DE4413028A1

DE4413028A1 - Appts. for measuring and recording machine operation hours and states

Info

Publication number: DE4413028A1
Application number: DE19944413028
Authority: DE
Inventors: Claus Dr Ing Dittrich; Stephan Felber
Original assignee: GEMAC GES fur MIKROELEKTRONIK
Current assignee: GEMAC GES fur MIKROELEKTRONIK
Priority date: 1994-04-18
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 1995-10-19

Abstract

An inductive current transformer (1) with an annular strip core has its sec. winding centre-tapped to earth and connected to a full-wave rectifier (2) with a current-limiting and smoothing filter (3) supplying a microcontroller (5), whose standby battery (6) is connected via a third diode (9).The ADC of the microcontroller is supplied from one side of the sec. winding via a half-wave rectifier (4). The circuit is placed near the machine in a closed casing without external electrical connections.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen und Registrieren von Betriebsstunden und Betriebszuständen, insbesondere an elektromotorisch angetriebenen Maschinen und/oder Maschinenbaugruppen, wie z. B. Hochgeschwindigkeits-Frässpindeln.The invention relates to a device for measuring and Registration of operating hours and operating states, especially on machines driven by an electric motor and / or machine assemblies, such as. B. High-speed milling spindles.

Bekannt sind elektromechanische Betriebsstundenzähler, die mit mechanischem Zählwerk ausgerüstet und in einem separaten Gehäuse untergebracht sind, die mit dem Einschalten einer Betriebsspannung die Betriebsstunden zählen. Sie überwachen und erfassen, wielange die Maschine und/oder Maschinenbaugruppe eingeschaltet ist; sie erfassen aber nicht, ob auch in dieser Zeit die Maschine und/oder Maschinenbaugruppe gearbeitet hat und welche Belastung vorlag. Durch Ein- oder Ausschalten des Laststromkreises durch Unbefugte ist die Betriebsstundenzählung manipulierbar.Electromechanical operating hours counters are known, which are equipped with a mechanical counter and in one separate housing are housed with the Switching on an operating voltage the operating hours counting. You monitor and record how long the Machine and / or machine assembly is switched on; however, they do not determine whether the Machine and / or machine assembly has worked and what was the burden. By switching the The load circuit through unauthorized persons is Operating hours count manipulable.

Ebenso überwachen bekannte elektronische Betriebsstundenzähler in beispielsweise Maschinensteuerungen oder elektronischen Geräten den Einschaltzustand bzw. die Einschaltzeit, erfassen aber nicht die Zeit, in der wirklich mit dem Gerät oder der Maschine gearbeitet wird. Diese Zähleinrichtungen sind integraler Bestandteil der Steuerung oder anderer elektronischer Geräte und sind separat nicht einsetzbar. Die Elektronik für die Zählfunktion ist mit anderen Funktionsgruppen auf einer Leiterplatte oder anderen elektronischen Baugruppen körperlich vermascht. Known electronic monitors also Operating hours counter in for example Machine controls or electronic devices Switch-on state or the switch-on time, however, record not the time when really using the device or the Machine is being worked. These counters are integral part of the control system or others electronic devices and cannot be used separately. The electronics for the counting function is with others Function groups on a circuit board or other physically meshed electronic assemblies.

Diese Elektronik kann jedoch von Fachleuten manipuliert werden, ohne daß dies von Dritten nachträglich zu erkennen ist.However, this electronics can be manipulated by professionals be without this from third parties is recognizable.

Eine bekannte Vorrichtung zur digitalen Strommessung mit einem Übertrager als induktivem Stromwandler (DE 41 42 342 A1) ist so aufgebaut, daß der zu messende Strom durch die Primärwicklung des Übertragers, die aus einer oder mehreren Windungen bestehen kann, fließt und daß mittels einer Sensoreinheit der magnetische Fluß im Kern gemessen wird. Diese Sensoreinheit steuert die Zählrichtung einer getakteten Zähleinheit in Abhängigkeit von der Polarität des magnetischen Flusses. Das Ausgangssignal der Zähleinheit wird über einen Digital/Analog-Wandler in ein analoges Stellsignal zur Ansteuerung einer regelbaren Stromquelle umgesetzt, die ihrerseits die Sekundärwicklung mit einem Kompensationsstrom beaufschlagt. Durch diese Gegenkopplung kompensieren sich die durch Primär- und Sekundärwicklung erzeugten Teile des Magnetflusses, so daß der Digitalwert der Zähleinheit einen zum Meßstrom korrespondierenden Meßwert darstellt. Der schaltungstechnische Aufwand für Sensor und Auswerteschaltung ist sehr hoch, da exakte Meßwerte zu ermitteln sind. Zum anderen ist aber eine Summierung und Speicherung der Meßwerte über einen bestimmten Zeitbereich, z. B. zum Einsatz als Betriebsstundenzähler, nicht vorgesehen.A known device for digital current measurement a transformer as an inductive current transformer (DE 41 42 342 A1) is constructed so that the one to be measured Current through the primary winding of the transformer that comes from can consist of one or more turns, flows and that by means of a sensor unit, the magnetic flux in Core is measured. This sensor unit controls the Direction of counting of a clocked counting unit depending on the polarity of the magnetic flux. The Output signal of the counting unit is via a Digital / analog converter to an analog control signal Activation of a controllable current source implemented in turn the secondary winding with one Compensation current applied. Through this The negative feedback are compensated by the primary and Secondary winding generated parts of the magnetic flux, so that the digital value of the counting unit matches the measuring current represents the corresponding measured value. Of the circuitry for sensor and Evaluation circuit is very high because of the exact measured values are determined. On the other hand there is a summation and Storage of the measured values over a certain Time range, e.g. B. for use as an operating hours counter, not provided.

