DE60121041T2

DE60121041T2 - System zum detektieren der vibration einer gewickelten rolle

Info

Publication number: DE60121041T2
Application number: DE60121041T
Authority: DE
Inventors: Robert Appleton BETTENDORF
Original assignee: Valmet Oy; Valmet Inc
Current assignee: Valmet Technologies Oy; Valmet Inc
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2021-12-15
Also published as: ATE330888T1; EP1349803B1; CA2434250A1; CA2434250C; EP1349803A1; WO2002094696A9; AU2001297976A1; US6629663B1; DE60121041D1; WO2002094696A1; WO2002094696A8

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen zum Wickeln von Materialbahnen und insbesondere ein verbessertes System zum Detektieren von Vibrationen einer gewickelten Rolle.
Wickelmaschinen werden in der Papierindustrie zum Wickeln von Papierbahnen auf und von Rollen verwendet. In 1 ist eine typische Papierwickelmaschine nach dem Stand der Technik allgemein mit 10 bezeichnet. Die Wickelmaschine enthält eine Abwickelrolle 14, von der eine Papierbahn 16 abgewickelt wird. Das Papier wird durch die Wickelmaschine 10 hindurch auf die gewickelte Rolle 18 geführt, die auf Trommeln 20 und 21 zum Tragen der gewickelten Rolle 18 ruht. Während sich die gewickelte Rolle 18 dreht, sammelt sich das Papier auf der Rolls an, und der Rollendurchmesser nimmt zu. Allerdings führt die Drehung der gewickelten Rolle 18 auch zu unerwünschten Vibrationen der Rolle.
Eine Reiterrolle 30 berührt die Außenfläche der gewickelten Rolle 18, um die gewickelte Rolle gegen übermäßige Vibrationen zu stabilisieren. Bei höheren Drehzahlen jedoch beginnt die gewickelte Rolle mit zunehmend höheren Größenordnungen zu vibrieren. Die Reiterrolle 30 vibriert aufgrund ihres Kontakts mit der gewickelten Rolle 18 somit ebenfalls, was dazu führt, dass die Reiterrolle 30 von der gewickelten Rolle 18 abhebt und den Kontakt zu der gewickelten Rolle verliert. Die immer noch vibrierende gewickelte Rolle 18 kann sich dann frei auf den Trommeln 20 und 21 drehen. Diese Oszillation kann mechanischen Verschleiß der Wickelmechanik verursachen und kann sogar dazu führen, dass die gewickelte Rolle 18 von den Trommeln 20 und 21 herunterspringt – ein Phänomen, das als "Rollenabwurf" bekannt ist. Um so etwas zu verhindern, werden gewöhnlich Vibrationsdetektionssysteme eingesetzt, um zu versuchen, die übermäßigen Vibrationen, die durch die Drehbewegung der gewickelten Rolle verursacht werden, zu detektieren und zu begrenzen.
Wie in 1 veranschaulicht, wurden bei früheren Versuchen, übermäßige Vibrationen der gewickelten Rolle 18 zu dämpfen, die Vibrationen der Reiterrolle 30 mit einem Instrument wie zum Beispiel einem Beschleunigungsmesser 46 gemessen. Dieses Vibrationssignal wird in der Regel durch einen Detektor 48, der mit dem Antriebssystem 52 der Wickelmaschine in Verbindung steht und dafür konfiguriert ist, die Bewegung der Wickelmaschine 10 zu verringern oder sogar anzuhalten, wenn Vibrationen oberhalb einer bestimmten Stärke detektiert werden. Ein Problem bei solchen zum Stand der Technik gehörenden Systemen ist jedoch, dass einige Komponenten der Vibrationen der gewickelten Rolle 18 andere Ursachen haben als die Drehbewegung der Rolle, wie zum Beispiel Gleichspannungsabweichungen, Hintergrundrauschen oder periphere Vibrationen. Infolge dessen detektiert der Vibrationsniveaudetektor 48 irrtümlicherweise Anzeichen für übermäßige Vibrationen, und somit wird das Antriebssystem 52 der Wickelmaschine 10 unnötigerweise verlangsamt oder angehalten, was zu unerwünschten Stillstandszeiten, langsameren Wickelzeiten und ineffizienter Leistung führt.
Zum Stand der Technik gehörende Vorrichtungen haben versucht, den Vibrationen der gewickelten Rolle entgegenzuwirken, während gleichzeitig ein unnötiges Verlangsamen oder unnötige Stillstandszeiten in verschiedener Weise verringert werden. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 5909855 an Jorkama und Mitarbeiter ein Papierwickelverfahren, bei dem Beschleunigungsmesser die Vibrationen der gewickelten Rolle oder Aufnahmerolle einer Papierwickelmaschine messen. Infolge dessen können Frequenzbereiche übermäßiger Vibrationen zuvor anhand von Probeläufen festgestellt werden, während denen man die Aufnahmerolle bei verschiedenen Frequenzen laufen lässt. Während des eigentlichen Wickelvorgangs, wenn die Umlauffrequenz bestimmte Werte erreicht, von denen man zuvor festgestellt hat, dass sie übermäßige Vibrationen hervorrufen, wird die Arbeitsgeschwindigkeit der Wickelmaschine abgesenkt, bis die Umlauffrequenz der Aufnahmerolle um einen sicheren Betrag unter diesen Frequenzen liegt.
Ein Nachteil des Verfahrens und Systems des Patents von Jorkama und Mitarbeiter '855 besteht jedoch darin, dass die zuvor festgelegten Frequenzbereiche übermäßiger Vibrationen ungenau werden können, wenn die Vibrationscharakteristika des aufgewickelten Papiers sich ändern. Weil das Verfahren und das System solche Änderungen nicht detektieren können, kann es sein, dass die Umlauffrequenz, die übermäßige Vibrationen hervorruft, nicht erfolgreich vermieden werden kann. Des Weiteren ist das Durchführen vorausgehender Probeläufe eine ineffiziente Nutzung von Zeit und Ressourcen.
