebsteuerungen
aufgrund der Ungenauigkeiten der lokalen Taktgeneratoren während der
Datenübertragungszyklen zu vermeiden, ist es allenfalls sinnvoll, das glo
bale Synchronisationstakt durch zusätzliche Nebentakte zu unterteilen.
Die Sollwerte werden mit Vorzug in einem der entsprechenden Antriebs
steuerung zugeordneten Zeitfenster übermittelt.
Die Antriebssteuerungen sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahren mit einem Synchronisationstaktgenerator für das globale Syn
chronisationstakt ausgerüstet. Das Antriebsdatennetz kann außerdem
ein erstes und ein zweites Teilnetz umfassen, wobei über das erste Teil
netz das globale Synchronisationstakt und über das zweite Teilnetz die
Sollwerte übertragen werden.
Für den Aufbau des Antriebsdatennetzes gibt es die Möglichkeiten einer
ringförmigen Struktur oder einer Busstruktur. Außerdem kann ein Syn
chronisationstaktgeber vorgesehen sein, von dem sternförmig Datenlei
tungen zu den Antriebsteuerungen ausgehen.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die übergreifende
Synchronisation der lokalen Synchronisationstakte der Antriebsgruppen
mittels einem globalen Synchronisationstakt und einer synchronen Soll
wertdatenübertragung ein äußerst präziser Gleichlauf der Antriebsgrup
pen erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil besteht in der hohen Verfügbarkeit und Flexibilität
der dezentralen Struktur.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrich
tung wird vorzugsweise für Rotationsdruckmaschinen eingesetzt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im
Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Antriebssystems;
Fig. 2a-2b Verschiedene Übertragungsarten des Synchronisationstaktes
und der Sollwertdaten;
Fig. 3-9 Verschiedene Topologien des Antriebsnetzes;
Fig. 10 Die Aufteilung des Synchronisationstaktes in einen Haupt- und
mehrere Nebentakte;
Fig. 11 Ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge der Bearbeitung von
Datensätzen bei einer einstufigen Leitachsenhierarchie;
Fig. 12 Ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge der Bearbeitung von
Datensätzen bei einer zweistufigen Leitachsenhierarchie.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeu
tung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefaßt aufgelistet. Grund
sätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen ver
sehen.
Fig. 1 zeigt ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Antriebssystems
1. Mit 2 sind Antriebsgruppen bezeichnet. Diese umfassen eine Antriebs
steuerung 3 und mindestens einen Antrieb 4. Die Antriebe 4 ihrerseits
umfassen mindestens einen Motor 5, der von einem Antriebsregler 6 und
über eine dazwischen geschaltete Leistungselektronikschaltung 7 ange
steuert wird. Die Motoren 5 können beispielsweise die Druck- und Gegen
druckzylinder einer Rotationsdruckmaschine antreiben. Die Antriebsreg
ler 6 einer Antriebsgruppe 2 sind untereinander und mit der Antriebs
steuerung 3 über einen Antriebsbus 8 verbunden. Die Antriebssteuerun
gen können zusätzlich mit übergeordneten Steuereinheiten 9 verbunden
sein. Im Rahmen der Erfindung sind die Antriebssteuerungen 3 über ein
eigenes Antriebsdatennetz 10 verbunden.
Das Antriebsdatennetz bildet das Rückgrat der Synchronisation und der
Datenkommunikation des Antriebssystems. Es ermöglicht einen genauen
Gleichlauf von Antrieben, die zu verschiedenen Antriebsgruppen gehören,
indem es eine übergreifende Synchronisation und eine synchrone Soll
wertdatenübertragung zwischen den Antriebsgruppen sicherstellt. Dies
wird durch die genaue Synchronisation der Antriebsgruppen durch Über
tragung eines globalen Synchronisationstaktes über das Antriebsdaten
netz erreicht. Die Antriebssteuerungen der einzelnen Antriebsgruppen
gleichen ihre lokalen Synchronisationstakte der einzelnen Antriebsgrup
pen - mit hoher Genauigkeit - an den globalen Synchronisationstakt an.
Die lokalen Synchronisationstakte auf den einzelnen Antriebsbussen sind
somit - mit hoher Genauigkeit - synchron zum übergeordneten, globalen
Synchronisationstakt auf dem Antriebsdatennetz.
Auf diese Weise wird ein systemweiter Synchronisationstakt für das ge
samte Antriebssystem bereitgestellt, der in allen Antriebsgruppen über
die lokalen Antriebsbusse zu allen einzelnen Antrieben übermittelt wird.
Damit werden alle einzelnen Antriebe im gesamten Antriebssystem genau
synchronisiert.
Um alle Antriebe im synchronen Gleichlauf zu betreiben, müssen die ein
zelnen Antriebe auch synchron (zeitgleich) mit Sollwertdaten beliefert
werden. Dies gilt besonders im bevorzugten Fall von Positionssollwerten.
Hohe Anforderungen an den synchronen Gleichlauf der Antriebe stellen
entsprechend hohe Anforderungen an die Synchronität der Datenübertra
gung von Sollwerten. Es genügt nicht, daß die Antriebe über einen ge
meinsamen Takt untereinander synchronisiert werden, die Belieferung
mit Sollwertdaten, d. h. besonders mit Positionssollwerten jedoch unkoor
diniert zum Takt erfolgt, da durch unterschiedliche Übertragungszeiten
oder Lieferzeiten der Sollwertdaten die Konsistenz der Information nicht
mehr gegeben wäre.
Bei der Übertragung von Positionssollwerten ist eine exakte zeitliche
Konsistenz (Gleichzeitigkeit) der Datenlieferung unverzichtbar (siehe
auch Fig. 2a, b1, b2).
Die Gültigkeit von Positionssollwerten bezieht sich stets auf ganz be
stimmte Zeitpunkte. Zum Beispiel: Zum Zeitpunkt t1 soll sich Antrieb A
auf Position a1 und Antrieb B auf Position b1 befinden. Zum nächsten
Zeitpunkt t2, d. h. beim nächsten Takt, soll sich Antrieb A auf der Position
a2 und Antrieb B auf der Position b2 befinden.
Ein Beispiel:
Zwei Antriebe A und B einer Rotationsdruckmaschine treiben 2 Druckzy
linder mit unterschiedlicher Farbe an, welche eine Papierbahn mit einer
Geschwindigkeit von 10 m/s bedrucken. Damit ein guter Mehrfarbendruck
entsteht, müssen die 2 verschiedenfarbigen Druckbilder stets exakt zu
einander positioniert sein. Die beiden Antriebe A und B sind mit Positi
onsreglern ausgestattet, die über einen gemeinsamen Takt exakt syn
chron (d. h. gleichzeitig, mit einem maximalen Synchronisierungsfehler
von 1 µs) ihre Positionsregelung mit Zykluszeiten von 250 µs ausführen.
Von einem Regelungszyklus zum nächsten, d. h. in 250 µs, hat sich das
Papier um 2500 µm = 2,5 mm bewegt. Wenn der Antrieb B einen Positions
sollwert b1 fehlerhaft um einen Regelungszyklus verspätet, zum Zeit
punkt t2, erhielte, so würde sich dies in einer fehlerhaften Druckbildab
weichung von 2,5 mm bemerkbar machen.
Die Übertragung der Positionssollwerte muß sich also stets im Gleich
schritt mit den Synchronisationstakten befinden.
Die Sollwertdatenübertragung muß deshalb in das zeitsynchron arbei
tende Antriebsdatennetz eingebunden werden. Die Übertragung von
Sollwertdaten zwischen den Antriebssteuerungen über das Antriebsda
tennetz wird deshalb mit der Übertragung des globalen Synchronisati
onstaktes koordiniert.
