PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10344070A1 06.05.2004
Titel Antriebsmodul für eine Druckmaschine
Anmelder Heidelberger Druckmaschinen AG, 69115 Heidelberg, DE
Erfinder Albrecht, Kai, 69124 Heidelberg, DE;
Baehr, Ulrich, 69221 Dossenheim, DE;
Kleibaumhüter, Klaus Dieter, 76669 Bad Schönborn, DE;
Meyer, Helmut, 69168 Wiesloch, DE;
Thomas, Christian, 69190 Walldorf, DE
DE-Anmeldedatum 23.09.2003
DE-Aktenzeichen 10344070
Offenlegungstag 06.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.05.2004
IPC-Hauptklasse B41F 33/12
IPC-Nebenklasse B41F 13/004   
Zusammenfassung Antriebsmodul für eine oder mehrere steuerbare Antriebsachsen (2) einer Druckmaschine, wobei das Antriebsmodul von einer Zentraleinheit (7) steuerbar ist und ein Steuermodul (1) umfasst, wobei das Steuermodul (1) eine Antriebsrecheneinheit (12) zum Steuern der einen oder mehreren Antriebsachsen mittels intelligenter Leistungsteile (5) abhängig von vorgegebenen Ansteuersignalen und eine Überwachungsrecheneinheit (13) zum Steuern der Bewegung der Antriebsachsen abhängig von vorgegebenen Sicherheitsbetriebsdaten umfasst.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Antriebsmodul für eine Druckmaschine mit mehreren Antriebsachsen.

Drucksysteme weisen mehrere Antriebsachsen auf. Jede der Antriebsachsen wird bislang durch ein eigenes Antriebsmodul angesteuert. Ein Antriebsmodul besteht i.d.R. aus einer Regelungseinheit und einem Leistungsteil und ist gewöhnlich über einen Feldbus mit einer Zentraleinheit verbunden, die die Gesamtsteuerung des Systems, z.B. die Befehlsvorgabe an die Antriebsachsen, übernimmt.

Durch die Verschärfung von Sicherheitsbestimmungen ist es notwendig, eine redundante Überwachung der Antriebsachsen vorzusehen. Dies wurde bisher durch separate Zusatzmodule erreicht. Diese Überwachungsmodule besitzen einen redundanten Zugriff auf die Gebersignale des Motors. Weiterhin werden den Überwachungsmodulen die Signale von sicherheitsrelevanten Eingängen (Schutzgitter, Not-Aus, ...) zugeführt. Eine in die Überwachungsmodule integrierte Logik ermittelt aus den Eingangssignalen den erlaubten Betriebszustand, überprüft dessen Einhaltung durch die redundante Auswertung der Gebersignale und sperrt ggfs. die Freigabe des Antriebes und / oder aktiviert die Bremse.

Das Vorsehen von separaten Zusatzmodulen führt in nachteiliger Weise zu einem zusätzlichen Verdrahtungsaufwand und hohen Kosten für die Antriebsmodule für eine Antriebsachse.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostenoptimierte, skalierbare Ansteuerung für Antriebsachsen in einem Drucksystem zu schaffen, welche über eine integrierte einfehlersichere Überwachungseinheit verfügt.

Diese Aufgabe wird durch das Steuermodul nach Anspruch 1 sowie durch das Antriebssystem nach Anspruch 4 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Steuermodul für eine oder mehrere steuerbare Antriebsachsen einer Druckmaschine vorgesehen. Das Steuermodul besitzt eine Schnittstelle zur übergeordneten Steuerung sowie Schnittstellen zu den intelligenten Leistungsteilen. Das Steuermodul weist eine Antriebsrecheneinheit zum Steuern und Regeln der einen oder mehreren Antriebsachsen sowie eine Überwachungsrecheneinheit zur Überwachung der Bewegung der Antriebsachsen abhängig von den vorgegebenen Sicherheitseingangsdaten auf.