Vorrichtungen nach dem Stand der Technik haben auch Bandpassfilters und schnelle Fourier-Transformationen zum Detektieren von Wickelmaschinenvibrationen verwendet. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 5679900 an Smulders ein System zum Detektieren von Defekten in vibrierenden oder rotierenden Papiermaschinen. Das System enthält einen Beschleunigungsmesser, der ein Vibrationssignal durch ein unter mehreren Filtern ausgewähltes Bandpassfilter sendet. Jedes Filter ist auf einen zuvor festgelegten Frequenzbereich eingestellt. Der Benutzer wählt vorher ein oder mehrere Bandpassfilter entsprechend einem gewünschten Frequenzband, einem Geschwindigkeitsbereich einer Wickelmaschine oder einem Analysebereich aus. Ein Hüllkurvendetektor formt und verstärkt die gefilterten Signals, bevor sie einer schnellen Fourier-Transformations-Analyse (FFT-Analyse) unterzogen werden. Obgleich das Patent '900 von Smulders ein Analyse-Hilfsmittel vorstellt, lehrt es nicht, wie die auf diese Weisen gewonnenen Ergebnisse dafür benutzt werden können, die Maschine so zu steuern, dass übermäßige Vibrationen verhindert werden. Außerdem erfordert das Patent '900 von Smulders, dass der Benutzer manuell das gewünschte Bandpassfilter und somit das gewünschten Durchlassband auswählt. EP 0839743 offenbart eine weitere zum Stand der Technik gehörende Vorrichtung, die als der nächstliegende Stand der Technik angesehen wird.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vibrationsdetektionssystem bereitzustellen, das automatisch die Wickelgeschwindigkeit einer Maschine so justiert, dass intensive Vibrationen der gewickelten Rolle aufgrund ihrer Rotationsgeschwindigkeit vermieden werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vibrationsdetektionssystem bereitzustellen, wodurch die Komponente der Vibrationen der gewickelten Rolle, die auf die Rotationsgeschwindigkeit der gewickelten Rolle zurückzuführen ist, bestimmt werden kann, so dass die Wickelgeschwindigkeit der Wickelmaschine nicht unnötigerweise verringert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vibrationsdetektionssystem bereitzustellen, das sich problemlos an vorhandenen Wickelmaschinen installieren lässt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vibrationsdetektionssystem bereitzustellen, das eine geringe rechnerische Last für den Systemregler bedeutet.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein System, das Eingangsdaten über die Vibrationen der gewickelten Rolle, die Maschinengeschwindigkeit und den Durchmesser der gewickelten Rolle einer Wickelmaschine in einen programmierbaren Regler einspeist. Der programmierbare Regler verwendet die Maschinengeschwindigkeits- und Durchmesser-Rückmeldung zum Berechnen der Umlauffrequenz der gewickelten Rolle, während sie sich dreht und Papier aufnimmt. Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die berechnete Umlauffrequenz durch den programmierbaren Regler zum Auswählen eines Durchlassbandes für ein Bandpassfilter verwendet. Durch Filtern der Vibrationsrückmeldung durch das Bandpassfilter wird der Anteil der Vibrationen der gewickelten Rolle, der nicht auf ihre Drehung zurückzuführen ist, gedämpft. Ein Niveaudetektor dient dann dem Detektieren der Amplitude der gefilterten Vibrationsrückmeldung, das heißt, des Anteils der Vibrationen, der auf die Drehung der gewickelten Rolle zurückzuführen ist. Wenn die detektierte Vibrationsamplitude ein zuvor festgelegtes Niveau übersteigt, so wird ein Signal an das Wickelmaschinenantriebssystem gesandt, um die Wickelmaschine abzuschalten oder alternativ zu verlangsamen, bis das detektierte Vibrationssignal unter dem zuvor festgelegten Niveau liegt, mit dem sich die gewickelte Rolle drehen kann, ohne dass intensive Vibrationen entstehen.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Vibrationsrückmeldung einer schnellen Fourier-Transformations-Analyse unterzogen, so dass eine Tabelle der Vibrationsamplituden im Vergleich zu den Frequenzen erzeugt wird. Die berechnete Umlauffrequenz der gewickelten Rolle wird dann dazu verwendet, aus der Tabelle die Amplitude der Vibrationen bei der Umlauffrequenz der gewickelten Rolle auszuwählen. Diese Amplitude wird mit einem zuvor festgelegten Niveau in einem Niveaudetektor verglichen, und die Wickelgeschwindigkeit der Wickelmaschine wird – wie bei der ersten Ausführungsform – verlangsamt, wenn das zuvor festgelegte Niveau überschritten wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Veranschaulichung einer typischen Wickelmaschine nach dem Stand der Technik.
2 ist eine Veranschaulichung der Wickelmaschine von 1, die mit einer Ausführungsform des verbesserten Systems zum Detektieren von Vibrationen einer gewickelten Rolle der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
3 ist ein Blockschaubild des programmierbaren Reglers einer ersten Ausführungsform des verbesserten Systems zum Detektieren von Vibrationen einer gewickelten Rolle der vorliegenden Erfindung.
4A ist eine Zeitbereichsdarstellung einer veranschaulichenden Vibrationsrückmeldung für eine gewickelte Rolle in einer Papierwickelmaschine.
4B ist eine Zeitbereichsdarstellung der Vibrationsrückmeldung für die gewickelte Rolle von 4A nach dem Passieren des Bandpassfilters der ersten Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Blockschaubild des programmierbaren Reglers einer zweiten Ausführungsform des Systems zum Detektieren von Vibrationen einer gewickelten Rolle der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Frequenzbereichsdarstellung der Vibrationsrückmeldung für die gewickelte Rolle von 4A.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 2 ist die Papierwickelmaschine 10 von 1 gezeigt, die mit einer ersten oder Zeitbereichs-Ausführungsform des verbesserten Systems zum Detektieren von Vibrationen einer gewickelten Rolle der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Es versteht sich, dass, obgleich die vorliegende Erfindung im Folgenden anhand einer Papierwickelmaschine besprochen wird, die vorliegende Erfindung auch in anderen Industriezweigen Anwendung finden kann. Zum Beispiel könnte das System der vorliegenden Erfindung auch in Maschinen zum Wickeln von Textilbahnen implementiert werden.
