DE19845657A1 - Einrichtung zum dynamischen Regeln einer Anlage - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Einrichtung (2) zum dynamischen Regeln einer Anlage, insbesondere einer Lackieranlage (28), umfaßt Regelkreise mit Istwertgebern (14, 16) und Reglern (18, 20), wobei ein serielles Bussystem zur Datenübertragung als Komponente wenigstens zweier Regelkreise vorgesehen ist, so daß die Istwertgeber (14, 16) und Regler (18, 20) der jeweiligen Regelkreise für einen Austausch der Daten als Teilnehmer am Bussystem angeschlossen sind. Durch diese Maßnahme ist ein einfacher Aufbau und ein störungsfreier Betrieb der Anlage gewährleistet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum dynamischen Betreiben einer Anlage, insbesondere auf eine Lackieranlage, welche Regelkreise mit Istwertgebern und Antriebsreglern umfaßt.

Industrielle Maschinen und Anlagen, beispielsweise Anlagen in der Kraftfahrzeugfertigung, zeichnen sich durch ihren komplexen Aufbau aus. Beim Betrieb einer Anlage laufen eine Vielzahl von Steuer- und Regelprozesse ab. Die den ablaufenden Prozessen entsprechenden Komponenten der Anlage werden in der Regel nicht vom selben Hersteller zur Verfügung gestellt. Im Betriebszustand wirken Komponenten bzw. Systeme verschiedener Hersteller zusammen. Dies führt zu aufwendigen Anlagen mit einer hohen Anzahl von Komponenten, wodurch die Zeit für den Fertigungszyklus erhöht wird und zugleich die Störanfälligkeit der gesamten Anlage steigt.

In einer Lackieranlage für Kraftfahrzeuge wird das Lackiergut beispielsweise in einem Bearbeitungstunnel über eine Strecke von angenähert 80 m bewegt. Auf der Strecke wird das Lackiergut mit Hilfe von Portalumsetzern in einer Anzahl von Becken (in der Regel mehr als 10 Becken) bearbeitet, wobei die einzelnen Becken zur Aufbereitung des Lackiergutes oder zum Auftragen einer Lackschicht dienen. Mit Portalumsetzern wird das Lackiergut in einem Tauchrahmen durch den Bearbeitungstunnel geführt.

Der Tauchrahmenrücktransport erfolgt entgegen der Produktionsrichtung über Leerbecken. Insgesamt werden bei der vorgegebenen Länge der Produktionsstrecke wenigstens fünf Portalumsetzer für den Transportweg eingesetzt.

Die Portalumsetzer werden räumlich bedingt in Hubrichtung und in Fahrtrichtung über je zwei nicht mechanisch miteinander verbundenen Motoren angetrieben. Die dafür notwendige Gleichlaufregelung der zueinander gehörenden Achsen wird über Antriebsregler mit Drehzahlrückführung im Master/Slave-Verfahren realisiert.

Die Drehzahlrückführung erfolgt mit Resolvern, die direkt mit der Motorachse verbunden sind. Im Anschluß werden die Resolversignale des Masterantriebes in ein Encodersignal gewandelt und dem Slaveantrieb als Sollwert übergeben, wodurch die Gleichlaufregelung der Motoren gesteuert wird.

Die Positionierung der Portalumsetzer wird in Fahrtrichtung ausschließlich im Master/Slave-Verfahren realisiert. Durch den komplexen Aufbau der Wegmessung, welche in den Bearbeitungstunnel der Lackieranlage integriert ist, und das in Reihe schalten verschiedener Regelkreise (beispielsweise für Positionsregelung, Stromregelung und Lageregelung) mehrerer Hersteller kommt es zu einer Vielzahl von Meß-Regelfehlern, insbesondere für die Position der Portalumsetzer, aufgrund nicht ausreichender Kompatibilität zwischen den verschiedenen Systemen der Hersteller. Hieraus resultiert ein Geschwindigkeitsverlust der Portalumsetzer während des Lackiervorganges und damit eine Verlangsamung des gesamten Lackier- und Fertigungszyklus.