Die im Antriebsdatennetz übertragenen Sollwertdaten sind bevorzugt
Positionssollwerte übergeordneter Leitachsen. Diese Leitachsen existieren
nicht unbedingt körperlich, sondern nur rechnerisch. Man spricht dann
von virtuellen Leitachsen.
Die Positionswerte von Leitachsen bilden die Basis für Sollwertberech
nungen in den Antriebssteuerungen für die einzelnen Antriebe in den
verschiedenen Antriebsgruppen. Die Antriebssteuerungen leiten aus der
Position von Leitachsen die Sollpositionen von Folgeachsen (d. h. einzelner
Antriebe) ab, deren Position sich an bestimmten Leitachsen orientieren
soll. Beliebige Antriebe in verschiedenen Antriebsgruppen können sich so
an einer vorgegebenen Leitachse orientieren - und im genauen, synchro
nen Gleichlauf mit der Leitachse betrieben werden.
Die Fig. 3 bis 9 zeigen verschiedene Konzepte für das Antriebsdaten
netz 10.
Das Antriebsdatennetz soll eine fehlerfreie Übertragung des globalen
Synchronisationstaktes an die Antriebssteuerungen bereitstellen. Fehler
frei bedeutet dabei, daß der Synchronisationstakt ein möglichst geringes
zeitliches Zittern (Jitter) aufweist, wie es durch zeitdiskrete Signalabta
stung oder variable Signallaufzeiten entsteht.
Das Antriebsdatennetz soll eine synchrone Sollwertdatenübertragung
zwischen den Antriebssteuerungen ermöglichen. Jede Antriebssteuerung
muß Sollwertdaten an alle anderen Antriebssteuerungen im Antriebssy
stem senden können. Es wird also eine synchrone Datenkommunikation
benötigt, die den Datenaustausch zwischen beliebigen Teilnehmern er
möglicht und das Senden von Datentelegrammen an mehrere Teilnehmer
(Multicast) oder an alle Teilnehmer erlaubt (Broadcast).
Da das Antriebsdatennetz das Rückgrad der Kommunikation im An
triebssystem darstellt, sind hohe Anforderungen an seine Zuverlässigkeit
und Verfügbarkeit gestellt. Besonders in großen Antriebssystemen mit
einer Vielzahl von Antrieben sind redundante Ausführungen des An
triebsdatennetzes gefordert.
Folgende Konzepte sind realisierbar:
- A) Gemeinsame oder getrennte Übertragung von Takt und Daten:
- (A1) Übertragung von Synchronisationstakt und Sollwertdaten über
dieselben Leitungen, (Fig. 3 u. 4)
(A2) Übertragung von Synchronisationstakt und Sollwertdaten über getrennte Leitungen (Fig. 5 u. 6). - B) Optoelektronische oder elektronische Datenübertragung:
- (B1) Optoelektronische Signalübertragung, bevorzugt über Glasfaser,
(B2) Elektronische Signalübertragung, bevorzugt über Koaxialkabel. - C) Topologie der Verbindungsleitungen:
- (C1) Ringförmige Verbindungsleitungen, bevorzugt für Glasfaser,
(Fig. 3, 5, 7, 8, 9)
(C2) Busförmige Verbindungsleitungen, bevorzugt für Koaxialkabel (Fig. 4, 6),
(C3) Sternförmige Verbindungsleitungen, bevorzugt für Glasfaser (Fig. 7 und 9), - D) Redundanz der Verbindungen:
- (D1) Einfache Verbindungen, ohne strukturelle Redundanz,
(D2) Redundante Verbindungen.
Fig. 3 zeigt ein Antriebsdatennetz 10 mit ringförmiger Verbindung der
Antriebssteuerungen 3, über die sowohl das globale Synchronisationstakt
als auch die Sollwertdaten übertragen werden (siehe auch Fig. 2(a)).
Diese Lösung eignet sich besonders zur optischen Signalübertragung über
Glasfaser. Ein besonderer Vorteil dieser Lösung liegt in der Unempfind
lichkeit der Glasfaserverbindung gegenüber elektromagnetischen Störun
gen.
Fig. 4 zeigt eine Variante mit einem einfachen, busförmigen Antriebsda
tennetz 10. Auch hier werden Sollwertdaten und das Synchronisati
onstakt über dieselbe Leitung übertragen. Diese Lösung eignet sich be
sonders zur elektronischen Signalübertragung über Koaxialkabel. Ein be
sonderer Vorteil dieser Lösung liegt in der hohen Synchronisationsgenau
igkeit durch geringen Abtastfehler (einmalige Signalabtastung zwischen
Sender und Empfänger).
Fig. 5 zeigt eine Variante, bei der das Antriebsdatennetz aus einem er
sten Teilnetz 12 und einem zweiten Teilnetz 13 besteht. Über beide Teil
netze werden dieselben Daten, d. h. Sollwertdaten und Synchronisati
onstakte übertragen. Aufgrund ihrer ringförmigen Struktur eignet sich
diese Lösung ebenfalls besonders zur optischen Signalübertragung über
Glasfaser. Ein besonderer Vorteil dieser Lösung liegt in der hohen Ver
fügbarkeit durch große Unempfindlichkeit gegenüber elektromagneti
schen Störungen und gegenüber Beschädigungen der Glasfaserkabel. Die
Übertragungsrichtung auf den beiden redundanten Teilnetzen oder Rin
gen 12 und 13 ist vorzugsweise gegenläufig.
Jeder Teilnehmer (Antriebssteuerung 3) sendet seine Daten stets auf bei
den gegenläufigen Ringen und wählt beim Empfang eine der beiden Lei
tungen aus. Wenn ein Teilnehmer auf einer Ringleitung während eine be
stimmten, kurzen Zeitspanne keine Daten erhält, so gibt er eine Störmel
dung ab und schaltet zum Empfang auf die zweite Ringleitung um. Auf
dem einen Ring erfolgt die Datenübertragung im Uhrzeigersinn auf dem
zweiten Ring entgegen dem Uhrzeigersinn. Auch bei Durchschneiden bei
der Glasfaserringe zwischen zwei Teilnehmern (Antriebssteuerungen) ist
weiterhin eine Datenkommunikation zwischen allen Teilnehmern mög
lich.
Fig. 6 zeigt eine weitere Variante, bei der zwei busförmige Teilnetze 12
und 13 vorgesehen sind. Über beide Teilnetze werden wiederum sowohl
Sollwertdaten als auch Synchronisationstakte übermittelt. Aufgrund der
redundanten Busstruktur eignet sich diese Lösung besonders zur elek
tronischen Signalübertragung über Koaxialkabel. Ein besonderer Vorteil
dieser Lösung liegt in der hohen Synchronisationsgenauigkeit durch ge
ringen Abtastfehler (einmalige Signalabtastung zwischen Sender und
Empfänger) und in der hohen Verfügbarkeit durch Tolerieren des Ausfalls
einer Busleitung.
Jeder Teilnehmer (Antriebssteuerung) sendet seine Daten stets auf beiden
Busleitungen und wählt beim Empfang eine der beiden Busleitungen aus.
Wenn ein Teilnehmer auf einer Busleitung während einer bestimmten,
kurzen Zeitspanne keine Daten erhält, so gibt er eine Störmeldung ab und
schaltet zum Empfang auf die zweite Busleitung um. Bei Beschädigung
der einen Busleitung kann die Datenübertragung weiterhin ungestört
über die zweite Busleitung erfolgen.
Die doppelt geführten Leitungen in Form der Teilnetze 12 und 13 nach
den Fig. 5 und 6 kann auch zur getrennten Übertragung von Soll
wertdaten und des Synchronisationstaktes verwendet werden (siehe auch
Fig. 2(b) und 2(c)). Ein besonderer Vorteil der getrennten Leitungen
für die Übertragung von Synchronisationstakt und Sollwertdaten liegt in
der Spezialisierungsmöglichkeit des Übertragungssystems für den globa
len Synchronisationstakt (Signalformen, Abtasten, Sende- und Empfangs
schaltungen), so daß ein sehr kleiner Synchronisationsfehler entsteht.