Kehren wir zu der Papierwickelmaschine von 2 zurück. Die Vibrationen der gewickelten Rolle 18 werden durch einen Beschleunigungsmesser 46 gemessen, der an einem Reiterrollenbalken 32, der zum Tragen der Reiterrolle 30 dient, befestigt ist. Der Beschleunigungsmesser ist mit einem programmierbaren Regler 50 zum Analysieren der gemessenen Vibrationen verbunden. Zu geeigneten programmierbaren Reglern gehört der Regler Modell PLC-5 von der Allen-Bradley Company aus Milwaukee, Wisconsin. Die Vibrationen werden durch ein Spannungssignal dargestellt, das je nach der Beschleunigung variiert, die durch den Beschleunigungsmesser 46 detektiert wird. Das Spannungssignal wird in eine analoge Eingangskarte oder einen sonstigen Analog-Digital-Wandler eingegeben, der vorzugsweise in dem Regler 50 angeordnet ist, um das Spannungssignal in einen Zahlenstrom zur Verarbeitung umzuwandeln. Der programmierbare Regler 50 ist mit einem elektrischen Antriebssystem 52 verbunden, um die Wickelgeschwindigkeit der Wickelmaschine 10, das heißt, die Rotationsgeschwindigkeit der gewickelten Rolle 18, zu regeln.
Es sind auch alternative Verfahren zum Bestimmen der Vibrationen der gewickelten Rolle 18 möglich. Zum Beispiel könnte eine Kraftmessdose, die an dem Reiterrollenbalken 32 angebracht ist, anstelle des Beschleunigungsmessers 46 verwendet werden. Bei einer solchen Ausführungsform misst die Kraftmessdose die Kraft, die durch die Vibrationen der gewickelten Rolle 18 auf die Reiterrolle 30 einwirkt, und nach dem Berücksichtigen der Masse der Reiterrolle 30 und des Balkens 32 werden die Vibrationen der gewickelten Rolle durch den programmierbaren Regler 50 berechnet. Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Druckmesswandler, der bei 53 in Strichlinie angedeutet ist, anstelle des Beschleunigungsmessers oder der Kraftmessdose verwendet und ist mit Reiterrollenhydraulikzylindern 34 verbunden, die die Reiterrolle 30 und den Balken 32 heben und senken, wie durch den Pfeil 33 angedeutet. Der Druckmesswandler 53 misst Druckveränderungen in den Hydraulikzylindern 34 infolge der Vibrationen der Reiterrolle 30. Durch Berücksichtigen der Wirkungsfläche der Reiterrollenzylinder 34 sowie der Masse der Reiterrolle 30 und des Balkens 32 können die Vibrationen der gewickelten Rolle berechnet werden. Diese zusätzlichen Berechnungen werden ebenfalls durch den programmierbaren Regler 50 vorgenommen.
In dem System von 2 berechnet der programmierbare Regler 50 kontinuierlich die Umlauffrequenz der gewickelten Rolle 18 und verwendet diese berechnete Frequenz periodisch zum Analysieren des Vibrationssignals vom Beschleunigungsmesser 46. Um die Umlauffrequenz der gewickelten Rolle zu berechnen, empfängt das System eine Rückmeldung sowohl für die Maschinengeschwindigkeit der Papierbahn 16, während sie auf die gewickelte Rolle 18 aufgewickelt wird, als auch den Durchmesser der gewickelten Rolle 18. Zum Messen der Maschinengeschwindigkeit ist ein Codierer 42 an der hinteren Trommel 20 angebracht. Die Rückmeldung für den Durchmesser der gewickelten Rolle kann mittels einer Vorrichtung wie zum Beispiel eines Reiterrollenpositionspotentiometers 40, das an dem Reiterrollenbalken 32 befestigt ist, oder alternativ mittels eines einen Impuls je Sekunde abgebenden Umdrehungssensors 44, der an dem Kernspannfutter 45, das den Kern der gewickelten Rolle 18 hält, angebracht ist, erhalten werden. Bei einer solchen Ausführungsform bestimmt der Sensor 44 die Rotationsgeschwindigkeit des Kernspannfutters 45, die proportional zur Zunahme des Durchmessers der gewickelten Rolle 18 abnimmt. Der Codierer 42 und die Vorrichtung, die zum Erzeugen der Rückmeldung für den Durchmesser der gewickelten Rolle gewählt wird, sind beide mit dem programmierbaren Regler 50 zum Verarbeiten des Rückmeldungssignals verbunden.
Aufgrund der vielfältigen Verfahren, die zum Messen der Vibrationen der gewickelten Rolle 18, der Maschinengeschwindigkeit und des Durchmessers der gewickelten Rolle zur Verfügung stehen, kann es sein, dass die notwendigen Messvorrichtungen bereits in einer herkömmlichen Wickelmaschine vorhanden sind. In solchen Fällen kann das verbesserte Vibrationsdetektionssystem der Erfindung einsetzbar sein, ohne Komponenten an der Wickelmaschine anzubringen. In einigen Fällen kann das verbesserte Vibrationsdetektionssystem der vorliegenden Erfindung sogar mittels eines Software-Upgrades in einem programmierbaren Regler, der bereits in der Wickelmaschine vorhanden ist, implementiert werden.
3 ist ein Blockschaubild des programmierbaren Reglers 50 von 2. Der programmierbare Regler 50, der eine analoge Eingangskarte und/oder eine Impulszählerkarte 51 enthält, empfängt Rückmeldungs-Eingangssignale in der Form variierender Spannungen für die Maschinengeschwindigkeit 64 der Papierbahn (16 in 2), den Durchmesser 66 der gewickelten Rolle (18 in 2) und, wie oben angesprochen, die Vibrationsrückmeldung 60 für die Reiterrolle (und somit der gewickelten Rolle).
