DE202004013341U1

DE202004013341U1 - Antriebssystem einer Leitungstrommel

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Publication number: DE202004013341U1
Application number: DE202004013341U
Authority: DE
Original assignee: Wampfler AG
Current assignee: Conductix Wampfler GmbH
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2014-08-27

Abstract

Antriebssystem einer Leitungstrommel mit einem Motor, mit einem zur Ansteuerung des Motors vorgesehenen Frequenzumrichter, und mit einer Steuer- und Regeleinrichtung, welche mindestens ein von der Bewegung der Leitungstrommel abhängiges Sensorsignal aufnimmt und mindestens ein den Motorstrom beeinflussendes Ausgangssignal an den Frequenzumrichter abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (8) und die Steuer- und Regeleinrichtung (9) zu einer Baueinheit (10) zusammengefaßt sind, und daß diese Baueinheit (10) unmittelbar an dem Motor (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem einer Leitungstrommel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Systeme kommen bei der Versorgung beweglicher Verbraucher, beispielsweise in Form von Kränen, die während ihres Betriebes über Leitungen variabler Länge mit elektrischen, hydraulischen und/oder pneumatischen Versorgungseinrichtungen verbunden sein müssen, zum Einsatz. Ihre Aufgabe liegt in der Hauptsache darin, eine Leitungstrommel so zu bewegen, daß die Leitung je nach Bedarf ab- oder aufgewickelt wird, und daß sie dabei stets unter einer konstanten, vorbestimmten Zugspannung gehalten wird. Ein Beispiel findet sich in der DE 39 21 679 A1 . Bei der dort beschriebenen Lösung wird das Drehmoment des Motors in Abhängigkeit vom aktuellen Wickelradius der Leitungstrommel variiert, wozu ein als Steuer- und Regeleinrichtung fungierender Mikroprozessor den Drehwinkel der Trommel von einem Sensor einliest, mit Hilfe einer in seinem Speicher hinterlegten Funktion das aktuell benötigte Drehmoment errechnet, und einen zur Stromversorgung des Motors vorgesehenen Frequenzumrichter entsprechend ansteuert.
Nach dem Stand der Technik sind die Komponenten eines derartigen Systems, wie Frequenzumrichter, Ein-/Ausgangsdrossel, Sicherungselemente sowie die Steuer- und Regeleinrichtung separat und in einer gewissen Entfernung von dem Motor in einem eigens dafür vorgesehenen Schaltschrank angeordnet. Der Grund hierfür liegt in der thermischen Belastung der unmittelbaren Umgebung eines zum Antrieb der Leitungstrommel vorgesehenen Motors durch dessen Verlustleistung. Ein Signalaustausch mit der zentralen Anlagensteuerung, die im Fall eines Kranes üblicherweise als Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) realisiert ist, erfolgt über potentialfreie Kontakte mittels Koppelrelais zur galvanischen Trennung, oder über ein Feldbussystem. Dabei ist beim Einsatz von Koppelrelais in Bezug auf deren Steuerspannung eine anlagenbezogene Anpassung erforderlich. Externe Sensorsignale, die zusätzlich zu den Signalen der Anlagensteuerung zum Betrieb benötigt werden, werden der Steuer- und Regeleinrichtung ebenfalls über Koppelrelais zugeführt. Wegen Problemen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ist eine aufwendige Trennung von Leistungs- und Steuerteil in der Leitungsverlegung sowie im Schaltschrank nötig. Die elektromagnetischen Störeinwirkungen entstehen insbesondere durch lange Leitungen zu den Sensoren und Aktoren, die für eine kapazitive Einkopplung von Störsignalen anfällig sind.
Was die Sensorik anbelangt, so ist zum Betrieb einer Leitungstrommel ein geschlossener Regelkreis mit direkter Erfassung einer Zustandsgröße der Leitungstrommel (z.B. Drehzahl) unerläßlich, da es notwendig ist, die Spannung in der Leitung über eine Drehmomentregelung des Trommelantriebs auch im Stillstand der Trommel auf einem vorbestimmten Wert zu halten. Regelungskonzepte, die ausschließlich auf Zustandsgrößen des Motors basieren, sind daher für den Antrieb einer Leitungstrommel unzureichend.
Zusammenfassend bestehen bei herkömmlichen Antriebssystemen für Leitungstrommeln folgende Nachteile:

