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Title:
FAIL-SAFE SPEED MONITORING OF A DRIVE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/102189
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to fail-safe monitoring of the speed of a drive, which has at least a converter, a motor, and a rotational speed sensor, wherein a target rotational speed is specified to the drive and an actual rotational speed is sensed by means of the speed sensor. In order to achieve a high safety integrity level while avoiding the disadvantages of the known solutions, according to the invention, a substitute rotational speed is calculated and three plausibility checks are performed in a safety program of a safety CPU, wherein in each case two of the following three values are checked: target rotational speed, actual rotational speed, and substitute rotational speed. Because the calculated substitute rotational speed is independent of the sensor, even sensor errors that are difficult or impossible to detect by means of prior hardware solutions can be detected. The substitute rotational speed can be determined, for example, from the initial frequency of a converter or from the quotient of EMF and magnetic flux.

Inventors:
CZERNY, Werner (Schwalbenstr. 17, Höchstadt, 91315, DE)
MEINARDUS, Martin (Storchenweg 43b, Nürnberg, 90480, DE)
RASENACK, Wolf-Martin (Weiherackerweg 4, Marloffstein, 91080, DE)
VLAIC, Iuliu (Schlehenstr. 23, Erlangen, 91056, DE)
Application Number:
EP2016/077273
Publication Date:
June 22, 2017
Filing Date:
November 10, 2016
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
International Classes:
G01P21/02; B65H23/18; B65H26/00; G01P3/48; H02H7/093; H02P29/00; H02P29/10
Domestic Patent References:
WO2013127815A12013-09-06
Foreign References:
DE102012203002A12013-08-29
DE102012219914A12014-04-30
DE102011009927A12012-08-02
DE10163010A12002-11-14
DE102009038060A12011-03-03
DE10261450A12004-07-22
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur fehlersicheren Überwachung der Geschwindigkeit eines Antriebs mit zumindest einem Umrichter (2), einem Motor (3) und einem Drehzahlgeber (4), wobei dem Antrieb eine Soll-Drehzahl (9) vorgegeben wird und mittels des Drehzahlge¬ bers (4) eine Ist-Drehzahl (10) erfasst wird,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s eine Ersatzdrehzahl (11) berechnet wird und in einem Sicher- heitsprogramm (7) einer Sicherheits-CPU (6) mit je zwei der drei Werte Soll-Drehzahl (9), Ist-Drehzahl (10) und Ersatzdrehzahl (11) eine Plausibilitätsprüfung (12-14) durchgeführt wird . 2. Verfahren nach Anspruch 1,

wobei bei den Plausibilitätsprüfungen (12-14) je zumindest eines der folgenden Kriterien überprüft wird:

- zumindest ein Wert ändert sich kontinuierlich,

- die Differenz beider Werte liegt innerhalb einer

vorgebbaren Toleranz,

- die Differenz beider Werte ändert sich kontinuierlich.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

wobei die Ist-Drehzahl (10) und/oder die Ersatzdrehzahl (11) im Sicherheitsprogramm (7) auf Überschreiten zumindest eines vorgebbaren positiven Grenzwertes oder auf Unterschreiten zumindest eines vorgebbaren negativen Grenzwertes geprüft wer¬ den (15, 16) . 4. Verfahren nach Anspruch 3,

wobei bei Überschreiten bzw. Unterschreiten des positiven bzw. negativen Grenzwertes ein Warnsignal ausgegeben und/oder der Motor (3) abgeschaltet wird. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei negativem Ergebnis zumindest einer Plausibilitäts- prüfung (12-14) ein Warnsignal ausgegeben und/oder der Motor (3) abgeschaltet wird.

6. System (1) aus zumindest einem Antrieb, der zumindest ei¬ nen Umrichter (2), einen Motor (3) und einen Drehzahlgeber (4) aufweist, und einer Sicherheits-CPU (6), wobei die

Sicherheits-CPU (6) zumindest ein Sicherheitsprogramm (7) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

7. System nach Anspruch 6,

wobei der Umrichter (2) Mittel (8) zur Berechnung der Ersatz- drehzahl (11) aufweist.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur mittelbaren Überwachung der Bahngeschwindigkeit einer durch Rollen bewegten Materialbahn in einer Papiermaschine, Rollenschneidmaschine oder Streichmaschine.