Die analoge Eingangskarte 51 tastet jedes Eingangs-Rückmeldungssignal mit einer zuvor festgelegten Frequenz ab. Die Abtastfrequenz muss mindestens zweimal so hoch sein wie die höchste Umlauffrequenz, die für die gewickelte Rolle erwartet wird. Zum Beispiel könnte die maximale Umlauffrequenz für die gewickelte Rolle 25 Hz sein. Für diese Umlauffrequenz wäre die Abtastfrequenz der analogen Eingangskarte 51 gleich 50 Hz, was einem Aktualisierungszeitraum von 20 ms entspricht.
Der Umlauffrequenzbereich, der für die gewickelte Rolle erwartet werden kann, einschließlich der höchsten erwarteten Umlauffrequenz, lässt sich mittels folgender Gleichung finden:
wobei:

f(t): = die Umlauffrequenz der gewickelten Rolle als eine Funktion der Zeit
v(t): = die Maschinengeschwindigkeit der Papierbahn als eine Funktion der Zeit
d_core: = der Durchmesser des Kerns der gewickelten Rolle
x: = die durchschnittliche Dicke der Papierbahn

Der Quadratwurzelterminus ist eine einschlägig bekannte Beziehung, die zum Berechnen des Durchmessers der gewickelten Rolle als eine Funktion des Maschinengeschwindigkeitsprofils v(t) verwendet werden kann.
Die abgetastete Vibrationsrückmeldung 60 hat nach dem Passieren der analogen Eingangskarte 51 die Form eines Zahlenstromes und passiert ein Software-Bandpassfilter 80, das in dem programmierbaren Regler 50 angeordnet ist. Das Bandpassfilter 80 ist dafür konfiguriert, den Anteil der Vibrationsrückmeldung zu dämpfen, der sich außerhalb eines Durchlassbands befindet, das um die Umlauffrequenz der gewickelten Rolle herum zentriert ist.
Um die Umlauffrequenz der gewickelten Rolle für das Bandpassfilter 80 zu bestimmen, verwendet der programmierbare Regler 50 eine Zahl aus jedem Zahlenstrom der Maschinengeschwindigkeitsrückmeldung 64 und der Rückmeldung für den Durchmesser der gewickelten Rolle 66, nachdem sie die analoge Eingangskarte und/oder Impulszählerkarte 51 passiert haben. Genauer gesagt, wird die gemessene Maschinengeschwindigkeit durch den gemessenen Durchmesser der gewickelten Rolle, wie bei 68 angedeutet, geteilt, um eine Umlauffrequenz der gewickelten Rolle 70 zu berechnen. Das berechnete Umlauffrequenzsignal 70 tritt dann in ein Frequenzbegrenzungs- und Tiefpassfilter 74 ein, welches das Signal 70 auf den Frequenzbereich begrenzt, für den das Filter 80 konfiguriert ist. Das Filter 74 dient somit als eine Sicherungsmaßnahme im Fall irrtümlicher Rückmeldungsdaten für die Maschinengeschwindigkeit 64 oder den Durchmesser 66 oder im Fall eines Rechenfehlers bei 68. Ein Beispiel einer Frequenzobergrenze für das Filter 74 ist 1,0 Hz mit einer entsprechenden Frequenzuntergrenze von 0,1 Hz.
Das Filter 74 korrigiert auch Rückmeldungssignale 64 und 66, wenn sie durch Vibrationen der gewickelten Rolle verfälscht werden. Dies ist möglich, weil die reine Rückmeldung für den Durchmesser 66 und die Maschinengeschwindigkeit 64 sehr langsam veränderliche Signale mit niedrigen Frequenzkomponenten sind. Im Gegensatz dazu enthalten verfälschende Vibrationssignale relativ hohe Frequenzkomponenten. Infolge dessen kann das Filter 74 so programmiert werden, dass Frequenzen oberhalb der niedrigeren Frequenzkomponenten der Signale für den Durchmesser 66 und die Maschinengeschwindigkeit 64 gedämpft werden. Als ein Beispiel kann das Filter 74 mittels der folgenden Differenzgleichung programmiert sein, um diese Aufgabe zu bewältigen:
wobei:

y: = das Ausgangssignal des Filters in Hz
x: = das Eingangssignal in das Filter in Hz
τ: = eine Filterkonstante größer als 0
k: = eine ganze Zahl, die den Abtastmoment anzeigt

Wie bei 76 veranschaulicht, wird das gefilterte Signal 77 der Umlauffrequenz der gewickelten Rolle nach dem Verlassen des Filters 74 zum Berechnen der Filterkoeffizienten 78 für das Bandpassfilter 80 verwendet. Beispielhafte Gleichungen, die bei 76 zum Berechnen der Filterkoeffizienten β, γ und α für das Bandpassfilter 80 verwendet werden, sind folgende:
wobei:

f_c: = die Mittenfrequenz (= Frequenz der gewickelten Rolle) in Hz
f₂ – f₁: = die Filterdurchlassbandbreite in Hz
T_s: = der Aktualisierungszeitraum für das Filter in Sekunden

Sobald die Werte f_c, f₁, f₂ und T_s bekannt sind, können die Variablen θ_c und Q berechnet und in die übrigen drei Gleichungen eingesetzt werden, um die Filterkoeffizienten zu erhalten. Die Filterdurchlassbandbreite f₂ – f₁ in Hz und der Aktualisierungszeitraum T_s für das Filter werden durch den Benutzer in den programmierbaren Regler 50 eingegeben. Der Bereich für das Durchlassbandfilter (f₂ – f₁) kann auch mittels einer Anzahl alternativer Verfahren bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Bereich äquivalent zu der Umlauffrequenz ±1 Hz sein, wobei in diesem Fall f₂ – f₁ gleich 2 wäre. Die Häufigkeit der Neuberechnung der Filterkoeffizienten kann ein festgesetzter Zeitbetrag sein, wie zum Beispiel fünf Sekunden, oder kann von dem sich verändernden Durchmesser der gewickelten Rolle abhängen, zum Beispiel alle 0,2 Inch.