– Großer Schaltschrank
– EMV-Probleme beim Aufbau des Schaltschranks und bei der Leitungsverlegung zum Antrieb und zu den Sensoren bzw. Aktoren
– Einkopplung von Störsignalen auf Signalleitungen
– Anlagenabhängige Schnittstelle
– Steuerprogramm im Frequenzumrichter oder zusätzliche SPS für die Trommelsteuerung nötig
– Keine durchgängige Visualisierung von der Anlagen-SPS bis auf die Antriebsebene möglich
– Keine Möglichkeit zur Ferndiagnose
– Zeit- und kostenintensiver Installationsaufwand für die Leitungsverlegung zwischen Steuerung und Antrieb

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem einer Leitungstrommel zu schaffen, das die Überwindung der genannten Nachteile ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß sind bei einem Antriebssystem einer Leitungstrommel mit einem Motor, mit einem zur Ansteuerung des Motors vorgesehenen Frequenzumrichter, und mit einer Steuer- und Regeleinrichtung, welche mindestens ein von der Bewegung der Leitungstrommel abhängiges Sensorsignal aufnimmt und mindestens ein den Motorstrom beeinflussendes Ausgangssignal an den Frequenzumrichter abgibt, der Frequenzumrichter und die Steuer- und Regeleinrichtung zu einer Baueinheit zusammengefaßt und diese Baueinheit ist unmittelbar an dem Motor angeordnet. Vorzugsweise ist die besagte Baueinheit direkt an das Motorgehäuse angebaut oder in dieses integriert. Damit entfällt die Notwendigkeit eines zusätzlichen Schaltschranks und die im Stand der Technik vorhandenen EMV-Probleme aufgrund langer Leitungen werden weitgehend vermieden. Die Erfindung überwindet das in Fachkreisen offenbar bestehende Vorurteil, daß eine räumlich kompakte Kombination aus Motor, Frequenzumrichter, sowie Steuer- und Regeleinrichtung bei Antrieben von Leitungstrommeln, die eine relativ große Leistung haben, aus thermischen Gründen nicht in Betracht käme.
Vorteilhafterweise weist die Baueinheit aus Frequenzumrichter und Steuer- und Regeleinrichtung außer Eingangsanschlüssen für mindestens einen Sensor und/oder für eine manuelle Bedieneinheit auch einen Feldbusanschluß auf und bietet die Funktion einer Übertragungsschnittstelle zwischen den Eingangsanschlüssen und dem Feldbusanschluß, der zur Verbindung mit einer übergeordneten Anlagensteuerung vorgesehen ist. Dadurch erübrigt sich die Bereitstellung einer der Leitungstrommel eigens zugeordneten SPS zur Wahrnehmung spezifischer Steuer- und/oder Regelaufgaben. Alle nicht bereits von der Baueinheit aus Frequenzumrichter und Steuer- und Regeleinrichtung erfüllten Aufgaben können der zentralen Anlagensteuerung übertragen und von dieser über den Feldbus wahrgenommen werden.
Ist als Bestandteil der Baueinheit aus Frequenzumrichter und Steuer- und Regeleinrichtung ein Feldbusanschluß vorgesehen, so bietet es sich an, daß auch der Frequenzumrichter über den Feldbusanschluß steuerbar und/oder sein Betriebszustand auslesbar ist. Dabei ermöglicht letzteres eine Ferndiagnose des Umrichters von der zentralen Anlagensteuerung aus sowie eine Visualisierung seines Betriebszustandes an einer zentralen Bedien- und Beobachtungstafel für die gesamte Anlage.
Eine weitere von der erfindungsgemäßen Baueinheit aus Frequenzumrichter und Steuer- und Regeleinrichtung erfüllbare Aufgabe ist die Steuerung einer auf die Leitungstrommel wirkenden Bremse, wozu ein entsprechender Ausgangsanschluß vorzusehen ist.
Hinsichtlich der Regelung der Spannung der auf der Leitungstrommel aufgewickelten Leitung über das Drehmoment des Trommelantriebs kann die Baueinheit aus Frequenzumrichter und Steuer- und Regeleinrichtung Bestandteil eines autonomen Regelkreises sein, der außerdem den Motor, die Leitungstrommel und mindestens einen der Leitungstrommel zugeordneten Zustandssensor umfaßt. In diesem Fall weist die Baueinheit einen Speicher für Betriebsparameter des autonomen Regelkreises auf, der über den Feldbusanschluß beschreibbar ist, und auf den im Betrieb des autonomen Regelkreises zugegriffen wird. Dies bedeutet, daß der Regelkreis komplett vor Ort unmittelbar am Motor realisiert ist und von der Anlagensteuerung aus über den Feldbus lediglich parametriert werden muß.
Alternativ kann bei der Baueinheit aus Frequenzumrichter und Steuer- und Regeleinrichtung auch auf eine Reglerfunktion verzichtet werden, so daß die Baueinheit ausschließlich als Sensor- und Aktorschnittstelle für einen Regelkreis fungiert, bei dem die Reglerfunktion über den Feldbusanschluß von einer zentralen Anlagensteuerung ausgeübt wird. Obgleich sich der Regelkreis in diesem Fall über eine relativ lange Leitung erstreckt, ergeben sich keine EMV-Probleme, da die lange Leitung eine Feldbusleitung ist, auf der keine störempfindlichen Analogsignale, sondern lediglich digitale Datentelegramme übertragen werden.
Zusammenfassend bietet ein erfindungsgemäßes System folgende Vorteile:

– Definierte Schnittstellensignale
– EMV-Unempfindlichkeit
– Kompakte Arbeitseinheit
– Wegfall der Ausgangsdrossel zwischen Steuerung und Motor
– Kein Schaltschrank nötig
– Steuerprogramm in vorhandener Anlagen-SPS
– Verbesserte Visualisierung (einschließlich Frequenzumrichter-Status)
– Ferndiagnose bzw. -artung je nach vorhandener Antriebsvernetzung möglich
– Geringere Montagekosten des Systems in Vorfertigung und Endmontage

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Leitungstrommel mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem,
2 ein elektrisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Antriebssystems aus 1 und
3 einen regelungstechnischen Signalflußplan eines erfindungsgemäßen Antriebssystem nach den 1 und 2.
1 zeigt eine Leitungstrommel 1, auf der eine Versorgungsleitung für einen im Betrieb beweglichen Verbraucher, wie beispielweise einen Kran, aufgewickelt ist. Die Leitungstrommel 1 wird durch einen Motor 2 über ein Getriebe 3 angetrieben, um die Leitung bei einer Bewegung des Verbrauchers je nach Bedarf auf- oder abzuwickeln und sie unter einer konstanten, vorbestimmten Spannung zu halten. Durch eine Bremse 4 kann die Drehung der Leitungstrommel 1 verzögert werden. An das Gehäuse des Getriebes 3 angebaut ist ein Schleifringkörpergehäuse 5. Direkt an den Motor 2 angebaut sind eine Heizung 6 und ein Fremdlüfter 7 zur Beheizung bzw. Kühlung des Motors 2 je nach Umgebungstemperatur.
Zur Ansteuerung des Motors 2, d.h. zur Stromversorgung mit variabel vorgebbarer Frequenz und/oder Drehmoment ist ein Frequenzumrichter 8 vorgesehen. Dieser bildet mit einer Steuer- und Regeleinrichtung 9 eine gemeinsame Baueinheit 10, die unmittelbar an dem Motor 2 angeordnet, vorzugsweise direkt an ihn angebaut ist. Die Steuer- und Regeleinrichtung 9 der Baueinheit 10 enthält nicht dargestellte Anschlüsse für einen Drehwinkelsensor 11, der den Drehwinkel des Motors 2 erfaßt, sowie für Getriebenockenschalter 12, die zur Detektion vorbestimmter Referenzstellungen des Drehwinkels der Leitungstrommel 1, insbesondere von deren Endstellungen, dienen. Außerdem sind an die Steuer- und Regeleinrichtung 9 ein Bedientableau 13 zur manuellen Bedienung der Leitungstrommel 1, beispielsweise beim erstmaligen Aufwickeln einer neuen Leitung, sowie weitere Signalgeber anschließbar.
Für übergeordnete Steuerungsaufgaben der gesamten Anlage ist eine Anlagensteuerung 14 in Form einer SPS vorgesehen. Diese Anlagensteuerung 14 steuert im Bereich der Leitungstrommel 1 direkt die Heizung 6 und den Fremdlüfter 7 über entsprechende Steuerleitungen 15 und sie kommuniziert mit der Steuer- und Regeleinrichtung 9 der Baueinheit 10 über einen Feldbus 16, beispielsweise einen PROFIBUS^® auf eine im weiteren noch zu beschreibende Weise.
Wesentlich an der schematischen Darstellung in 1 ist die unmittelbare Nachbarschaft des Motors 2 und der Baueinheit 10 aus Frequenzumrichter 8 und zugehöriger Steuer- und Regeleinrichtung 9 sowie die relativ große Entfernung zu der übergeordneten Anlagensteuerung 14.