Auch aufgrund der Kabellängen und der hohen Anzahl der Kabel im Kabelschlepp, jede Regelung benötigt ihren eigenen Kabelstrang, kommt es vermehrt zu Meß- bzw. Datenübertragungsfehlern. Davon sind einerseits die Drehzahlrückführung der Antriebsregler und andererseits die Achskarten mit den Absolutmeßgebern für den Hub der Portalumsetzer betroffen. Die relativ hohe Anzahl der Positionsregelungen im Bereich der Portalumsetzer hat eine Überlastung der entsprechenden Steuerung zur Folge, welche neben weiteren Aufgaben außerdem den Datenaustausch mit weiteren Steuerungen realisiert. Aus diesem Grund wird mit hohen Zykluszeiten in der Mastertask von angenähert 150 ms gearbeitet werden.

Nur durch die Übertragung von zeitunkritischen Prozessen in verschiedene Nebentasks, welche mit einer Zykluszeit von etwa 500 ms realisiert werden, ist überhaupt ein Betrieb der Anlage möglich.

Der Erfindung liegt somit vorrangig die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum dynamischen Betreiben einer Anlage, insbesondere einer Lackieranlage anzugeben, die hinsichtlich des Aufbaus vereinfacht ist und einen weitgehend störungsfreien Betrieb der Anlage gewährleistet.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung zum dynamischen Betreiben einer Anlage, insbesondere einer Lackieranlage, welche Regelkreise mit Istwertgebern und Reglern umfaßt, wobei gemäß der Erfindung ein serielles Bussystem zur Datenübertragung als Komponente wenigstens zweier Regelkreise vorgesehen ist, so daß die Istwertgeber und Regler der jeweiligen Regelkreise für einen Austausch der Daten innerhalb des jeweiligen Regelkreises als Teilnehmer am Bussystem angeschlossen sind.

Die Einrichtung enthält ein serielles Bussystem, welches dezentral verteilte Ein-/Ausgabemodule, insbesondere Istwertgeber, und Automatisierungsgeräte, beispielsweise Regler zum Antrieb der Portalumsetzer, über ein serielles Übertragungsverfahren miteinander und mit Steuerungs- und Rechnersystemen verbindet. Es können sowohl unterschiedliche Steuerungs- und Rechnersysteme als auch unterschiedliche Feldgeräte von verschiedenen Herstellern am Bussystem angeschlossen werden. Es gibt für den Anwender keine Auswahlbeschränkung hinsichtlich der Geräte, die er zur Umsetzung von Peripherie- und Steuerungslösungen einsetzen möchte. Istwertgeber und Regler verschiedener Regelkreise sind an ein und demselben Bussystem angeschlossen. D. h. daß das Bussystem Teil oder Komponente mehrerer Regelkreise, im Idealfall aller Regelkreise, ist. Mit der gemeinsamen Benutzung des Bussysytems durch mehrere Regelkreise können Kabelstränge eingespart werden. Durch überflüssige Kabellängen und durch Nichtkompatibilität verschiedener Systeme verursachte Fehler bei der Datenübertragung und Verarbeitung werden weitgehend vermieden.

Die Einrichtung weist somit einen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtungen vereinfachten Aufbau aus und gewährleistet einen weitgehend störungsfreien Betrieb der Anlage.

Insbesondere ist das serielle Bussystem als Datenring aufgebaut ist. Der Datenring hat die Struktur eines Schieberegisters. Jeder Busteilnehmer mit Ein-/Ausgabefunktion verbindet die digitale oder analoge Prozeßperipherie über seine Datenregister mit dem Datenring des Bussystems. Zur Vereinfachung der Systeminstallation sind die Hin- und Rückleitung des Ringsystems innerhalb eines Kabelstranges realisiert.

Vorzugsweise ist eine Anschaltbaugruppe zur Kontrolle des Bussystems vorgesehen ist. Die Anschaltbaugruppe ist das zentrale Gerät zur Kontrolle des Datenrings. Sie tauscht die im Datenring seriell transportierten Daten mit dem übergeordneten Steuerungs- oder Rechnersystem und den untergeordneten Busteilnehmern in beiden Richtungen zeitgleich und zyklisch aus.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Anschaltbaugruppe mit einem Steuerungssystem beaufschlagt. Die Sollwertvorgabe und die Überwachung der Regler der jeweiligen Regelkreise erfolgt über das Steuerungssystem. Das Steuerungssystem übernimmt somit Aufgaben, die in aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtungen von Baugruppen des jeweiligen Regelkreises erfüllt werden müßten. Das Steuerungssystem überwacht und steuert somit mehrere Regelkreise.