Die Koeffizienten β, γ und α werden in der folgenden beispielhaften Differenzgleichung für das Bandpassfilter 80 verwendet, das ein Durchlassband aufweist, dass um die berechnete Umlauffrequenz der gewickelten Rolle herum zentriert ist. y(k) = 2[αx(k) – αx(k – 2) + γy(k – 1) – βy(k – 2)]wobei:

y: = das Ausgangssignal des Filters in Hz
x: = das Eingangssignal in das Filter in Hz
β, γ und α: = die oben berechneten Filterkoeffizienten
k: = eine ganze Zahl, die den Abtastmoment angibt

Der Zahlenstrom, der die analoge Eingangskarte 51 verlässt und die Vibrationen der gewickelten Rolle darstellt, wird in das Bandpassfilter 80 und somit in die obige Differenzgleichung eingespeist. Das Ergebnis des Bandpassfilters ist ein Zahlenstrom 82, der ein Vibrationssignal darstellt, das außerhalb des Durchlassbandes gedämpft wurde. Dieser Zahlenstrom 82 tritt in einen Niveaudetektor, mit 84 bezeichnet, ein, der den gefilterten Zahlenstrom liest und einen Bitstrom 86 ausgibt, der widerspiegelt, ob jede Zahl, die den Niveaudetektor erreicht, ein zuvor festgelegtes Niveau überschreitet (0) oder nicht (1). Infolge dessen enthält im Fall übermäßiger Vibrationen der Bitstrom 86, der an das Antriebssystem 52 gesandt wird, eine 0, die das Antriebssystem 52 als ein Signal interpretiert, die Wickelmaschine, das heißt, die Drehgeschwindigkeit der gewickelten Rolle 18 (2), zu verlangsamen.
Der Niveaudetektor 84 kann optional so konfiguriert sein, dass es zu einer Hysterese kommt, wenn die Wickelmaschine langsamer wird. Genauer gesagt, wird die Wickelmaschine langsamer, wenn eine Vibrationsobergrenze überschritten wird. Wenn die Vibrationen unter eine Untergrenze abfallen, so beendet die Wickelmaschine das Verlangsamen und läuft mit einer konstanten Geschwindigkeit.
Als ein Beispiel des Systems der 2 und 3 im Betrieb zeigt 4A ein Abtastvibrationssignal vom Beschleunigungsmesser 46, das in dem Zeitbereich aufgetragen ist und eine 2 Hz-Komponente, eine 5 Hz-Komponente und eine Rauschkomponente enthält. In diesem Beispiel ist 5 Hz die Umlauffrequenz der gewickelten Rolle. 4B zeigt das beispielhafte Vibrationssignal nach dem Filtern durch das Bandpassfilter 80 (3) mit einer Mittenfrequenz (f_c) von 5 Hz. Ein Vergleich der 4A und 4B offenbart, dass, wenn eine Beschleunigungsamplitude von 3 als "übermäßig" gewählt wird, das gefilterte Signal einmal übermäßige Vibrationen anzeigen würde. 4A offenbart, dass das gleiche Niveau von 3 in dem gefilterten Signal zahlreiche Anzeigen übermäßiger Vibrationen anzeigen würde, von denen die meisten irrtümlich sind. Somit bietet das System der vorliegenden Erfindung eine höhere Empfindlichkeit im Vergleich zu den Verfahren des Standes der Technik. Das System kann problemlos erweitert werden, um Oberschwingungen der Frequenz der gewickelten Rolle zu handhaben, indem zusätzliche Bandpassfilter mit Mittenfrequenzen an ganzzahligen Vielfachen der Frequenz der gewickelten Rolle hinzugefügt werden. Des Weiteren kann eine höhere Selektivität erreicht werden, indem die Ordnung der Filter erhöht wird und die entsprechenden Konstruktionsgleichungen verwendet werden, wie es auf diesem technischen Gebiet bekannt ist.
5 ist ein Blockschaubild des programmierbaren Reglers 50 in einer zweiten oder Frequenzbereichs-Ausführungsform des Vibrationsdetektionssystems der vorliegenden Erfindung. 2 gilt auch für diese zweite Ausführungsform. Wie in 5 veranschaulicht, wird die Reiterrollenvibrationsrückmeldung 60 mit einer zuvor festgelegten Abtastfrequenz über die analoge Eingangskarte 51 in einen n-Punkt-Datenpuffer 100 eingespeist, wobei "n" eine beliebige ganze Zahl ist, die durch den Benutzer als die Anzahl von Datenpunkten gewählt wird. In jedem Abtastmoment wird der älteste Abtastpunkt in dem Puffer verworfen, und ein neuer Abtastpunkt tritt an seine Stelle. Die Abtastfrequenz, wie bei der ersten Ausführungsform des Systems, muss mindestens zweimal so groß sein wie die höchste Umlauffrequenz, die für die gewickelte Rolle erwartet wird. Der Datenpuffer dient dem Speichern der Abtastungen zum Berechnen einer n Punkte aufweisenden schnellen Fourier-Transformations-Analyse (FFT-Analyse), wie bei 102 veranschaulicht. Im Ergebnis der FFT wird eine Tabelle von Amplituden im Vergleich zu den Frequenzen erzeugt, wie bei 104 angedeutet. Eine grafische Darstellung einer solchen Tabelle, die im Frequenzbereich aufgetragen ist und die gleichen Daten verwendet, die für den Aufbau von 4A ausgewählt wurden, ist in 6 zu sehen.