Eine weitere Variante ist in Fig. 7 dargestellt. Hier ist ein Teilnetz 13
zur Übertragung von Sollwertdaten ringförmig ausgebildet, während eine
sternförmige Verbindung 12 zur Übertragung des Synchronisationstaktes
zu einem globalen Synchronisationstaktgeber 11 vorgesehen ist (siehe
auch Fig. 2(b1) und 2(b2)). Ein besonderer Vorteil der sternförmigen
Übertragung des Synchronisationstaktes liegt in der hohen Synchronisa
tionsgenauigkeit durch geringen Abtastfehler (einmalige Signalabtastung
zwischen Sender und Empfänger).
Nach Fig. 8 können schließlich auch die für Sollwertdaten und Syn
chronisationstakte geeigneten Teilnetze redundant ausgeführt werden.
Diese Lösung vereinigt die Vorzüge der hohen Verfügbarkeit durch Red
undanz mit denen der guten Synchronisationsgenauigkeit durch getrenn
te Übertragung von Synchronisationstakt und Sollwertdaten.
Dasselbe läßt sich auch für eine sternförmige Übertragung des Synchro
nisationstaktes realisieren. Zu diesem Zwecke müssen auch die Synchro
nisationstaktgeber 11 redundant ausgeführt werden (Fig. 9). Diese Lö
sung vereinigt die Vorzüge der hohen Verfügbarkeit durch Redundanz mit
denen der guten Synchronisationsgenauigkeit durch getrennte Übertra
gung von Synchronisationstakt und Sollwertdaten.
Jede Antriebssteuerung ist bevorzugt mit einem Taktgenerator zur Er
zeugung des globalen Synchronisationstaktes ausgerüstet. Durch eine be
stimmte Logik wird definiert, welche Antriebssteuerung den Vortritt beim
Senden des globalen Synchronisationstaktes hat. Bei allen nachrangigen
Teilnehmern am Antriebsdatennetz wird dann auf den gesendeten Syn
chronisationstakt gehört und die dortigen Taktgeneratoren senden keinen
Synchronisationstakt.
Die Vortrittsregelung erfolgt bevorzugt so, daß ein bestimmter Teilneh
mer im Normalfall stets den globalen Synchronisationstakt sendet. Bei
Ausfall (Schweigen) des erstrangigen Teilnehmers springt ein bestimmter
anderer Teilnehmer ein, der auf Rang 2 in der Vortrittsliste programmiert
ist. Bei Ausfall (Schweigen) des zweitrangigen Teilnehmers übernimmt
ein 3. Teilnehmer das Senden des globalen Synchronisationstakt, usw.
Eine andere bevorzugte Lösung basiert auf dem regelmäßigen Durchlau
fen der Vorrangliste, so daß jeder Teilnehmer jeweils für eine bestimmte,
feste Zeitdauer den globalen Synchronisationstakt sendet und dann an
den nächsten Teilnehmer ab gibt, der seinerseits für eine bestimmte, feste
Zeitdauer den Synchronisationstakt sendet, usw. Nachdem der letzte
Teilnehmer der Vorrangliste eine bestimmte, feste Zeit den globalen Syn
chronisationstakt gesendet hat, übernimmt wieder der erstrangige Teil
nehmer das Senden des Takts, usw.
Die Taktgeneratoren für den globalen Synchronisationstakt können im
Sonderfall auch außerhalb der Antriebssteuerungen in besonderen Sta
tionen angeordnet sein. Dies ist besonders bei kostengünstigen Lösungen
sinnvoll, die sich auf einen oder zwei Taktgeneratoren beschränken. In
diesem Fall brauchen die Antriebssteuerungen nicht mit eigenen Taktge
neratoren für den globalen Takt ausgerüstet zu werden.
Der globale Synchronisationstakt TG erfolgt vorzugsweise nach dem
SERCOS-Standard (Fig. 2a). Die Taktperiode beträgt bevorzugt 62 µs,
125 µs, 250 µs, 500 µs, 1 ms, 2 ms, 3 ms, . . ., 63 ms, 64 ms oder 65 ms. Zykluszei
ten von mehreren ms sind - gemessen an den schnellen Verarbeitungszei
ten und Datenübertragungszeiten eines digitalen Antriebssystems - ein
relativ langer zeitlicher Abstand.
Um ein zeitliches Auseinanderdriften der einzelnen Antriebssteuerungen
(auf Grund der Ungenauigkeiten der lokalen Taktgeneratoren/Quarze)
während der Datenübertragungszyklen zu verringern, ist es sinnvoll, die
globale Synchronisation im Antriebsdatennetz durch zusätzliche Neben
takte in kleineren Zeitabständen zu verbessern.
Der globale Synchronisationstakt TG wird deshalb bevorzugt durch eine
Takthierarchie realisiert, die aus einem Haupttakt TGH und untergeordne
ten Nebentakten TGN besteht (siehe Fig. 10).
Eine zweistufige Takthierarchie besteht beispielsweise aus einem Haupt
takt TGH, der im festen Abstand von 4 ms gesendet wird und 15 Nebentak
ten TGN, die jeweils zwischen 2 Haupttakten im festen Zeitabstand von
250 µs gesendet werden. Es sind aber auch mehrstufige Takthierarchien
anwendbar (3-stufige, 4-stufige,. . .).
Die Übertragung der Sollwertdaten (S₁. . .SN) über das Antriebsdatennetz
erfolgt bevorzugt zeitgesteuert und zyklisch mit festen Sendezeitfenstern
für jeden Teilnehmer (Time-Division Multiple-Access) (siehe Fig. 2
und 10).
Die zeitliche Steuerung wird durch den globalen Synchronisationstakt TG
gegeben. Der Datenübertragungszyklus, in dem alle Antriebssteuerungen
im Antriebsdatennetz Gelegenheit zum Senden erhalten, orientiert sich
an der Zykluszeit z. B. des SERCOS-Standard und liegt bevorzugt in der
Größenordnung von 1 ms. Jede Antriebssteuerung (jeder Teilnehmer) hat
ein oder mehrere Zeitfenster in jedem Übertragungszyklus, in dein sie ih
re Telegramme und die darin enthaltenen Sollwertdaten senden kann.
Die zeitgesteuerte Datenübertragung ist der Forderung angemessen, daß
ein kontinuierlicher Datenstrom von Sollwertdaten zu übertragen ist, der
sich stets im Gleichschritt mit dem globalen Synchronisationstakt befin
den muß. Die zeitgesteuerte, zyklische Datenübertragung im Time-
Division Multiple-Access wird demzufolge bevorzugt kombiniert mit der
Verwendung einer Takthierarchie für den globalen Synchronisationstakt,
bestehend aus Haupttakt TGH und Nebentakten TGN.
Die Sollwertdatenübertragungen über das Antriebsdatennetz, die Soll
wertberechnungen in den Antriebssteuerungen, die Sollwertdatenüber
tragungen in den Antriebsbussen und die Regelungen in den Antrieben
erfolgen bevorzugt synchron und zyklisch (im Pipelining).
Das gesamte Antriebssystem arbeitet zyklisch und synchron. Dies gilt für
die übergeordnete Datenübertragung über das Antriebsdatennetz, die
Sollwertberechnungen in den Antriebssteuerungen der einzelnen An
triebsgruppen, die Datenübertragungen in den Antriebsbussen der ein
zelnen Antriebsgruppen und die Regelungsvorgänge in den Antriebsreg
lern der einzelnen Antriebe. Die Schritte in der Sollwertberechnung und
Sollwertdatenübertragung werden im Pipelining ausgeführt - und dabei
über den globalen Takt synchronisiert (siehe Fig. 11 und 12).