Bei der Erfindung ist daher ein Steuermodul vorgesehen, das mehrere Antriebsachsen einer Druckmaschine steuern kann, wobei mit Hilfe der Überwachungsrecheneinheit eine redundante Überwachung der Antriebe für die mehreren Antriebsachsen sichergestellt ist. Dies hat den Vorteil, dass weniger Steuermodule erforderlich sind als bei den bisherigen Systemen, bei denen für jede Antriebsachse eine Antriebsrecheneinheit vorgesehen war. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer Reduzierung der Kosten und der Schnittstellen zur Maschinensteuerung. Durch die Integration der Überwachungseinheit für n Achsen in die Antriebssteuerung kann der Verdrahtungsaufwand reduziert werden.

Es ist vorgesehen die Überwachungseinheit so zu gestalten, dass die Steuerung der Antriebsachsen durch die Antriebsrecheneinheit abhängig von den Sicherheitsdaten durch die Überwachungseinheit zu unterbrechen. Auf diese Weise kann im Fehlerfall, der mit Hilfe der Sicherheitsdaten ermittelt werden kann, der Antrieb durch die Überwachungsrecheneinheit stillgesetzt werden. Hierzu wird die Überwachungseinheit bei Installation der Maschine konfiguriert. Diese Konfiguration wird bei der abschließenden Sicherheitsabnahme überprüft und nicht flüchtig abgespeichert. Beim Einschalten der Maschine wird die aktuelle Konfiguration mit dem abgenommenen Gutmuster verglichen und nur bei Gleichheit ein Betrieb zugelassen. Bei Unterschieden in der Konfiguration ist eine neue Sicherheitsabnahme erforderlich. Diese Konfiguration legt nun die Programmierung der Logik und die Parametrierung der Überwachungen auf dem Überwachungsmodul fest. Die Sicherheitsdaten stehen in Form von Eingangsinformationen (Zustände über Not-Aus, Schutzschalter, ...) dem Überwachungsmodul direkt oder über eine Datenschnittstelle (i.d.R. Feldbus) zur Verfügung. Anhand der Konfiguration ist festgelegt, welche Informationen für den jeweiligen Zustand relevant sind.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Steuermodul eine erste Datenschnittstelle und eine zweite Datenschnittstelle aufweist, um die Befehle von der Maschinensteuerung über die erste Datenschnittstelle und die Sicherheitsdaten über die zweite Datenschnittstelle zu empfangen. Das Vorsehen von zwei Datenschnittstellen ist vorteilhaft, um eine Trennung der Übertragungen der Betriebswegdaten (Befehle) und der Sicherheitsdaten auch über den Datenbus zu gewährleisten, so dass ein Fehler auf einem der Datenbusse nicht zu einem unsicheren Zustand der Antriebe führt.

Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, die Betriebswegdaten und die Sicherheitssdaten über eine gemeinsame Datenschnittstelle zu empfangen. Dies hat den Vorieil, dass der Verdrahtungsaufwand noch weiter reduzieri werden kann. Zusätzlich müssen dafür jedoch Sicherungsmechanismen in die Übertragungsprotokolle eingebaut werden, welche u.U. die Buslast erhöhen.

Die digitale Schnittstelle des Steuermoduls zu den intelligenten Leistungsteilen ist unabhängig von der eingesetzten Antriebstechnologie. Da Drehzahl- und Stromregelung auf dem Leistungsteil erfolgen, werden an die Übertragungsbandbreite der Schnittstelle nur geringe Anforderungen gestellt.

Weiterhin besteht durch die Unabhängigkeit der Schnittstelle von der Antriebstechnologie die Möglichkeit sowohl Leistungsteile für Drehfeldantriebe als auch Leistungsteile für DC- oder Schrittantriebe an das Steuermodul anzuschließen. Auf der Schnittstelle sind weiterhin die Signale für den auf dem Steuermodul integrierten Überwachungsrechner vorhanden um die entsprechenden Antriebe einfehlersicher (redundant) zu überwachen. Zusätzlich sind die Leistungsteile mit dem Steuermodul durch eine Taktleitung synchronisieri.