Die Umlauffrequenz 70 der gewickelten Rolle wird, wie bei 68 angedeutet, anhand der Rückmeldung für die Maschinengeschwindigkeit 64 und den Durchmesser der gewickelten Rolle 66 berechnet, wie bei der ersten Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung. Außerdem, wie bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird die Umlauffrequenz 70 der gewickelten Rolle durch das Frequenzbegrenzungs- und Tiefpassfilter 74 geleitet. In dem System von 5 jedoch dient die Umlauffrequenz, wie bei 106 angedeutet, als ein Zeiger für die Tabelle der Amplituden im Vergleich zu den Frequenzen 104.
Als ein Ergebnis des Zeigers 106 wird eine Vibrationsamplitude 114 mit der Umlauffrequenz der gewickelten Rolle aus der Tabelle 104 ausgewählt. Die ausgewählte Amplitude 114 wird dann in den Niveaudetektor 116 eingespeist, und es wird ein Bitstrom 118 erzeugt, der widerspiegelt, ob das Signal, das den Niveaudetektor 116 erreicht, ein zuvor festgelegtes Niveau überschreitet (0) oder nicht (1). Darum enthält im Fall übermäßiger Vibrationen der Bitstrom 118, der an das Antriebssystem 52 (2) gesandt wird, eine 0, die das Antriebssystem 52 als ein Signal interpretiert, die Wickelmaschine, das heißt, die Drehgeschwindigkeit der gewickelten Rolle 18 (2), zu verlangsamen.
Beim Programmieren des Reglers 50 muss eine gewünschte Frequenzauflösung für die FFT-Berechnung 102 festgelegt werden. Die Frequenzauflösung ist die Fähigkeit, die Amplituden des Rückmeldungssignals für die Vibrationen der gewickelten Rolle im Hinblick auf die Frequenz für die Tabelle 104, die durch die FFT 102 erzeugt wird, diskret anzuzeigen. Die Frequenzauflösung steht in Beziehung zur Anzahl der durch den Datenpuffer 100 genommenen Abtastpunkte. Genauer gesagt, je mehr Abtastpunkte (größere Werte von n) genommen werden, desto höher ist die Frequenzauflösung.
Eine große Anzahl arithmetischer Operationen kann erforderlich sein, um eine FFT-Berechnung mit einer wünschenswerten Abtastfrequenz und Frequenzauflösung bei der Ausführungsform von 5 auszuführen. Wenn zum Beispiel die maximale Umlauffrequenz der gewickelten Rolle 25 Hz ist und eine Frequenzauflösung von 0,2 Hz für Tabelle 104 gewünscht ist, so müsste die Anzahl der Amplitudenpunkte, die durch die FFT-Berechnung erzeugt wird, 25/0,2 = 125 sein. Im Interesse der rechnerischen Effizienz sollte der Wert auf die nächste Potenz von 2, das heißt 128, aufgerundet werden. Wenn die FFT-Berechnung 102 stattfindet, so ist die Hälfte der Punkte symmetrisch. Infolge dessen müsste eine 256-Punkte-FFT berechnet werden, um 128 Amplitudenpunkte in Tabelle 104 zu erhalten. Eine 256-Punkte-FFT würde 10240 arithmetische Operationen (Multiplikationen und Additionen) erfordern. Im Fall eines programmierbaren Reglers, wie zum Beispiel dem Allen-Bradley PLC-5, würde dies ungefähr 150 ms dauern, was etwa dreimal mehr ist als der benötigte Abtastzeitraum. Darum wird der programmierbare Regler 50 in 5 vorzugsweise durch eine DSP-Platine ergänzt oder ersetzt. Die DSP-Platine kann Teil eines Personalcomputers sein, der als der programmierbare Regler 50 verwendet wird.
Bei der Ausführungsform von 5 kann es mehrere zuvor festgelegte Amplitudenniveaus in dem Niveaudetektor 116 an ganzzahligen Vielfachen der Umlauffrequenz der gewickelten Rolle geben. Bei einem solchen System werden die Amplituden bei diesen Oberwellenfrequenzen mit den zuvor festgelegten Niveaus verglichen, und wenn sie überschritten werden, so wird die Wickelmaschine verlangsamt. Wie bei der Ausführungsform von 3 kann der Niveaudetektor 116 auch so konfiguriert sein, dass eine Hysterese eintritt, wenn die Wickelmaschine verlangsamt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein System bereit, das die Vibrationen einer gewickelten Rolle in einer Wickelmaschine auf die Vibrationen isoliert, die durch die Drehung der gewickelten Rolle verursacht werden, um eine exakte und brauchbare Detektion durch einen Niveaudetektor zu ermöglichen. Dies verringert falsche Auslösungen des Niveaudetektors und erhöht die Rauschtoleranz des Systems. Auf diese Weise wird die Wickelmaschine automatisch angewiesen, nur dann langsamer zu werden, wenn dies notwendig ist, wodurch die Effizienz der Wickeloperation erhöht wird.
Dem Durchschnittsfachmann leuchtet ein, dass das oben Dargelegte dazu dient, die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zu veranschaulichen. Es sind verschiedene Modifikationen innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen dargelegt ist, möglich.

Claims

System zum Steuern der Wickelgeschwindigkeit einer Maschine 10 für das Wickeln einer Materialbahn 16 auf eine gewickelte Rolle 18, das aufweist: a) eine Einrichtung für das Messen einer Vibration der gewickelten Rolle, während das Bahnmaterial darauf aufgewickelt wird; b) eine Einrichtung für das Messen einer Maschinengeschwindigkeit der Materialbahn 16; c) eine Einrichtung für das Messen eines Durchmessers der gewickelten Rolle; d) einen Regler 50, der die gemessene Maschinengeschwindigkeit und den Durchmesser empfängt und eine Umlauffrequenz der gewickelten Rolle daraus berechnet und die berechnete Umlauffrequenz der gewickelten Rolle verwendet, um die Komponente der Vibration der gewickelten Rolle infolge der Wickelgeschwindigkeit der Wickelmaschine zu isolieren; und e) einen Niveaudeketor 84 in Verbindung mit der Wickelmaschine, wobei der Niveaudetektor die Wickelgeschwindigkeit der Wickelmaschine 10 verringert, wenn die Wickelgeschwindigkeitskomponente der Vibration der gewickelten Rolle ein vorgegebenes Niveau übersteigt; wodurch eine übermäßige Vibration der gewickelten Rolle 18 vermieden wird.