Eine andere Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Leistung (DE-A1 36 42 478) mißt das vom Laststrom eines Verbrauchers erzeugte Magnetfeld und verknüpft das Ausgangssignal des Meßwandlers in einem Vierquadrantenmultiplikator mit der Eingangsspannung. Another circuit arrangement for measuring electrical Power (DE-A1 36 42 478) measures that from the load current of one Consumer generated magnetic field and linked that Output signal of the transducer in one Four quadrant multiplier with the input voltage.

Das Ausgangssignal des Vierquadrantenmultiplikators ist dem jeweiligen Leistungsverbrauch proportional. Wegen der Exaktheit der zu erfassenden Meßwerte ist auch diese Schaltung sehr aufwendig, so daß sie ebenfalls als Betriebsstundenzähler zur Erfassung der tatsächlichen Arbeitszeit der Maschine und/oder Maschinenbaugruppe in einem begrenzten Zeitraum, beispielsweise dem Garantiezeitraum, nicht effektiv einsetzbar ist.The output of the four quadrant multiplier is proportional to the respective power consumption. Because of the This is also the exactness of the measured values to be recorded Circuit very complex, so that they also as Operating hours counter to record the actual Working time of the machine and / or machine assembly in a limited period of time, such as the Guarantee period, can not be used effectively.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die die tatsächliche Betriebsdauer und besondere ausgewählte Betriebszustände von Baugruppen, Aggregaten, kompletten Maschinen oder Anlagen manipulationsgeschützt mit geringem schaltungstechnischen Aufwand erfaßt, registriert und über einen bestimmten Zeitraum speichert und unkompliziert selbst an bestehenden Objekten nachgerüstet werden kann.The invention has for its object a Creating facility that the actual Operating time and special selected operating conditions of assemblies, units, complete machines or Plants protected against manipulation with low circuitry effort recorded, registered and saves over a period of time and easily retrofitted to existing objects can be.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei Ausgestaltungen in den Unteransprüchen dargestellt sind.According to the invention, the task is performed by a device solved with the features of claim 1, wherein Refinements are shown in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet bei geringem Schaltungsaufwand eine kumulative Speicherung der Einsatzdauer der Spindel, getrennt für die Betriebszustände Leerlauf, mittlerer Strom, Nennstrom und überlast jeweils bei niedriger, mittlerer oder hoher Drehzahl des zulässigen Stellbereiches. Auch ist die erfindungsgemäße Einrichtung als kompakte Baugruppe ausgeführt und völlig autark betreibbar. Damit ist sie unkompliziert in den unterschiedlichsten Anwendungsvarianten einsetzbar, flexibel handhabbar und jederzeit nachrüstbar, ohne dabei zusätzlichen Folgeaufwand, wie z. B. eine Steuerung, zu erfordern. The solution according to the invention allows for little Circuitry a cumulative storage of Service life of the spindle, separated for the Operating conditions idle, average current, nominal current and overload at low, medium or high Speed of the permissible adjustment range. That too is Device according to the invention as a compact assembly executed and completely self-sufficient. With that she is uncomplicated in the most varied Application variants can be used, flexibly handled and can be retrofitted at any time without additional Follow-up effort, such as B. to require control.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Ein induktiver Stromwandler ist mit seiner Auswerteschaltung in unmittelbarer Nähe im oder am Meßobjekt selbst in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet. Die vom Meßstrom durchflossene Motorzuleitung des Meßobjektes ist gleichzeitig die Primärwicklung des induktiven Stromwandlers. Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung, bestehend aus einem induktiven Stromwandler, dem Ringbandkern 1, mit einer Primärwicklung und einer erdsymmetrischen Sekundärwicklung, die über einen Zweiweggleichrichter 2, ein Siebglied 3 zur Strombegrenzung und Stromglättung sowohl über eine erste Diode 8 mit dem Initialisierungs-Eingang Init als auch über eine zweite Diode 7 mit dem Betriebsspannungsanschluß VDD zur Betriebsstromversorgung eines an sich bekannten Microcontrollers 5 verbunden ist. Andererseits ist die Sekundärwicklung über einen Einweggleichrichter 4 mit dem Eingang des Analog-Digital- Wandlers ADU des Microcontrollers 5 verbunden. Der Arbeitsstrom für den Betrieb der Einrichtung wird bei eingeschaltetem Lastkreis durch den Sekundärkreis der Einrichtung selbst erzeugt. Zum Erhalt des Zustandes des Zählers des Microcontrollers 5 bei abgeschaltetem Lastkreis, der ein Ausdruck für die Betriebsstunden des Verbrauchers unter Belastung ist, ist eine Stützbatterie 6 vorgesehen, die über eine dritte Diode 9 mit dem Betriebsspannungsanschluß VDD des Microcontrollers 5 verbunden ist. Die Stützbatterie 6 benötigt zur Aufrechterhaltung des Standby-Zustandes sowie zum Erhalt des Zählerstandes nur eine sehr geringe Kapazität.The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment shown in a drawing. An inductive current transformer is arranged with its evaluation circuit in close proximity in or on the test object itself in a closed housing. The motor lead of the test object through which the measuring current flows is also the primary winding of the inductive current transformer. The figure shows an embodiment of the device according to the invention, consisting of an inductive current transformer, the toroidal core 1 , with a primary winding and an earth-symmetrical secondary winding, which via a two-way rectifier 2 , a filter element 3 for current limitation and current smoothing both via a first diode 8 with the initialization Input Init and also connected via a second diode 7 to the operating voltage connection VDD for supplying the operating power to a microcontroller 5 known per se. On the other hand, the secondary winding is connected via a one-way rectifier 4 to the input of the analog-digital converter ADU of the microcontroller 5 . The operating current for the operation of the device is generated by the secondary circuit of the device itself when the load circuit is switched on. To maintain the state of the counter of the microcontroller 5 when the load circuit is switched off, which is an expression for the operating hours of the consumer under load, a backup battery 6 is provided, which is connected via a third diode 9 to the operating voltage connection VDD of the microcontroller 5 . The backup battery 6 requires only a very small capacity to maintain the standby state and to maintain the meter reading.