Jede einzelne Funktionseinheit führt ihre Funktion zyklisch aus. Die Da
tenübertragungen im Antriebsdatennetz, die Sollwertberechnungen in
den einzelnen Antriebssteuerungen, die Datenübertragungen in den ein
zelnen Antriebsbussen und die Positionsregelungen in den einzelnen An
trieben erfolgen jeweils zyklisch und sind - über den systemweiten Syn
chronisationstakt - miteinander synchronisiert (im Gleichschritt).
Im folgenden sind die Schritte der Sollwertberechnung und Sollwertda
tenübertragung für eine einstufige Leitachsenhierarchie angegeben (Fig.
11):
- (a) Berechnung von Leitachsensollwerten in Antriebssteuerungen
(b) Datenübertragung der Leitachsensollwerte über das Antriebsda tennetz
(c) Berechnung von Folgeachsensollwerten in den Antriebssteue rungen
(d) Datenübertragung von Folgeachsensollwerten über die An triebsbusse
(e) Durchführung von Positionsregelungen in den einzelnen Antrie ben
Die Schritte (d) und (e) entsprechen dabei dem bekannten Vorgehen in Antriebssystemen mit einem Antriebsbus nach dem eingangs er wähnten SERCOS-Standard.
Bei einer zweistufigen Leitachsenhierarchie wird der Ablauf entsprechend
erweitert. Im folgenden sind die Schritte der Sollwertberechnung und Da
tenübertragung für eine zweistufige Leitachsenhierarchie angegeben
(Fig. 12):
- (a) Berechnung von Hauptleitachsensollwerten in Antriebssteue
rungen
(b) Datenübertragung der Hauptleitachsensollwerte über das An triebsdatennetz
(c) Berechnung von Leitachsensollwerten in den Antriebssteuerun gen
(d) Datenübertragung von Leitachsensollwerten über das Antriebs datennetz
(e) Berechnung von Folgeachsensollwerten in den Antriebssteue rungen
(f) Datenübertragung von Folgeachsensollwerten über die An triebsbusse
(g) Durchführung von Positionsregelungen in den einzelnen Antrie ben
Die Schritte (f) und (g) entsprechen wiederum dem bekannten Vor gehen in Antriebssystemen mit einem Antriebsbus nach dem SERCOS-Standard.
Im bevorzugten Fall sind die Zykluszeiten der Datenübertragung im An
triebsdatennetz, der Sollwertberechnung in den Antriebssteuerungen und
der Datenübertragung in den Antriebsbussen gleich.
Die Zykluszeiten für die einzelnen Verarbeitungs- und Datenübertra
gungsschritte in den Antriebssteuerungen und im Antriebsdatennetz sind
vorzugsweise an die Zykluszeiten des SERCOS-Standard angepaßt - und
liegen deshalb vorzugsweise in der Größenordnung von 1 ms (ca.
100 µs bis ca. 10 ms).
Es ist bekannt, daß die Zykluszeiten der Antriebsregler vorzugsweise
kürzer sind als die Zykluszeiten der Datenübertragung auf dem Antriebs
bus. Durch die kürzeren Zykluszeiten haben die Antriebsregler eine bes
sere Regeldynamik und eine bessere dynamische Regelgenauigkeit. Die
Verarbeitungszyklen in den einzelnen Antriebsreglern liegen typisch im
Bereich von 250 µs.
Die Antriebsregler führen deshalb - bekanntermaßen - eine Interpolation
der von der Antriebssteuerung vorgegebenen Sollwerte durch, so daß
Zwischenwerte für die Regelung vorliegen. Zum Beispiel bei einer Zyklus
zeit der Sollwertübertragung von 1 ms und einer Zykluszeit für die Lage
regelung im Antriebsregler von 250 µs werden jeweils 3 Zwischenwerte des
Positionssollwertes durch Interpolation im Antriebsregler ermittelt.
Bei der Funktionsausführung im Antriebssystem arbeiten die einzelnen
Funktionseinheiten - Antriebssteuerungen, Antriebsdatennetz, Antriebs
busse und Antriebsregler - jeweils nacheinander an den Daten eines be
stimmten Datensatzes. Die Daten eines Datensatzes werden so schrittwei
se nach dem vorgegebenen Synchronisationstakt durch die Pipeline ge
schoben.
Beispiel mit einstufiger Leitachsenhierarchie (Fig. 11):
Im Taktzyklus 1 (Fig. 11(a)) berechnet die Antriebssteuerung A die Lei tachsensollwerte für den Datensatz D 1. Im Taktzyklus 2 (Fig. 1 wer den die Leitachsensollwerte des Datensatz D1 über das Antriebsdatennetz übertragen. Im Taktzyklus 3 (Fig. 11(c)) berechnen die Antriebssteuerun gen A, B, C aus den gelieferten Leitachsensollwerten die entsprechenden Folgeachsensollwerte für den Datensatz D 1. Im Taktzyklus 4 (Fig. 11(d)) werden die Folgeachsensollwerte des Datensatzes D1 über die Antriebs busse übertragen.
Im Taktzyklus 1 (Fig. 11(a)) berechnet die Antriebssteuerung A die Lei tachsensollwerte für den Datensatz D 1. Im Taktzyklus 2 (Fig. 1 wer den die Leitachsensollwerte des Datensatz D1 über das Antriebsdatennetz übertragen. Im Taktzyklus 3 (Fig. 11(c)) berechnen die Antriebssteuerun gen A, B, C aus den gelieferten Leitachsensollwerten die entsprechenden Folgeachsensollwerte für den Datensatz D 1. Im Taktzyklus 4 (Fig. 11(d)) werden die Folgeachsensollwerte des Datensatzes D1 über die Antriebs busse übertragen.
Die Durchlaufzeit durch die Pipeline - bis zur Anlieferung der Sollwerte
an die Antriebsregler - beträgt, zum Beispiel, bei einer einstufigen Lei
tachsenhierarchie 4 Zykluszeiten (Fig. 11) und bei der zweistufigen Lei
tachsenhierarchie 6 Zykluszeiten. (Fig. 12).
Von Taktzyklus zu Taktzyklus bearbeitet eine Funktionseinheit aufein
anderfolgende Datensätze. Zum Beispiel (Fig. 11) überträgt das An
triebsdatennetz im Zyklus 2 die Leitachsensollwerte des Datensatzes D1
und im folgenden Zyklus 3 die Leitachsensollwerte des Datensatzes D2.
Zu einem Zeitpunkt, d. h. in einem Takt, arbeiten die verschiedenen
Funktionseinheiten der Pipeline an verschiedenen Datensätzen.
Zum Beispiel (Fig. 11): Im Taktzyklus 4 (Fig. 11(d)) berechnet die An
triebssteuerung A die Leitachsensollwerte des Datensatzes D4, das An
triebsdatennetz überträgt die Leitachsensollwerte des Datensatzes D3, die
Antriebssteuerungen A, B und C berechnen die Folgeachsensollwerte des
Datensatzes D2 und über die Antriebsbusse werden die Folgeachsensoll
werte des Datensatzes D1 übertragen.
Aus dem Beispiel wird deutlich, daß Antriebssteuerungen in einem Zy
klus Aufgaben von verschiedenen Stufen der Pipeline ausführen können,
nämlich die Berechnung von Leitachsensollwerten und von Folgeachsen
sollwerten.
Zum Beispiel (Fig. 11): Die Antriebssteuerung A berechnet im Zyklus 4
(Fig. 11(d)) die Leitachsensollwerte des Datensatzes D4 und die Folgeach
sensollwerte des Datensatzes D2.
Es kann unter Umständen sinnvoll sein, die angegebene Schrittfolge der
Sollwertberechnung und Sollwertdatenübertragung im Pipelining durch
Zusammenfassung mehrerer Schritte zu jeweils einem Bearbeitungs
schritt zu vereinfachen und zu verkürzen.