System nach Anspruch 1, bei dem der Regler 50 einen Bandpassfilter 80 mit einem Durchlassband umfasst, das die Komponente der Schwingung der gewickelten Rolle isoliert, die auf die Wickelgeschwindigkeit der Wickelmaschine 10 zurückzuführen ist, wobei das Durchlassband des Bandpassfilters 80 durch die berechnete Umlauffrequenz der gewickelten Rolle bestimmt wird.
System nach Anspruch 1, bei dem der Regler 50 programmiert ist, um eine schnelle Fourier-Transformations-Analyse bei der gemessenen Vibration der gewickelten Rolle durchzuführen, so dass eine Tabelle 104 der Amplituden über den Frequenzen erzeugt und die isolierte Komponente der Vibration der gewickelten Rolle aus der Tabelle 104 auf der Basis der berechneten Umlauffrequenz der gewickelten Rolle ausgewählt wird.
System nach Anspruch 3, bei dem der Regler 50 einen Analog-Digital-Wandler in Verbindung mit der Einrichtung für das Messen einer Vibration der gewickelten Rolle 18 und einen Datenpuffer 100 in Verbindung mit dem Analog-Digital-Wandler umfasst, wobei der Datenpuffer 100 Abtastpunkte speichert, die vom Analog-Digital-Wandler für eine Verwendung bei der schnellen Fourier-Transformations-Analyse bereitgestellt werden.
System nach Anspruch 1, bei dem die Wickelmaschine 10 eine Reiterrolle 30 umfasst, die mit der gewickelten Rolle 18 in Berührung kommt, und die Einrichtung für das Messen der Vibration der gewickelten Rolle einen Beschleunigungsmesser 46 in Verbindung mit der Reiterrolle 30 und dem Regler umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem die Wickelmaschine 10 eine Reiterrolle 30 umfasst, die mit der gewickelten Rolle 18 in Berührung kommt, und die Einrichtung für das Messen der Vibration der gewickelten Rolle 18 eine Kraftmessdose in Verbindung mit der Reiterrolle und dem Regler umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem die Wickelmaschine 10 eine Reiterrolle 30 umfasst, die mit der gewickelten Rolle 18 in Berührung kommt und ein Reiterrollenhydraulikzylinder 34 an der Reiterrolle 30 angebracht ist, und die Einrichtung für das Messen der Vibration der gewickelten Rolle 18 einen Druckwandler 53 in Verbindung mit dem Reiterrollenhydraulikzylinder 34 und dem Regler umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem die Wickelmaschine eine hintere Trommel 20 umfasst, die die gewickelte Rolle 18 trägt, und die Einrichtung für das Messen der Maschinengeschwindigkeit der Materialbahn einen Kodierer 42 in Verbindung mit der hinteren Trommel 20 und dem Regler 50 umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem die Wickelmaschine eine Reiterrolle 30 umfasst, die mit der gewickelten Rolle 18 in Berührung kommt, und die Einrichtung für das Messen eines Durchmessers der gewickelten Rolle 18 ein Positionspotentiometer 40 in Verbindung mit der Reiterrolle 30 und dem Regler umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem die Wickelmaschine ein Kernspannfutter 45 umfasst, das mit der gewickelten Rolle 18 in Eingriff kommt, und die Einrichtung für das Messen eines Durchmessers der gewickelten Rolle einen Umdrehungssensor 44 in Verbindung mit dem Kernspannfutter 45 umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem der Regler 50 einen Analog-Digital-Wandler in Verbindung mit der Einrichtung für das Messen der Vibration, der Maschinengeschwindigkeit und des Durchmessers umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem der Regler 50 einen Tiefpassfilter 74 für das Filtern der berechneten Umlauffrequenz der gewickelten Rolle umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem der Niveaudetektor 84 im Regler 50 eingebaut ist.
Maschine für das Wickeln einer Materialbahn 16 auf eine gewickelte Rolle 18, die aufweist: a) ein Antriebssystem, das eine Wickelgeschwindigkeit der Maschine 10 bestimmt; b) eine Einrichtung für das Messen einer Vibration der gewickelten Rolle 18, während das Bahnmaterial 16 darauf gewickelt wird; c) eine Einrichtung für das Messen der Maschinengeschwindigkeit der Materialbahn 16; d) eine Einrichtung für das Messen eines Durchmessers der gewickelten Rolle 18; e) einen Regler 50, der die gemessene Maschinengeschwindigkeit und den Durchmesser aufnimmt und eine Umlauffrequenz der gewickelten Rolle daraus berechnet und die berechnete Umlauffrequenz der gewickelten Rolle verwendet, um die Komponente der Vibration der gewickelten Rolle 18 infolge der Wickelgeschwindigkeit der Wickelmaschine 10 zu isolieren; und f) einen Niveaudeketor 54 in Verbindung mit dem Antriebssystem 52 und dem Regler 50, wobei der Niveaudetektor die Wickelgeschwindigkeit verringert, wenn die Wickelgeschwindigkeitskomponente der Vibration der gewickelten Rolle ein vorgegebenes Niveau übersteigt; wodurch eine übermäßige Vibration der gewickelten Rolle vermieden wird.
Maschine nach Anspruch 14, bei der der Regler einen Bandpassfilter 80 mit einem Durchlassband umfasst, das die Komponente der Schwingung der gewickelten Rolle isoliert, die auf die Wickelgeschwindigkeit der Wickelmaschine zurückzuführen ist, wobei das Durchlassband des Bandpassfilters durch die berechnete Umlauffrequenz der gewickelten Rolle bestimmt wird.