Vorteilhafterweise weist der Datenring eine Zykluszeit von etwa 8 ms auf. Der angegebene Wert wird bei einer Teilnehmerzahl von etwa 40 am Datenring erreicht. Damit wird die Zykluszeit wenigstens um den Faktor 10 gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen verringert. Die Regelung der einzelnen Größen erfolgt dynamisch, d. h. nahezu kontinuierlich. Das Bussystem wird also zur Steuerung zeitkritischer Prozesse verwendet. Ein dynamischer Betrieb der Anlage ist gewährleistet.

Insbesondere ist ein Positionsgeber, beispielsweise als Laser-System ausgeführt, außerhalb des Bearbeitungstunnels angeordnet. Die aggressiven Einflüsse auf das Meßsystem, verursacht durch hohe Luftfeuchte, alkalische Entfettungsbäder und saure Phosphatiermedien, entfallen durch die Anordnung des Positionsgebers außerhalb des Bearbeitungstunnels.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zum dynamischen Betreiben einer Anlage in schematischer Darstellung;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Lackieranlage in schematischer Darstellung.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung 2 zum dynamischen Betreiben einer Anlage, insbesondere einer Lackieranlage in einer Kraftfahrzeugproduktion, enthält ein serielles Bussystem, welches hier als Datenring 4 aufgebaut ist. Der Datenfluß erfolgt in Richtung der Pfeile 6. Im Datenring 4 ist eine Anschaltbaugruppe 8 als zentrales Gerät zur Kontrolle des Datenrings 4 angeordnet.

Die Anschaltbaugruppe 8 ist über eine Datenverbindung 10 mit einem Steuerungssystem 12 beaufschlagt. Die Anschaltbaugruppe 8 tauscht die im Datenring 4 seriell transportierten Daten mit dem übergeordneten Steuerungssystem 12 und untergeordneten Busteilnehmern in beiden Richtungen zeitgleich und zyklisch aus.

Jeweils zwei Istwertgeber 14, 16 und Regler 18, 20 sind über Datenverbindungen 22 an den Datenring 4 als Busteilnehmer angeschlossen. In der Regel sind an den Datenring 4 mehr als 40 Busteilnehmer angeschlossen.

Ein erster Regelkreis umfaßt den Istwertgeber 14, die Anschaltbaugruppe 8, den Regler 18, das Steuerungssystem 12 und den Datenring 4. Ein zweiter Regelkreis umfaßt den Istwertgeber 16, die Anschaltbaugruppe 8, den Regler 20, das Steuerungssystem 12 und ebenfalls den Datenring 4. Der Datenring 4 ist Bestandteil sowohl des ersten als auch des zweiten Regelkreises. Für beide Regelkreise erfolgt der Datenaustausch über den Datenring 14.

Die Istwertgeber 14, 16 sind in diesem Ausführungsbeispiel Positionsgeber für Portalumsetzer 24, 26 in einer Lackieranlage 24 (siehe auch Fig. 2), wobei die Portalumsetzer 24, 26 über die elektrischen Leitungen 30 bzw. 32 von den Reglern 18 bzw. 20 angetrieben werden.

Mit entsprechenden Istwertgebern 14, 16 und Reglern 18, 20 sind die Regelkreise aber auch in einer nicht dargestellten Ausführungsform zum Einstellen jeder anderen physikalischen geeignet.

Die Istwertgeber 14, 16 erfassen die Position der Portalumsetzer 24 bzw. 26 über die elektrischen Leitungen 34 bzw. 36. Die Istwerte der Position werden über den Datenring 4 an die Anschaltbaugruppe 8 weitergeleitet, welche den Istwert an das Steuerungssystem 12 weiterleitet. Die neu berechneten Sollwerte für die Position der Portalumsetzer 24, 26 wird vom Steuerungssystem 12 über die Anschaltbaugruppe 8 in den Datenring 4 eingespeist, über welchen die neuen Sollwerte für die Position in die Regler 18, 20 zum Antrieb der Portalumsetzer 24 bzw. 26 gelangen. In den Reglern 18, 20 werden beispielsweise bei einer Drehzahlregelung die den Sollwerten der Position entsprechenden Drehzahlen berechnet. Die berechneten Drehzahlen werden als Stellgrößen an die Portalumsetzer 24 bzw. 26 weitergegeben.