Die Anzahl der einem Steuermodul zugeordneten intelligenten Leistungsteile kann in Abhängigkeit von der Rechnerauslastung des Steuermoduls festgelegt werden. So sind beispielsweise bei komplexen Algorithmen an einem Steuermodul nur wenige Leistungsteile angeschlossen, während bei einfachen Algorithmen viele Leistungsteile von einem Steuermodul gesteuert werden.

Zusätzlich werden über die Schnittstelle zum Leistungsteil Daten zur Erkennung und Parametrierung des Leistungsteils und des Motors ausgetauscht. Die Parameter sind hierbei nichtflüchtig auf dem Leistungsteil bzw. im Motor hinterlegt und werden beim Einschalten ausgewertet (Selbsterkennung). Damit wird insbesondere ein Tausch der Komponenten im Servicefall stark vereinfacht.

Diagnosedaten vom intelligenten Leistungsteil 5 werden über diese Schnittstelle 6 zum Steuermodul 1 und von hier an die Maschinensteuerung weitergeleitet.

Weiterhin ist ein Software Update des intelligenten Leistungsteils über diese Schnittstelle möglich.

Die Leistungsteile weisen vorzugsweise jeweils einen Leistungsversorgungsanschluss und einen Steuersignalanschluss zur Ansteuerung der Antriebsmotoren auf.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Steuermodul 1 für drei Antriebsachsen 2 einer Druckmaschine. Die Antriebsachsen 2 können jeweils durch einen steuerbaren Antriebsmotor 3 angetrieben werden. Jeder der steuerbaren Antriebsmotoren wird über eine Leitungsverbindung 4 von einem Leistungsteil 5 angesteuert. Die Leitungsverbindung 4 dient dazu, Stellgebersignale von dem Leistungsteil 5 an den Antriebsmotor 3 zu übertragen. Die Antriebsmotoren 3 sind mit Sensoren (nicht gezeigt) ausgestattet, um Position und/oder Geschwindigkeit der jeweiligen Antriebsachse 2 über die Leitungsverbindung das jeweilige Leistungsteil 5 an das Steuermodul 1 zu übertragen.

Jedes der Leistungsteile 5 erhält von dem Steuermodul 1 Sollwerte, die zum Betreiben des jeweiligen Antriebsmotors 3 benötigt werden. Zwischen dem Steuermodul 1 und den Leistungsteilen 5 besteht eine weitere Leitungsverbindung 6, über die Steuerdaten sowie die Spannungsversorgungen für die Leistungsteil-Elektronik an das Leistungsteil 5 angelegt werden. Darüber hinaus können Gebersignale, Signale zum Abschalten der Leistungsteile und eine Achsencodierung von dem Leistungsteil 5 an das Steuermodul 1 zur evtl. Übermittlung an eine Zentraleinheit 7 übertragen werden. Zusätzlich besitzt jedes Leistungsteil einen Leistungsversorgungsanschluss 15.

Das Steuermodul 1 weist eine Antriebssteuereinheit 12 auf, die die Steuerung der Antriebsmotoren 3 gemäß von der Zentraleinheit 7 vorgegebenen Ansteuerdaten vornimmt. Die Ansteuerdaten sind Betriebsparameter, die die Art und Weise der Ansteuerung der Antriebsmotoren aber auch Position und/oder Geschwindigkeit der Antriebsmotoren vorgeben können. Das Steuermodul 1 weist weiterhin eine Überwachungsrecheneinheit 13 auf, die den ordnungsgemäßen Betrieb der Antriebsachsen gemäß vorbestimmter Sicherheitsbetriebsparameter überprüft. Die Überwachungsrecheneinheit erhält über die Leitungsverbindung 4 und die weitere Leitungsverbindung 6 von den Sensoren der Antriebsmotoren Daten, die gemäß der Sicherheitsbetriebsparameter überprüft werden. Die Sicherheitsbetriebsparameter werden von der Zentraleinheit 7 oder direkt von den Eingangsmodulen geliefert und aktivieren beispielsweise Überwachungen der Antriebe, welche im Fehlerfall das entsprechende Leistungsteil abschalten.