Maschine nach Anspruch 14, bei der der Regler 50 programmiert ist, um eine schnelle Fourier-Transformations-Analyse bei der gemessenen Vibration der gewickelten Rolle 18 durchzuführen, so dass eine Tabelle der Amplituden über den Frequenzen erzeugt und die isolierte Komponente der Vibration der gewickelten Rolle aus der Tabelle auf der Basis der berechneten Umlauffrequenz der gewickelten Rolle ausgewählt wird.
Maschine nach Anspruch 16, bei dem der Regler 50 einen Analog-Digital-Wandler in Verbindung mit der Einrichtung für das Messen einer Vibration der gewickelten Rolle 18 und einen Datenpuffer 100 in Verbindung mit dem Analog-Digital-Wandler umfasst, wobei der Datenpuffer 100 Abtastpunkte speichert, die vom Analog-Digital-Wandler für eine Verwendung bei der schnellen Fourier-Transformations-Analyse bereitgestellt werden.
Maschine nach Anspruch 14, bei der die Einrichtung für das Messen der Vibration der gewickelten Rolle 18 eine Reiterrolle 30, die mit der gewickelten Rolle 18 in Berührung kommt, und einen Beschleunigungsmesser 46 in Verbindung mit der Reiterrolle 30 und dem Regler umfasst.
Maschine nach Anspruch 14, bei der die Einrichtung für das Messen der Vibration der gewickelten Rolle 18 eine Reiterrolle 30, die mit der gewickelten Rolle 18 in Berührung kommt, und eine Kraftmessdose in Verbindung mit der Reiterrolle 30 und dem Regler 50 umfasst.
Maschine nach Anspruch 14, bei der die Einrichtung für das Messen der Vibration der gewickelten Rolle eine Reiterrolle 30, die mit der gewickelten Rolle 18 in Berührung kommt, einen Reiterrollenhydraulikzylinder 34, der an der Reiterrolle 30 angebracht ist, und einen Druckwandler 53 in Verbindung mit dem Reiterrollenhydraulikzylinder 34 und dem Regler 50 umfasst.
Maschine nach Anspruch 14, die außerdem eine hintere Trommel 20 aufweist, die die gewickelte Rolle 18 trägt, und bei der die Einrichtung für das Messen der Maschinengeschwindigkeit der Materialbahn 16 einen Kodierer 42 in Verbindung mit der hinteren Trommel 20 und dem Regler 50 umfasst.
Maschine nach Anspruch 14, die außerdem eine Reiterrolle 30 aufweist, die mit der gewickelten Rolle 18 in Berührung kommt, und bei der die Einrichtung für das Messen eines Durchmessers der gewickelten Rolle 18 ein Positionspotentiometer 40 in Verbindung mit der Reiterrolle 30 und dem Regler 50 umfasst.
Maschine nach Anspruch 14, die außerdem ein Kernspannfutter 45 aufweist, das mit der gewickelten Rolle 18 in Eingriff kommt, und bei der die Einrichtung für das Messen eines Durchmessers der gewickelten Rolle 18 einen Umdrehungssensor 44 in Verbindung mit dem Kernspannfutter 45 umfasst.
Maschine nach Anspruch 14, bei der der Regler einen Analog-Digital-Wandler in Verbindung mit der Einrichtung für das Messen der Vibration, der Maschinengeschwindigkeit und des Durchmessers umfasst.
Maschine nach Anspruch 14, bei der der Regler einen Tiefpassfilter 74 für das Filtern der berechneten Umlauffrequenz der gewickelten Rolle umfasst.
Maschine nach Anspruch 14, bei der der Niveaudetektor 84 im Regler 50 eingebaut ist.
Verfahren für das Wickeln einer Materialbahn 16 auf eine gewickelte Rolle 18, so dass übermäßige Vibrationen der gewickelten Rolle 18 vermieden werden, das die folgenden Schritte aufweist: a) Messen einer Vibration der gewickelten Rolle 18; b) Messen einer Maschinengeschwindigkeit der Materialbahn 16, während sie auf die gewickelte Rolle 18 gewickelt wird; c) Messen eines Durchmessers der gewickelten Rolle 18; d) Berechnen einer Umlauffrequenz der gewickelten Rolle aus der gemessenen Maschinengeschwindigkeit und dem gemessenen Durchmesser der gewickelten Rolle 18; e) Isolieren einer Komponente der gemessenen Vibration der gewickelten Rolle 18, basierend auf der berechneten Umlauffrequenz der gewickelten Rolle; f) Vergleichen der isolierten Komponente der Vibration der gewickelten Rolle mit einem vorgegebenen Niveau; und g) Verringern der Wickelgeschwindigkeit der gewickelten Rolle, wenn die isolierte Komponente der Vibration der gewickelten Rolle das vorgegebene Niveau übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem der Schritt e) die folgenden Unterschritte umfasst: i) Bereitstellen eines Bandpassfilters 80; ii) Auswählen des Durchlassbandes für den Bandpassfilter 80 auf der Basis der berechneten Umlauffrequenz; und iii) Filtern der gemessenen Vibration der gewickelten Rolle 18 mit dem Bandpassfilter.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem der Schritt e) die folgenden Unterschritte umfasst: i) Durchführen einer schnellen Fourier-Transformations-Analyse, so dass eine Tabelle 104 der Amplituden über den Frequenzen hergestellt wird; und ii) Auswählen der isolierten Komponente der Vibration der gewickelten Rolle aus der Tabelle 104 auf der Basis der berechneten Umlauffrequenz der gewickelten Rolle.
Verfahren nach Anspruch 27, das außerdem die folgenden Schritte aufweist: h) Bereitstellen eines Tiefpassfilters 74; und i) Filtrieren der Umlauffrequenz der gewickelten Rolle, die beim Schritt d) berechnet wurde, mit dem Tiefpassfilter 74.