Das in 2 wiedergegebene elektrische Blockschaltbild einer Leitungstrommel mit erfindungsgemäßem Antriebssystem verdeutlicht, daß die den Frequenzumrichter 8 und die Steuer- und Regeleinrichtung 9 umfassende Baueinheit 10 mit dem Motor 2 und dem Sensor 11 eine Kreisstruktur bildet, und daß auch die Bremse 4 der Leitungstrommel 1 sowie die Getriebenockenschalter 12 und das manuelle Bedientableau 13 nur mit der Baueinheit 10 direkt verbunden sind. Letzteres gilt darüber hinaus auch für den in 1 nicht dargestellten Bremswiderstand 17. Die einzige Verbindung von den genannten Komponenten zur übergeordneten Anlagensteuerung 14 bildet der Feldbus 16. Eine Programmierung des Frequenzumrichters 8 und/oder der Steuer- und Regeleinrichtung 9 in der Baueinheit 10 kann über die Anlagensteuerung 14 und den Feldbus 16 erfolgen, wie es in 2 durch den Datenträger 18 angedeutet ist. Demgegenüber sind die Heizung 5 und der Lüfter 6 direkt mit der Anlagensteuerung 14 verbunden und werden vor dort aus gesteuert.
Erfindungsgemäß sind zwei alternative Betriebsweisen des erfindungsgemäßen Antriebssystems möglich, wie der Signalflußplan in 3 verdeutlicht. Die Bremse und der Motor werden von der den Umrichter 8 und die Steuer- und Regeleinrichtung 9 umfassenden Baueinheit 10 aus angesteuert. Über entsprechende Sensoren werden Zustandssignale der Leitungstrommel und der Bremse an diese Baueinheit 10 zurückgeliefert.
Einerseits ist es möglich, daß die Baueinheit 10 einen autonomen Regelkreis für die Leitungsspannung schließt, d.h. selbst als Regler fungiert. In diesem Fall wird sie von der zentralen Anlagensteuerung aus lediglich vor Beginn des Regelbetriebes geeignet parametriert. Von der Baueinheit 10 aus an die Anlagensteuerung 14 gelieferte Sensor- und/oder Statussignale dienen lediglich der Visualisierung des Betriebes des Regelkreises bei der Anlagensteuerung 14 auf einer dieser zugeordneten, nicht dargestellten Beobachtungstafel. Ferner besteht bei Störungen des Betriebes eine Möglichkeit zur Diagnose von der Anlagensteuerung 14 aus.
Alternativ hierzu kann auch die Anlagensteuerung 14 selbst die Funktion des Reglers übernehmen, wozu sämtliche Sensorsignale von der Baueinheit 10 aus an die Anlagensteuerung 14 weitergesendet und dort verarbeitet werden. Der Regelkreis wird also nicht intern in der Baueinheit 10, sondern erst über die Anlagensteuerung 14 geschlossen. Die Baueinheit 10 fungiert in diesem Fall lediglich als Datenschnittstelle bzw. in Form des in ihr enthaltenen Frequenzumrichters 8 als Stellglied des Regelkreises. Welche Variante zur Bildung des Regelkreises zu bevorzugen ist, hängt vom Einzelfall ab, beispielsweise von der Auslastung der zentralen Anlagensteuerung 14 durch andere Aufgaben, und von den maßgeblichen Zeitkonstanten der Regelstrecke.
In jedem Fall über die Anlagensteuerung 14 geführt werden Steuerbefehle, die manuell an dem Bedientableau 13 eingegeben werden, da die Anlagensteuerung 14 in diesem Fall, d.h. für einen Einrichtbetrieb oder Notbetrieb, die automatische Regelung abschalten muß. Ebenfalls der Anlagensteuerung 14 zugeführt werden Signale der Getriebenockenschalter 12, die das Erreichen vorbestimmter Referenzpositionen des Trommeldrehwinkels, insbesondere der Endstellungen, anzeigen, da beim Auftreten dieser Signale besondere Aktionen außerhalb des normalen Regelkreisbetriebes ausgeführt werden müssen. So muß etwa in einer Endposition ein weiterer Antrieb der Trommel über die Endposition hinaus unabhängig vom normalen Regelbetrieb unbedingt unterbunden werden.