Darüber hinaus können die Sicherheitsbetriebsparameter auch angeben, dass ein Notaus anliegt, bei dem die Antriebsachsen sofort gestoppt werden, d.h. der Nachlauf der Antriebsachsen wird soweit möglich vermieden. Darüber hinaus können die Sicherheitsbetriebsparameter auch vorgeben, dass die Bewegung der Antriebsachsen gemäß einem vorbestimmten Programm bis zum Stillstand verlangsamt werden, um die Druckmaschine in geordneter Weise zum Stillstand zu bringen.

Das Steuermodul 1 ist über einen ersten Datenbus 8 und einen zweiten Datenbus 9 mit der Zentraleinheit 7 verbunden. Der erste Datenbus 8 ist über eine erste Datenschnittstelle 10 und der zweite Datenbus 9 über eine zweite Datenschnittstelle 11 im Steuermodul 1 mit diesem verbunden. Über den ersten Datenbus 8 werden von der Zentraleinheit 7 Befehle an das Steuermodul 1 gesendet. Diese Befehle dienen dazu, Sollwerte für die Antriebsachsen 2 vorzugeben. Solche Sollgrößen können beispielsweise Lagesollwerte oder Drehzahlsollwerte oder Ähnliches sein. Diese Ansteuerdaten werden im Steuermodul 1 an die Antriebsrecheneinheit 12 geleitet, die die Steuerung bzw. Regelung aller angeschlossenen Antriebsachsen übernimmt. Die Maximalanzahl der ansteuerbaren Antriebsachsen ist von der Rechenleistung der Antriebsrecheneinheit begrenzt.

Über den zweiten Datenbus 9 werden Sicherheitsdaten übertragen, die von der Zentraleinheit 7 oder direkt von einem I/O-System 16 geliefert werden. Die Sicherheitsdaten werden von der zweiten Datenschnittstelle 11 an eine Überwachungsrecheneinheit 13 weitergeleitet. Die Überwachungsrecheneinheit 13 überwacht den ordnungsgemäßen Betrieb der Antriebsachsen 2 gemäß vorbestimmter Konfiguration. Die Überwachungsrecheneinheit 13 leitet bestimmte Maßnahmen, wie z.B. ein Not-aus, ein, wenn unzulässige Betriebszustände durch die Sensoren in den Antriebsmotoren 3 gemeldet werden. Die Überwachungsrecheneinheit 13 kann die Antriebsachsen getrennt oder gemeinsam ansteuern, so dass bei einem unerwarteten Zustand eine, mehrere oder alle Antriebsachsen abgeschaltet werden.

Das erfindungsgemäße Steuermodul 1 ermöglicht es, mehrere Antriebsachsen 2 gemeinsam zu steuern. Das Steuermodul 1 ist nur über den ersten Datenbus 8 und den zweiten Datenbus 9 mit der Zentraleinheit 7 und mit dem I/O-System 16 verbindbar, so dass eine einzelne Verbindung zwischen den Antriebsachsen 3 bzw. deren Antriebssteuerungen 5 und der Zentraleinheit 7 nicht notwendig ist. Die dargestellte Konfiguration bestehend aus 3 Antriebsachsen benötigt dadurch nur 2 anstatt 6 Busanschlüsse. Bezüglich der ersten und zweiten Datenbusse 8, 9 ist eine Reduzierung der Busknoten möglich, so dass mehr Antriebsachsen 2 über den ersten und den zweiten Datenbus 8, 9 gesteuert werden können.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass im Steuermodul 1 nur einmalig die Versorgungsspannungen, die für alle Antriebsachsen 2 generiert werden müssen, bereitgestellt werden.