So kann es vorteilhaft sein, jeweils die Sollwertberechnung und
-übertragung (einer Hierarchieebene) zu einem Bearbeitungsschritt in der
Pipeline zu verschmelzen. Beispielsweise bei einer zweistufigen Leitach
senhierarchie (Fig. 12) können so die Schritte (a) und (b) zu einem
Schritt I, die Schritte (c) und (d) zu einem Schritt II und die Schritte (e)
und (f) zu einem Schritt III zusammengefaßt werden.
Auf diese Weise werden einzelne Bearbeitungsschritte in der Pipeline um
fangreicher, aber die Anzahl der Bearbeitungsschritte in der Pipeline wird
verringert.
Bei der Berechnung der Leitachsenpositionen und der Folgeachsenposi
tionen in den Antriebssteuerungen und bei der Datenübertragung über
das Antriebsdatennetz und über die Antriebsbusse wird die zeitliche
Konsistenz (Gleichzeitigkeit) der Sollwertdaten für die Einzelantriebe si
chergestellt (siehe Fig. 11).
Es ist entscheidend für die korrekte Funktion des Antriebssystems, daß
alle Antriebe, deren Position sich an einer gemeinsamen Leitachse (oder
Hauptleitachse) orientiert, ihre Sollwertdaten synchron (gleichzeitig, im
Gleichschritt, im gleichen Zyklus) erhalten.
Die zeitliche Konsistenz der Lieferung von Sollwertdaten an die im
Gleichlauf betriebenen Antriebe muß stets eingehalten werden. Zeitliche
Konsistenz bedeutet, daß alle im Gleichlauf betriebenen Antriebe die Da
ten eines bestimmten Datensatzes gleichzeitig, d. h. im gleichen Zyklus,
erhalten.
Im Beispiel der Fig. 11 erhalten die einzelnen Antriebsregler im Zyklus
5 die Folgeachsensollwerte des Datensatzes D1, im Zyklus 6 die Folgeach
sensollwerte des Datensatzes D2, usw.
Aus der Forderung nach strenger Zeitkonsistenz folgt, daß der feste
Rhythmus des Pipelining immer konsequent einzuhalten ist.
Zeitliche Konsistenz der Lieferung von Sollwertdaten bedeutet beispiels
weise, daß die Sollwertdaten für einen einzelnen Antrieb, der sich direkt
an der (virtuellen) Leitachse orientiert, gleichzeitig, d. h. im gleichen Zy
klus, mit den Sollwertdaten für alle anderen Antriebe (Folgeachsen), wel
che sich an der gleichen Leitachse orientieren, an den Antrieb zu liefern
sind.
Obwohl bei dem Antrieb, der sich die direkt an der (virtuellen) Leitachse
orientiert, eine Berechnung von Folgeachsensollwerten nicht erforderlich
ist, ist es nicht sinnvoll die Sollwertdaten bereits früher (sofort) an diesen
Antrieb zu liefern, da dies zu einer zeitlichen Inkonsistenz führen würde.
Bei einer einstufigen Leitachsenhierarchie sind also die Sollwertdaten des
Datensatzes D1 für einen Antrieb, der sich direkt an der (virtuellen) Lei
tachse orientiert, im Gleichschritt mit den Sollwertdaten der anderen An
triebe (Folgeachsen), die sich an der gleichen Leitachse orientieren, erst
im Zyklus 4 über den Antriebsbus zu liefern. Eine frühere Lieferung der
Sollwertdaten des Datensatzes D1 an den Antrieb, der sich direkt an der
(virtuellen) Leitachse orientiert, z. B. im Zyklus 2, wäre fehlerhaft.
Entsprechendes gilt bei einer mehrstufigen Leitachsenhierarchie für ein
zelne Antriebe, die sich direkt an einer (virtuellen) Hauptleitachse orien
tieren (Fig. 12). Obwohl eine Berechnung von Leitachsensollwerten und
Folgeachsensollwerten für einen Antrieb, der sich direkt an der Hauptlei
tachse orientiert, nicht erforderlich ist, ist eine frühere Lieferung der
Sollwertdaten über den Antriebsbus an diesen Antrieb nicht sinnvoll.
Bei einer zweistufigen Leitachsenhierarchie (Fig. 12) sind die Sollwerte
des Datensatzes D1 für einen Antrieb, der sich direkt an der (virtuellen)
Hauptleitachse orientiert, im Gleichschritt mit den Sollwerten für alle an
deren Antriebe (Folgeachsen), welche sich an der gleichen Hauptleitachse
orientieren, d. h. im Zyklus 6, über den Antriebsbus an den Antrieb zu lie
fern.
Die Forderung nach zeitlicher Konsistenz der Lieferung der Sollwertdaten
an die einzelnen Antriebe ist auch bezüglich der Sollwertdatenübertra
gungen stets einzuhalten. Zum Beispiel (Fig. 11) berechnen die An
triebssteuerungen A, B und C im Zyklus 3 die Folgeachsensollwerte des
Datensatzes D1. Die Folgeachsensollwerte D1 werden aus den Leitach
sensollwerten D1 berechnet.
Da die Leitachsensollwerte in der Antriebssteuerung A errechnet werden,
könnte die Antriebssteuerung A bereits im Zyklus 2 die Folgeachsensoll
werte D1 berechnen. Eine Datenübertragung der Leitachsensollwerte von
A nach A über das Antriebsdatennetz ist ja nicht notwendig.
Die frühere Berechnung der Folgeachsensollwerte zum Datensatz D1 in
der Antriebssteuerung A würde jedoch zu einer zeitlichen Inkonsistenz
mit der Berechnung der Folgeachsensollwerte des Datensatzes D1 in den
Antriebssteuerungen B und C führen, die erst im Zyklus 3 erfolgen kann.
Aus Gründen der zeitlichen Konsistenz der Daten, ist es deshalb sinnvoll,
die Berechnung der Folgeachsensollwerte in der Antriebssteuerung A im
Gleichschritt, d. h. im genau gleichen Zyklus, wie in den Antriebssteue
rungen B und C durchzuführen - obwohl die Leitachsensollwerte in der
Antriebssteuerung A bereits einen Zyklus früher vorliegen, da eine Da
tenübertragung über das Antriebsdatennetz (von A nach A) nicht not
wendig ist.
Vorzugsweise berechnen die Antriebssteuerungen die Positionssollwerte
für (virtuelle) Hauptleitachsen und (virtuelle) Leitachsen und berechnen
aus Leitachsenpositionen die Position von Folgeachsen.
Die Berechnung der Positionssollwerte für die Leitachse erfolgt vorzugs
weise durch Integration von Geschwindigkeitssollwerten, die von der
übergeordneten Steuerung der Funktionseinheit geliefert werden
(Leitachsenposition = Integral über Leitachsengeschwindigkeit).
Auf diese Weise wird die Position einer virtuellen (in der Realität nicht
körperlich existierenden) Leitachse berechnet. Eine derartige virtuelle
Leitachse hat den Vorteil, daß mechanische Ungenauigkeiten und Meßfehler
des Positionsgebers sowie Rauschprobleme des Signals vermieden
werden.
Der Vorteil der Berechnung der Leitachsenposition durch die Antriebs
steuerung liegt darin, daß die Vorgaben, typisch die gewünschte Leitach
sengeschwindigkeit, von der übergeordneten Steuerung der Funktions
einheit bereitgestellt wird.
Die Position der Leitachse kann (in Sonderfällen) auch von einem Positi
onsgeber geliefert werden, der auf einer mechanischen Achse angebracht
ist und die Position dieser Achse übermittelt.