Als Informationsträger zur Erfassung bzw. zum Messen und Registrieren von Betriebsstunden und Betriebszuständen eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer elektromotorisch angetriebenen Maschine und/oder Maschinenbaugruppe, wie z. B. einer Hochgeschwindigkeits- Frässpindel, wird der in den Antriebsmotor eingespeiste Strom genutzt. Deshalb erfolgt die Strommessung in einer Zuleitung des Motors. Zur Strommessung wird der induktive Stromwandler in Form des Ringbandkernes 1 genutzt, wobei der zu messende Strom durch die Primärwicklung des Ringbandkernes 1 fließt und in dessen Sekundärwicklung ein proportionaler Strom induziert wird. Als Primärwicklung wird ein Leiter der Stromzuführung eines einphasigen Wechselstrommotors oder eines Drehstrommotors durch das Loch des Ringbandkernes 1 geführt. In der Meßgröße Motorstrom spiegelt sich die vom Prozeß verbrauchte Leistung und bei drehzahlgeregelten Drehstrommotoren auch Drehzahländerungen des wirkenden Drehfeldes wieder. Beide Kenngrößen, das übertragene Drehmoment und die benutzte Drehzahl über einen Zeitraum, sind wichtige Kriterien für den Verschleiß der Spindellagerung und damit für die Standzeit der Spindel. Im Falle eines Stromflusses im Lastkreis entsteht an der Bürde des Sekundärkreises eine Spannung, die sowohl zur Energiegewinnung für das Betreiben der Auswerte- und Registrierelektronik als auch zur Erfassung der Last- und Drehzahlunterschiede und Steuerung eines oder mehrerer Zähler benutzt wird. Zur Anpassung an unterschiedliche Meßbereiche kann die Windungszahl und Bürde der Sekundärwicklung in Grenzen variiert werden. Zur Bildung und Registrierung der Merkmale aus der Meßgröße Motorstrom wird vorzugsweise ein Microcontroller, z. B. der Microcontroller 5 verwendet.As an information carrier for recording or measuring and registering operating hours and operating states of an electrical consumer, in particular an electric motor-driven machine and / or machine assembly, such as. B. a high-speed milling spindle, the current fed into the drive motor is used. Therefore, the current is measured in a supply line to the motor. The inductive current transformer in the form of the toroidal core 1 is used for current measurement, the current to be measured flowing through the primary winding of the toroidal core 1 and a proportional current being induced in the secondary winding thereof. As the primary winding, a conductor of the power supply of a single-phase AC motor or a three-phase motor is guided through the hole in the toroidal core 1 . The measured value motor current reflects the power consumed by the process and, in the case of speed-controlled three-phase motors, also changes in the speed of the rotating field. Both parameters, the transmitted torque and the speed used over a period of time, are important criteria for the wear of the spindle bearing and thus for the service life of the spindle. In the event of a current flow in the load circuit, a voltage arises at the burden of the secondary circuit, which is used both for energy generation for the operation of the evaluation and registration electronics as well as for recording the load and speed differences and controlling one or more counters. To adapt to different measuring ranges, the number of turns and burden of the secondary winding can be varied within limits. For the formation and registration of the features from the measured variable motor current, a microcontroller, for. B. the microcontroller 5 used.