Die Antriebsmotoren 3 können in beliebiger Antriebstechnologie realisiert sein (Asynchron bzw. Synchron, Gleichstrom, Schrittantriebe, ...). Sind sie als sog. bürstenlose Antriebsmotoren realisiert sind zusätzliche Sensoren als Stellgeber zum Überwachen der Antriebe nicht notwendig, da die Hall-Sensoren für die Motorkommutierung redundant ausgewertet werden können, um die Lage bzw. Drehzahl der Antriebsmotoren 3 zu erfassen. Diese Gebersignale werden der Geberauswertung des intelligenten Leistungsteils 5 und der Überwachungsrecheneinheit 13 über die Schnittstelle 6 zur Verfügung gestellt.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass das Steuermodul 1 eine beliebige Anzahl von Antriebsachsen steuern kann und somit nahezu beliebig skalierbar ist, wobei die ansteuerbare Anzahl der Antriebsachsen von Aufgabe und Rechenleistung der Antriebsrecheneinheit 12 abhängt.

1 Steuermodul 2 Antriebsachse 3 Antriebsmotor 4 Leitungsverbindung 5 Leistungsteil 6 weitere Leitungsverbindung 7 Zentraleinheit 8 erster Datenbus 9 zweiter Datenbus 10 erste Datenschnittstelle 11 zweite Datenschnittstelle 12 Antriebsrecheneinheit 13 Überwachungsrecheneinheit 14 Schnittstelle 15 Leistungsversorgungsanschluss 16 VO System

Anspruch[de]
  1. Steuermodul (1) für mehrere steuerbare Antriebsachsen (3) einer Druckmaschine, wobei das Steuermodul (1) durch eine Zentraleinheit (7) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (1) eine Antriebsrecheneinheit (12) aufweist, die geeignet ist, mehrere Antriebsachsen (3) abhängig von vorgegebenen Ansteuersignalen zu steuern, und dass das Steuermodul eine Überwachungsrecheneinheit (13) aufweist, die geeignet ist, die Bewegung der Antriebsachsen (3) abhängig von vorgegebenen Sicherheitsdaten zu überwachen und ggfs. zu unterbinden.
  2. Steuermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle zum Leistungsteil unabhängig von der verwendeten Antriebstechnologie ist.
  3. Steuermodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul eine erste Datenschnittstelle (10) und eine zweite Datenschnittstelle (11) aufweist, um die Ansteuersignale über die erste Datenschnittstelle (10) und die Sicherheitsdaten über die zweite Datenschnittstelle (11) zu empfangen.
  4. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul so gestaltet ist, um die Ansteuersignale und die Sicherheitsdaten über eine gemeinsame Datenschnittstelle zu empfangen.
  5. Steuermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (13) abhängig von Sicherheitsdaten die Bewegung der Antriebsachsen bei Erkennen einer Fehlfunktion sofort stoppt.
  6. Antriebssystem mit mindestens einem Steuermodul (1) nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsachsen (3) über Leistungsteile (5), die jeweils mit einem steuerbaren Antriebsmotor (3) verbunden sind, mit dem Steuermodul (1) verbunden sind.
  7. Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsteile mit dem Steuermodul (1) über Steuerleitungen (6) verbunden sind.
  8. Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsteile (5) mit dem Steuermodul (1) über eine Taktleitung synchronisiert
  9. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (1) in einem Gehäuse gemeinsam mit den Leistungsteilen (5) angeordnet ist, wobei das Steuermodul (1) eine Schnittstelle (14) zum Ansteuern der Leistungsteile (5) aufweist.
  10. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsteile (5) zur Ansteuerung der Motoren (3) jeweils einen Leistungsversorgungsanschluss (15) einen Steuersignalanschluss (6) und eine Motorleitungsverbindung (4) zur Verfügung stellen.
  11. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zentraleinheit (7) vorgesehen ist, um Ansteuerdaten und Sicherheitsdaten zur Verfügung zu stellen.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com