Ein Beispiel für eine mechanische Leitachse in der Drucktechnik ist in der
eingangs genannten Schrift DE 42 14 394 A1 angegeben. Dort orientiert
sich die Position der einzeln angetriebenen Druckzylinder (Folgeachsen)
direkt an der Position der Achse des Falzapparates (Leitachse).
Die Ableitung der Position der Folgeachse aus der Position einer
(virtuellen) Leitachse besteht vorzugsweise aus der Berücksichtigung von
Positionskorrekturwerten oder Geschwindigkeitskorrekturwerten.
Die Berechnung des Folgeachsensollwertes für einen einzelnen Antrieb
besteht im einfachsten Fall aus der Addition des Leitachsensollwertes und
eines für den einzelnen Antrieb spezifischen Positionskorrekturwertes
(Folgeachsenposition = Leitachsenposition + Positionskorrektur).
Die gewünschte Positionskorrektur für den einzelnen Antrieb wird dabei
von der übergeordneten Steuerung an die Antriebssteuerung übergeben.
Die Position der Folgeachse wird dann um die vorgegebene Positionskor
rektur von der Position der (virtuellen) Leitachse abweichen.
Der Positionskorrekturwert kann auch durch Integration eines Ge
schwindigkeitswertes (Geschwindigkeitskorrektur) gebildet werden. In
diesem Fall wird die Geschwindigkeit der Folgeachse um die vorgegebene
Geschwindigkeitskorrektur von der Geschwindigkeit der (virtuellen) Lei
tachse abweichen (Folgeachsengeschwindigkeit = Leitachsengeschwindig
keit + Geschwindigkeitskorrektur).
Die Geschwindigkeitskorrektur wird bevorzugt so gewählt, daß die Ge
schwindigkeitskorrektur für die Folgeachse proportional zur Geschwin
digkeit der Leitachse ist. Der Geschwindigkeitskorrekturwert für die Fol
geachse wird dabei durch Multiplikation der Leitachsengeschwindigkeit
mit einem Übersetzungsverhältnis (Getriebefaktor) berechnet
(Geschwindigkeitskorrektur = Leitachsengeschwindigkeit * Getriebefak
tor).
Ein Getriebefaktor ist eine rationale Zahl, die durch Division zweier gan
zer Zahlen (Zahnverhältnis zweier Zahnräder) gebildet wird, und das
Übersetzungsverhältnis eines Getriebes beschreibt. Auf diese Weise wird
die Funktion eines mechanischen Getriebes (Differentialgetriebes) nach
gebildet.
Es kann Hierarchien von Leitachsen geben, so daß sich die Position einer
oder mehrerer (virtueller) Leitachsen an einer (virtuellen) Hauptleitachse
orientiert. Es können zu einem Zeitpunkt mehrere (virtuelle) Leitachsen
und mehrere (virtuelle) Hauptleitachsen gleichzeitig existieren.
Falls in einem Antriebssystem zu einem Zeitpunkt mehrere (virtuelle)
Leitachsen vorhanden sind, liefert eine Leitachse die Positionsreferenz für
eine Anzahl von einzelnen Antrieben, die zu verschiedenen Antriebsgrup
pen gehören können.
In einem Antriebssystem kann es eine Hierarchie von (virtuellen) Lei
tachsen geben. Zum Beispiel kann es (virtuelle) Hauptleitachsen und
(virtuelle) Leitachsen geben, so daß die Position mehrerer Leitachsen von
der Position einer Hauptleitachse abgeleitet wird. Es kann zu einem Zeit
punkt mehrere Hauptleitachsen geben. Jede Hauptleitachse liefert dabei
die Positionsreferenz für eine Anzahl Leitachsen.
Es sind auch mehrstufige Leitachsenhierarchien anwendbar (3-stufige, 4-
stufige,. . .).
Die Vorgabe von Leitachsen (und Hauptleitachsen) und die Orientierung
von Einzelantrieben an Leitachsen kann dynamisch erfolgen - nach den
wechselnden Anforderungen flexibler Produktion in industriellen Pro
duktionsanlagen.
Es können auf flexible Weise Produktionsgruppen gebildet werden, die
mehrere Antriebe aus einer oder mehreren Antriebsgruppen umfassen,
welche im genauen Gleichlauf betrieben werden können und sich dabei an
der Position einer (virtuellen) Leitachse orientieren.
Es kann Hierarchien von Produktionsgruppen geben, so daß mehrere
Produktionsgruppen zu einer Produktionshauptgruppe gehören und sich
die Position der (virtuellen) Leitachsen an der Position einer (virtuellen)
Hauptleitachse orientiert.
Es kann zu einem Zeitpunkt im Antriebssystem gleichzeitig mehrere Pro
duktionsgruppen und mehrere Produktionshauptgruppen geben.
Eine Anzahl von Einzelantrieben kann für die Dauer eines Produktions
laufs, zu einer Produktionsgruppe zusammengeschaltet werden, indem
sich die Einzelantriebe für die Dauer des Produktionslaufs an einer vor
gegebenen (virtuellen) Leitachse orientieren. Nach Abschluß des Pro
duktionslaufs können die Einzelantriebe in neu und anders konfigurierte
Produktionsgruppen eingebunden werden.
Zu einem Zeitpunkt können im Antriebssystem mehrere Produktions
gruppen bestehen. Jede Produktionsgruppe besteht aus einer Anzahl von
Antrieben, deren Position sich an einer bestimmten (virtuellen) Leitachse
orientiert.
Mehrere Produktionsgruppen können für die Dauer eines Produktions
laufs zu einer Produktionshauptgruppe zusammengeschaltet werden, in
dem sich die Leitachsen der Produktionsgruppen für die Dauer des Pro
duktionslaufs an einer vorgegebenen (virtuellen) Hauptleitachse orientie
ren. Nach Ablauf des Produktionslaufs können die Leitachsen und die
Einzelantriebe in neu und unterschiedlich konfigurierte Produktions
hauptgruppen und Produktionsgruppen eingebunden werden.
Zu einem Zeitpunkt können im Antriebssystem mehrere Produktions
hauptgruppen bestehen. Jede Produktionshauptgruppe enthält eine Men
ge von (virtuellen) Leitachsen, deren Position sich an einer bestimmten
(virtuellen) Hauptleitachse orientiert.
Es sind auch mehrstufige Hierarchien von Produktionsgruppen anwend
bar (3-stufige, 4-stufige,. . .).
Die Bildung von Produktionsgruppen und Produktionshauptgruppen ist
variabel und erfolgt jeweils für eine bestimmte Zeitdauer, z. B. für die
Dauer eines bestimmten Produktionslaufs.
Ein Beispiel:
In Zeitungsdruckereien wird in einem Produktionslauf eine bestimmte Produktionsmenge (Auflage) von gleichartigen Zeitungsprodukten (Zeitungsausgabe) hergestellt. Zeitungsausgaben haben einen bestimmten Umfang (Seitenzahl) und eine bestimmte Farbigkeit der einzelnen Seiten. Unterschiedliche Zeitungsausgaben können verschiedene Umfänge und verschiedenen Farbigkeiten der einzelnen Seiten haben.
In Zeitungsdruckereien wird in einem Produktionslauf eine bestimmte Produktionsmenge (Auflage) von gleichartigen Zeitungsprodukten (Zeitungsausgabe) hergestellt. Zeitungsausgaben haben einen bestimmten Umfang (Seitenzahl) und eine bestimmte Farbigkeit der einzelnen Seiten. Unterschiedliche Zeitungsausgaben können verschiedene Umfänge und verschiedenen Farbigkeiten der einzelnen Seiten haben.
Zeitungen werden durch Bedrucken mehrerer Papierbahnen hergestellt.
Die Anzahl der Papierbahnen ist abhängig vom Umfang (Seitenzahl) der
jeweiligen Zeitungsausgabe.