Die Zykluszeit des Datenrings 4 beträgt angenähert 8 ms. D. h. daß ca. alle 8 ms der Istwert des jeweiligen Istwertgebers 14, 16 abgefragt wird und der neue Sollwert für die Position berechnet und eingestellt wird. Voraussetzung ist, daß die Istwertgeber 14, 16 wenigstens alle 8 ms einen neuen Istwert ermitteln. Ein dynamischer Betrieb der Lackieranlage ist somit gewährleistet.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Ausschnitt aus der bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 angesprochenen Lackieranlage 28. Ein Bearbeitungstunnel 50 enthält die hintereinander angeordneten Becken 52, 54, 56 (in der Regel enthält eine Lackieranlage mehr als 10 Becken) und zwei Portalumsetzer 24, 26, welche das nicht dargestellte Lackiergut zur Bearbeitung in den Becken transportieren. Die Portalumsetzer 24, 26 decken jeweils nur einen bestimmten Teilbereich des Bearbeitungstunnels 50 ab, wobei die Richtung des Fertigungsablaufs durch den Pfeil 58 angegeben ist. Eine vollständige Lackieranlage weist wenigstens 5 Portalumsetzer auf.

Zum Betrieb der Lackieranlage 28 ist die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung 2 vorgesehen, welche außerhalb des Bearbeitungstunnels 50 angeordnet ist. Die Einrichtung 2 ist nur vereinfacht dargestellt, wobei übersichtlichkeitshalber die detaillierte Verschaltung der Einrichtung 2 mit den zu regelnden Komponenten des Bearbeitungstunnels 50 nicht dargestellt ist. Die äußere Abgrenzung des Bearbeitungstunnels 50 zur Einrichtung 2 ist durch die gestrichelte Linie 60 veranschaulicht.

Die Einrichtung 2 enthält Laser-Systeme 62, 64 als Positionsgeber für die Portalumsetzer 24 bzw. 26, welche außerhalb des Bearbeitungstunnels 50 nicht den aggressiven chemischen Einflüssen der Becken 52, 54, 56 ausgesetzt sind. Lediglich die Lichtsignale 66, 68 der Laser-Systeme 62 bzw. 64, welche von den Portalumsetzern 24, 26 reflektiert werden, verlaufen im Bearbeitungstunnel 50.

In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Positionsgeber ein eine Meßschiene aufweisendes System verwendet. Auch diese wird außerhalb des Bearbeitungstunnels 50 positioniert.

Die Lackierungsanlage 58 mit der Einrichtung 2 weist eine Verfügbarkeit von ca. 97% bezogen auf Ausfälle der Steuerungstechnik auf. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen ergibt sich für den Lackierprozeß eine Zeitersparnis von etwa 20%, wobei die Anlagenverfügbarkeit um 20% erhöht wird. Außerdem vermindern sich die Kosten für Kabel und Verdrahtung, Software und Inbetriebnahme wesentlich.

Claims (9)

1. Einrichtung (2) zum dynamischen Regeln einer Anlage, insbesondere einer Lackieranlage (28), welche Regelkreise mit Istwertgebern (14, 16) und Reglern (18, 20) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein serielles Bussystem zur Datenübertragung als Komponente wenigstens zweier Regelkreise vorgesehen ist, so daß die Istwertgeber (14, 16) und Regler (18, 20) der jeweiligen Regelkreise für einen Austausch der Daten als Teilnehmer am Bussystem angeschlossen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das serielle Bussystem als Datenring (4) aufgebaut ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anschaltbaugruppe (8) zur Kontrolle des Bussystems vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschaltbaugruppe (8) mit einem Steuerungssystem (12) beaufschlagt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine Zykluszeit des Datenrings (4) von etwa 8 ms.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Istwertgeber (14, 16) ein Positionsgeber vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber außerhalb eines Bearbeitungstunnels (50) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Positionsgeber ein Laser-System (62, 64) vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Positionsgeber ein eine Meßschiene beinhaltendes System vorgesehen ist.