Die im RAM-Speicher abgelegten Zählergebnisse dürfen nur vom Hersteller oder Vertreiber der zu überwachenden Baugruppe ausgelesen werden können. Deshalb ist das Interface mechanisch so geschützt, daß es von außen nicht ohne sichtbare Zerstörung benutzt werden kann. Die Kontaktstellen Stromzuführung für das Auslesen der Informationen DC, seriell OUTPUT SO, seriell INPUT SI und Masse GND zum Auslesen der Zählerstände sind deshalb innerhalb des geschlossenen Gehäuses angeordnet. Das Auslesen kann über ein serielles Interface mittels eines Computers also erst nach Zerstörung der Abdeckschicht in der Gehäusewand erfolgen. Damit wird eine Manipulation der Zählerstände verhindert oder wenigstens für den Fall von Regreßansprüchen erkennbar. Eine weitere Sicherung der Zähleinrichtung vor Außerkraftsetzung während der Betriebszeit ist dadurch gegeben, daß die Betriebsstromversorgung im Baustein autark ist und damit nicht von Unbefugten unterbrochen werden kann. Durch die direkte Anordnung der Überwachungsbaugruppe am Antriebsmotor innerhalb der zu überwachenden Baugruppe ist ein Zugang von außen sehr erschwert und eine zeitweise Überbrückung des Laststrompfades (Ausschalten der Überwachung) nicht möglich. Eine Unterbrechung des Zählvorganges käme einer Auftrennung des Lastkreises gleich.The count results stored in RAM memory may only by the manufacturer or distributor of the products to be monitored Module can be read out. That is why Interface mechanically protected so that it is not from the outside can be used without visible destruction. The Contact points power supply for reading the Information DC, serial OUTPUT SO, serial INPUT SI and Ground GND for reading the meter readings are therefore arranged within the closed housing. The Reading can be done via a serial interface using a Computers only after the covering layer has been destroyed the housing wall. This is a manipulation the meter readings are prevented or at least in the event recognizable from recourse claims. Another backup the counter before overriding during the Operating time is given by the fact that Operating power supply in the block is self-sufficient and therefore cannot be interrupted by unauthorized persons. Through the direct arrangement of the monitoring module on Drive motor within the module to be monitored external access is very difficult and one temporarily bridging the load current path (switch off monitoring) is not possible. An interruption of the Counting process would result in a separation of the load circuit equal.

Claims

1. A device for measuring and registering operating hours and operating states of a module to be monitored powered by AC motors with an inductive current transformer, the current of the load circuit to be evaluated by the monitoring module flowing through a primary winding of the current transformer, characterized in that the inductive current transformer with its evaluation circuit is arranged in the immediate vicinity in or on the measurement object itself in a closed housing without external electrical connections and that the motor lead of the measurement object through which the measurement current flows is at the same time the primary winding of the inductive current transformer.

2. Device according to claim 1, characterized in that in a closed housing which is not accessible from the outside, directly on or in the monitoring object, a toroidal core ( 1 ), through the hole of which the motor supply line through which the measuring current is threaded, is arranged such that an earth-symmetrical secondary winding of the toroidal core ( 1 ) on the one hand via a two-way rectifier ( 2 ), a filter element ( 3 ) for current limitation and current smoothing both via a first diode ( 8 ) with the initialization input (Init) and via a second diode ( 7 ) with the operating voltage connection (VDD) of a microcontroller ( 5 ) and, on the other hand, via a one-way rectifier ( 4 ) to the input of the analog-to-digital converter (ADC) of the microcontroller ( 5 ), that a backup battery ( 6 ) via a third diode ( 9 ) is also connected is connected to the operating voltage connection (VDD) and that contact points (DC, SO, SI, GND) for reading out the meter readings are arranged within the closed housing.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized characterized that the contact points (DC, SO, SI, GND) only after the cover layer in the housing wall has been destroyed are accessible.