Jede Papierbahn wird durch mehrere Druckzylinder bedruckt. Die Anzahl
der Druckzylinder, die verwendeten Druckzylinder und ihre Reihenfolge
sind abhängig von der Farbigkeit der Zeitungsseiten, die sich auf der Vor
derseite und der Rückseite der jeweiligen Papierbahn befinden.
Nach dem Bedrucken werden die Papierbahnen zusammengeführt und
dann in einem Falzapparat zu fertigen Zeitungen gefaltet und geschnit
ten.
Im vorliegenden Beispiel wird jeder einzelne Druckzylinder durch einen
einzelnen Antrieb bewegt. Eine Druckeinheit enthält 6 Druckzylinder mit
jeweils eigenen Antrieb. Die Antriebe einer Druckeinheit bilden eine An
triebsgruppe (mit gemeinsamem Antriebsbus und gemeinsamer Antriebs
steuerung). Der Falzapparat enthält 2 Falzzylinder. Die Antriebe des
Falzapparats bilden eine eigene Antriebsgruppe (mit gemeinsamem An
triebsbus und gemeinsamer Antriebssteuerung).
In einem Produktionslauf P1 wird eine Produktionsmenge von 100′000
Exemplaren der Zeitungsausgabe Z1 hergestellt. Die Zeitungsausgabe Z1
wird durch Bedrucken von 2 Papierbahnen hergestellt. Die Papierbahn
B1 wird von 8 Druckzylindern bedruckt, je 4 Druckzylinder mit unter
schiedlichen Farben auf jeder Seite des Papiers (4/4). Die Papierbahn B2
wird von 4 Druckzylindern bedruckt, 2 auf der Vorderseite der Bahn, 2
auf der Rückseite (2/2). Nach dem Bedrucken werden die Papierbahnen
deckungsgleich übereinander geführt und in einem Falzapparat gefalzt
und geschnitten. Der Falzapparat enthält 2 Falzzylinder.
Für die Dauer des Produktionslaufes P1 gehören alle 14 an der Produkti
on beteiligten Antriebe zu einer Produktionshauptgruppe. Die Produkti
onshauptgruppe beinhaltet 2 Produktionsgruppen. Die auf die Bahn B1
wirkenden 8 Antriebe bilden eine Produktionsgruppe. Die auf die Bahn
B2 wirkenden 4 Antriebe bilden eine zweite Produktionsgruppe. Die 2 An
triebe des Falzapparats gehören direkt zur Produktionshauptgruppe.
Die Position der (virtuellen) Hauptleitachse wird aus der gewünschten
Produktionsgeschwindigkeit durch Integration errechnet. Aus der Position
der Hauptleitachse wird die Position der (virtuellen) Leitachsen für die
einzelnen Bahnen abgeleitet. Aus der Position der Leitachse für eine
Bahn wird die Position der Folgeachsen, d. h. der Antriebe der einzelnen
auf die Bahn wirkenden Druckzylinder, abgeleitet.
Um während des Produktionslaufs die Lage einer Papierbahn (in Trans
portrichtung) mit Bezug auf die andere Papierbahn zu verschieben, damit
die Papierbahnen deckungsgleich übereinander liegen, muß nur der Po
sitionskorrekturwert für die Leitachse der entsprechenden Produktions
gruppe geändert werden.
Um während des Produktionslaufs die Lage des Druckbildes eines Druck
zylinders (in Transportrichtung) mit Bezug auf andere Druckzylinder,
welche auf die gleiche Bahn wirken, zu verändern, wird der Positionskor
rekturwert des entsprechenden Antriebs (Folgeachse) entsprechend geän
dert.
Gleichzeitig zum Produktionslauf P1 kann in der Zeitungsdruckerei eine
andere Zeitungsausgabe Z2 mit unterschiedlichem Umfang und unter
schiedlicher Farbigkeit und verschiedener Auflagenhöhe in einem Pro
duktionslauf P2 gedruckt werden - unter Verwendung der von P1 nicht
benötigten Druckzylinder. Nach Abschluß des Produktionslaufs P1 wird
eine andere Zeitungsausgabe Z3 in einem weiteren Produktionslauf P3
gedruckt.
Auch für Einrichtearbeiten in der Produktionsanlage, z. B. zum Einziehen
einer Papierbahn durch Druckeinheiten, können im Antriebssystem tem
porär entsprechende Produktionsgruppen gebildet werden. Die Bildung
von Produktionsgruppen ist dynamisch in dem Sinne, daß während des
Betriebs die Zuordnung von Folgeachsen zu Leitachsen geändert werden
kann.
Bezugszeichenliste
1 Antriebssystem
2 Antriebsgruppe
3 Antriebssteuerung
4 Antrieb
5 Motor
6 Antriebsregler
7 Leistungselektronikschaltung
8 Antriebsbus
9 Steuereinheit
10 Antriebsdatennetz
11 Synchronisationstaktgeber
12 Teilnetz 1
13 Teilnetz 2
S₁. . .SN Sollwertdaten
TG globaler Synchronisationstakt
TL lokaler Synchronisationstakt
TGH globaler Synchronisationshaupttakt
TGN globaler Synchronisationsnebentakt
D₁. . .D₇ Datensätze
2 Antriebsgruppe
3 Antriebssteuerung
4 Antrieb
5 Motor
6 Antriebsregler
7 Leistungselektronikschaltung
8 Antriebsbus
9 Steuereinheit
10 Antriebsdatennetz
11 Synchronisationstaktgeber
12 Teilnetz 1
13 Teilnetz 2
S₁. . .SN Sollwertdaten
TG globaler Synchronisationstakt
TL lokaler Synchronisationstakt
TGH globaler Synchronisationshaupttakt
TGN globaler Synchronisationsnebentakt
D₁. . .D₇ Datensätze
Claims (33)
1. Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems (1), das mindestens zwei
Antriebsgruppen (2) umfaßt, wobei jede Antriebsgruppe (2) eine An
triebssteuerung (3) und mindestens einen Antrieb (4) umfaßt, wobei
ein Antrieb mindestens einen Motor (5) und einen Antriebsregler (6)
umfaßt und die Antriebsregler einer Antriebsgruppe über einen An
triebsbus (8) untereinander und die Antriebssteuerungen (3) mit über
geordneten Steuereinheiten (9) verbunden sind, und wobei die An
triebssteuerungen (3) der Antriebsgruppen (2) über ein eigenes An
triebsdatennetz (10) untereinander verbunden sind und die Antriebs
regler (6) einer Antriebsgruppe (2) mittels eines lokalen, insbesondere
in der Antriebssteuerung (3) erzeugten, über den Antriebsbus (8) über
tragenen Synchronisationstaktes (TL) synchronisiert werden;
dadurch gekennzeichnet, daß
- (a) die lokalen Synchronisationstakte (TL) über das Antriebsdatennetz (10) an einen globalen Synchronisationstakt (TG) angeglichen wer den;
- (b) für die Antriebsgruppen bestimmte Sollwertdaten (S₁. . .SN) nach Massgabe des globalen Synchronisationstaktes (TG) zwischen den Antriebssteuerungen (3) der Antriebsgruppen (2) übertragen wer den;
- (c) die über das Antriebsdatennetz (10) übertragenen Sollwertdaten (S₁. . .SN) Sollwerte von Leitachsen und/oder Folgeachsen enthalten;
- (d) die Sollwerte von Leitachsen und/oder Folgeachsen zeitlich konsi stent berechnet und/oder über das Antriebsdatennetz (10) übertra gen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über
das Antriebsdatennetz (10) übertragenen Sollwertdaten (S₁. . .SN) Posi
tionsangaben von Leitachsen, insbesondere von virtuellen Leitachsen,
enthalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll
werte (S₁. . .SN) der Antriebsgruppen (2) nach Massgabe eines Positi
onswertes einer oder mehrerer virtueller Leitachsen in den Antriebs
steuerungen (3) berechnet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Antriebsteuerungen (3) zur Bildung des globalen Syn
chronisationstaktes (TG) ausgerüstet sind und daß mittels einer Vor
rangsliste bestimmt wird, welche Antriebssteuerung zur Vorgabe des
globalen Synchronisationstaktes (TG) berechtigt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor
rangsliste zyklisch durchlaufen wird, so daß der globale Synchronisa
tionstakt (TG) nacheinander für eine bestimmte Zeitspanne von ver
schiedenen Antriebssteuerungen (3) erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Synchronisationstaktgeber (11) in das Antriebsdatennetz ein
gebunden wird, der für die Erzeugung des globalen Synchronisati
onstaktes (TG) geeignet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der globale Synchronisationstakt (TG) in einen Haupttakt (TGH)
und mindestens einen Nebentakt (TGN) unterteilt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sollwertdaten (S₁. . .SN) in festen Zeitfenstern übertragen wer
den.