Claims

Antriebssystem einer Leitungstrommel mit einem Motor, mit einem zur Ansteuerung des Motors vorgesehenen Frequenzumrichter, und mit einer Steuer- und Regeleinrichtung, welche mindestens ein von der Bewegung der Leitungstrommel abhängiges Sensorsignal aufnimmt und mindestens ein den Motorstrom beeinflussendes Ausgangssignal an den Frequenzumrichter abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (8) und die Steuer- und Regeleinrichtung (9) zu einer Baueinheit (10) zusammengefaßt sind, und daß diese Baueinheit (10) unmittelbar an dem Motor (2) angeordnet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (10) aus Frequenzumrichter (8) und Steuer- und Regeleinrichtung (9) direkt an das Gehäuse des Motors (2) angebaut oder in dieses integriert ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (10) aus Frequenzumrichter (8) und Steuer- und Regeleinrichtung (9) Eingangsanschlüsse für mindestens einen Sensor (11) und/oder für mindestens einen Positionsschalter (12) und/oder für eine manuelle Bedieneinheit (13) und ferner einen Anschluß für einen Feldbus (16) zur Verbindung mit einer übergeordneten Anlagensteuerung (14) aufweist, und daß sie zwischen den Eingangsanschlüssen und dem Feldbusanschluß die Funktion einer Übertragungsschnittstelle zur Verfügung stellt.
Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (8) über den Feldbusanschluß steuerbar und/oder sein Betriebszustand auslesbar ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (10) aus Frequenzumrichter (8) und Steuer- und Regeleinrichtung (9) mindestens einen Ausgangsanschluß für eine auf die Leitungstrommel wirkende Bremse (4) aufweist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (10) aus Frequenzumrichter (8) und Steuer- und Regeleinrichtung (9) Bestandteil eines autonomen Regelkreises zur Regelung der Spannung der auf der Leitungstrommel (1) aufwickelbaren Leitung ist, der außerdem der Motor (2), die Leitungstrommel (1) und mindestens einen der Leitungstrommel (1) zugeordneten Zustandssensor (11) umfaßt, und daß die Baueinheit (10) einen Speicher für Betriebsparameter des autonomen Regelkreises aufweist, der über den Feldbusanschluß beschreibbar ist, und auf den im Betrieb des autonomen Regelkreises zugegriffen wird.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (10) aus Frequenzumrichter (8) und Steuer- und Regeleinrichtung (9) selbst keine Reglerfunktion bereitstellt, sondern ausschließlich als Sensor- und Aktorschnittstelle für einen Regelkreis fungiert, bei dem die Reglerfunktion über den Feldbusanschluß von einer zentralen Anlagensteuerung (14) ausgeübt werden kann.