9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Positi
onswerte der virtuellen Leitachsen durch Integration von vorgegebe
nen Geschwindigkeitssollwerten berechnet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Soll
wertdaten (S₁. . .SN) synchron und zyklisch über das Antriebsdatennetz
(10) bzw. den Antriebsbus (8) übertragen werden, daß die Sollwerte
synchron und zyklisch in den Antriebssteuerungen (3) berechnet wer
den und daß die Antriebe (4) synchron und zyklisch geregelt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hierarchi
en von Hauptleitachsen und Leitachsen gebildet werden, so daß die
Sollwertdaten einer oder mehrerer Leitachsen aus den Sollwertdaten
einer oder mehrerer Hauptleitachsen berechnet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu
einem Zeitpunkt mehrere Leitachsen und/oder Hauptleitachsen gebil
det werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine
variable Zuordnung von Antrieben (4) zu Leitachsen flexible Produkti
onsgruppen gebildet werden.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß mindestens eine Antriebssteuerung (3) ei
nen Synchronisationstaktgeber (11) zur Bildung des globalen Syn
chronisationstaktes (TG) umfaßt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das An
triebsdatennetz (10) eine ring- oder busförmige Struktur aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das An
triebsdatennetz (10) ein erstes und ein zweites Teilnetz (12 bzw. 13)
umfaßt, wobei über das erste Teilnetz (12) der globale Synchronisati
onstakt (TG) und über das zweite Teilnetz (13) die Sollwertdaten
(S₁. . .SN) übertragen werden.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das An
triebsdatennetz ein erstes und ein zweites Teilnetz (12 bzw. 13) umfaßt,
wobei in das erste Teilnetz (12) ein globaler Synchronisati
onstaktgeber (11) eingebunden ist, von welchem sternförmig Datenlei
tungen zu den Antriebssteuerungen der Antriebsgruppen führen, und
das zweite Teilnetz (13) alle Antriebssteuerungen (3) verbindet und ei
ne ring- oder busförmige Form aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß
das Antriebsdatennetz redundant ausgeführt ist.
19. Antriebssystem (1), das mindestens zwei Antriebsgruppen (2) umfaßt,
wobei jede Antriebsgruppe (2) eine Antriebssteuerung (3) und minde
stens einen Antrieb (4) umfaßt, wobei ein Antrieb mindestens einen
Motor (5) und einen Antriebsregler (6) umfaßt und die Antriebsregler
einer Antriebsgruppe über einen Antriebsbus (8) untereinander und
die Antriebssteuerungen (3) mit übergeordneten Steuereinheiten (9)
verbunden sind, und wobei die Antriebssteuerungen (3) der
Antriebsgruppen (2) über ein eigenes Antriebsdatennetz (10) untereinander
verbunden sind und die Antriebsregler (6) einer Antriebsgruppe (2)
mittels eines lokalen, insbesondere in der Antriebssteuerung (3) er
zeugten, über den Antriebsbus (8) übertragenen Synchronisationstak
tes (TL) synchronisiert werden;
dadurch gekennzeichnet, daß
- (a) die lokalen Synchronisationstakte (TL) über das Antriebsdatennetz (10) an einen globalen Synchronisationstakt (TG) angeglichen wer den;
- (b) für die Antriebsgruppen bestimmte Sollwertdaten (S₁. . .SN) nach Massgabe des globalen Synchronisationstaktes (TG) zwischen den Antriebssteuerungen (3) der Antriebsgruppen (2) übertragen wer den;
- (c) die über das Antriebsdatennetz (10) übertragenen Sollwertdaten (S₁. . .SN) Sollwerte von Leitachsen und/oder Folgeachsen enthalten;
- (d) die Sollwerte von Leitachsen und/oder Folgeachsen zeitlich konsi stent berechnet und/oder über das Antriebsdatennetz (10) übertra gen werden.
20. Antriebssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die
über das Antriebsdatennetz (10) übertragenen Sollwertdaten (S₁. . .SN)
Positionsangaben von Leitachsen, insbesondere von virtuellen Leitach
sen, enthalten.
21. Antriebssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sollwerte (S₁. . .SN) der Antriebsgruppen (2) nach Massgabe eines Posi
tionswertes einer oder mehrerer virtueller Leitachsen in den Antriebs
steuerungen (3) berechnet werden.
22. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß mehrere Antriebsteuerungen (3) zur Bildung des globa
len Synchronisationstaktes (TG) ausgerüstet sind und daß mittels ei
ner Vorrangsliste bestimmt wird, welche Antriebssteuerung zur Vor
gabe des globalen Synchronisationstaktes (TG) berechtigt ist.
23. Antriebssystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrangsliste zyklisch durchlaufen wird, so daß der globale Synchro
nisationstakt (TG) nacheinander für eine bestimmte Zeitspanne von
verschiedenen Antriebssteuerungen (3) erzeugt wird.
24. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Synchronisationstaktgeber (11) in das Antriebsda
tennetz eingebunden ist, der für die Erzeugung des globalen Synchro
nisationstaktes (TG) geeignet ist.
25. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekenn
zeichnet, daß der globale Synchronisationstakt (TG) in einen Haupt
takt (TGH) und mindestens einen Nebentakt (TGN) unterteilt ist.
26. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Sollwertdaten (S₁. . .SN) in festen Zeitfenstern über
tragen werden.
27. Antriebssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die
Positionswerte der virtuellen Leitachsen durch Integration von vorge
gebenen Geschwindigkeitssollwerten berechnet werden.
28. Antriebssystem nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß die
Sollwertdaten (S₁. . .SN) synchron und zyklisch über das Antriebsdatennetz (10)
bzw. den Antriebsbus (8) übertragen werden, daß die Soll
werte synchron und zyklisch in den Antriebssteuerungen (3) berechnet
werden und daß die Antriebe (4) synchron und zyklisch geregelt wer
den.
29. Antriebssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
Hierarchien von Hauptleitachsen und Leitachsen gebildet werden, so
daß die Sollwertdaten einer oder mehrerer Leitachsen aus den Soll
wertdaten einer oder mehrerer Hauptleitachsen berechnet werden.
30. Antriebssystem nach Anspruch 19 und 29, dadurch gekennzeichnet,
daß zu einem Zeitpunkt mehrere Leitachsen und/oder Hauptleitach
sen gebildet werden.
31. Antriebssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
durch eine variable Zuordnung von Antrieben (4) zu Leitachsen flexi
ble Produktionsgruppen gebildet werden.
32. Rotationsdruckmaschine mit einem Antriebssystem umfassend eine
Vielzahl von Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebssy
stem nach einem der Ansprüche 1 bis 18 betrieben wird.
33. Rotationsdruckmaschine mit einem Antriebssystem umfassend eine
Vielzahl von Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebssy
stem nach einem der Ansprüche 19 bis 31 ausgebildet ist.
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CN (1) | CN1230722C (de) |
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