Description:
Beschreibung

Fehlersichere Geschwindigkeitsüberwachung eines Antriebs Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fehlersicheren Überwachung der Geschwindigkeit eines Antriebs mit zumindest ei ¬ nem Umrichter, einem Motor und einem Drehzahlgeber, wobei dem Antrieb eine Soll-Drehzahl vorgegeben wird und mittels des Drehzahlgebers eine Ist-Drehzahl erfasst wird. Die Erfindung betrifft weiter ein System aus zumindest einem Antrieb, der zumindest einen Umrichter, einen Motor und einen Drehzahlgeber aufweist, und Mittel zur Durchführung des genannten Verfahrens. Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung des ge ¬ nannten Verfahrens zur mittelbaren Überwachung der Bahnge- schwindigkeit einer durch Rollen bewegten Materialbahn in einer Papiermaschine, Rollenschneidmaschine oder Streichmaschi ¬ ne .

Ein derartiges Verfahren bzw. System kommt insbesondere dort zum Einsatz, wo eine Geschwindigkeitsüberwachung von Antrieben mit einem möglichst hohen Sicherheits-Integritätslevel (SIL, auch „Safety Integrity Level", Definition z.B. gemäß IEC/EN 62061) erfolgen soll. Die Verwendung des genannten Verfahrens kommt dabei insbesondere als Weiterentwicklung in Lösungen zum Einsatz, wie sie in der WO 2013/127815 AI beschrieben sind.

Bekannte Lösungen zur fehlersicheren Geschwindigkeitsüberwa ¬ chung verwenden hierfür spezielle Safety-Drehzahlgeber oder externe Hardware, Sinus-Cosinus-Geber und safety- zertifizierten Geberanbau. Diese Lösungen sind aber aufwändig und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zur fehlersicheren Überwachung der Geschwindigkeit eines Antriebs vorzuschlagen, die die Nachteile der bekannten Lösungen überwindet . Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Ersatzdrehzahl berechnet wird und in einem Sicherheitsprogramm einer Sicherheits-CPU mit je zwei der drei Werte Soll-Drehzahl, Ist-Drehzahl und Ersatz- drehzahl eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt wird.

Die Aufgabe wird weiter durch ein System mit den in Anspruch 6 sowie eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung realisiert eine fehlersichere Ge ¬ schwindigkeitsüberwachung durch ein Berechnungsverfahren in der Software unter Verwendung der bestehenden / herkömmlichen Hardware, d.h. es wird keine spezielle Hardware wie bei den bekannten Lösungen ( Safety-Geber etc.) benötigt. Dabei berechnet sich die Ersatzdrehzahl aus der Ausgangsfrequenz des Umrichters bei Drehstromantrieben bzw. dem Quotienten aus EMK (elektromotorische Kraft bzw. Klemmenspannung) und magneti ¬ schem Fluss bei Gleichstromantrieben. Durch die drei Plausi- bilitätsprüfungen (Soll-Drehzahl - Ist-Drehzahl, Ist-Drehzahl - Ersatzdrehzahl, Ersatzdrehzahl - Soll-Drehzahl) können Sicherheitslevel erreicht werden, die bisher nur durch Hard ¬ ware-Lösungen erreichbar waren. Zudem können auch Geberfehler erkannt werden, die durch bisherige Hardware-Lösungen nicht bzw. nur schwer (über Fehlerausschlüsse) erkennbar sind. Denn bei einem Verfahren ohne die berechnete Ersatzdrehzahl können durch die regelungstechnische Rückkopplung von Soll- und Istwert (Istwert vom Geber erfasst) nicht sämtliche Geberfehler erkannt werden, die aber zur Erreichung einer fehlersicheren Geschwindigkeitsüberwachung erkannt werden müssen, z.B. konstanter Schlupf zwischen Geber und Geberwelle. Da die berechnete Ersatzdrehzahl unab ¬ hängig vom Geber ist, werden diese Fehler durch das erfin- dungsgemäße Verfahren ebenfalls erkannt. In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung wird bei den Plausibilitätsprüfungen je zumindest eines der folgenden Kriterien überprüft:

- zumindest ein Wert ändert sich kontinuierlich,

- die Differenz beider Werte liegt innerhalb einer

vorgebbaren Toleranz,

- die Differenz beider Werte ändert sich kontinuierlich. Durch die Prüfung, ob ein Wert und/oder die Differenz beider Werte sich kontinuierlich ändert, wird geprüft, ob ein Rau- sehen auf dem Wert vorhanden ist, bzw. die Differenz beider Werte auf Rauschen geprüft. Liegt die Differenz beider Werte innerhalb einer vorgebbaren Toleranz, so decken sich beide Werte zumindest weitestgehend. Ist zumindest eines der über ¬ prüften Kriterien nicht erfüllt, d.h. es liegt kein Rauschen vor und/oder die jeweiligen Werte decken sich nicht, so ist die entsprechende Plausibilitätsprüfung negativ.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Ist-Drehzahl und/oder die Ersatzdrehzahl im Sicherheitspro- gramm auf Überschreiten zumindest eines vorgebbaren positiven Grenzwertes oder auf Unterschreiten zumindest eines

vorgebbaren negativen Grenzwertes geprüft. Da die berechnete Ersatzdrehzahl unabhängig vom Geber ist, wird durch die Überprüfung der Ersatzdrehzahl auf Grenzwertüberschreitung die Sicherheit des Systems auch bei bestimmten Geberfehlern (z.B. konstanter Schlupf zwischen Geber und Geberwelle) gewährleis ¬ tet .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird dabei bei Überschreiten bzw. Unterschreiten des positiven bzw. negativen Grenzwertes ein Warnsignal ausgegeben und/oder der Motor abgeschaltet. Die Ausgabe eines Warnsignals ermöglicht es einem Bediener, geeignete Maßnahmen zu ergreifen und ggf. auch den Motor manuell abzuschalten. Der Grenzwert kann aber auch so vorgegeben sein, dass eine sofortige Abschaltung des Motors zu bewirken ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird bei negativem Ergebnis zumindest einer Plausibilitätsprüfung ein Warnsignal ausgegeben und/oder der Motor abgeschaltet. Die Ausgabe eines Warnsignals ermöglicht es einem Bediener, ge- eignete Maßnahmen zu ergreifen und ggf. auch den Motor manu ¬ ell abzuschalten. Der Grenzwert kann aber auch so vorgegeben sein, dass eine sofortige Abschaltung des Motors zu bewirken ist . In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung des Systems weist der Umrichter Mittel zur Berechnung der Ersatzdrehzahl auf. Durch die Vornahme dieser einfachen Berechnung direkt im Umrichter anstatt in der Sicherheits-CPU wird die Einhaltung eines hohen Safety-Integrety-Levels nicht beeinflusst.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere vor ¬ teilhaft zur mittelbaren Überwachung der Bahngeschwindigkeit einer durch Rollen bewegten Materialbahn in einer Papiermaschine, Rollenschneidmaschine oder Streichmaschine. Unter ei- ner Materialbahn wird dabei eine Bahn aus einem Flachmaterial, beispielsweise aus Papier, Kunststoff oder Metall, ver ¬ standen .

Bei Maschinen mit durchlaufenden, durch Rollen bewegten Mate- rialbahnen sind die Umfangsgeschwindigkeiten der antreibenden Rollen und die damit zusammenhängende Bahngeschwindigkeit der Materialbahnen zu überwachen. Insbesondere sind zwei Ge ¬ schwindigkeitsschwellenwerte zu berücksichtigen: eine maxima ¬ le mechanische Bahngeschwindigkeit, die nicht überschritten werden darf, um eine Beschädigung der Maschine zu vermeiden, und eine so genannte sichere Geschwindigkeit, bei der es den Bedienern erlaubt ist, Gefahrenbereiche während der Bewegung der Maschine zu betreten, beispielsweise um Wartungsarbeiten durchzuführen .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläu ¬ tert. Die Figur zeigt: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen fehlersicheren Geschwindigkeitsüberwachung .

Die Figur zeigt ein System 1 aus einem Antrieb, der einen Um- richter 2, einen Motor 3 und einen Drehzahlgeber 4 aufweist, und einer Sicherheits-CPU 6 mit einem Sicherheitsprogramm 7. Umrichter 2 und Sicherheits-CPU 6 sind beispielhaft über ei ¬ nen Feldbus 5 als Kommunikationsverbindung gekoppelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Umrichter 2 selbst Mittel 8 zur Berechnung einer Ersatzdrehzahl 11 auf. Dabei berechnet sich die Ersatzdrehzahl 11 aus der Ausgangsfrequenz des Umrichters 2 bei Drehstromantrieben bzw. dem Quotienten aus EMK (elektromotorische Kraft bzw. Klemmenspannung) und magnetischem Fluss bei Gleichstromantrieben. Dem Umrichter 2 wird eine Soll-Drehzahl 9 vorgegeben, und der Drehzahlgeber 4 liefert eine Ist-Drehzahl 10 zurück.

Im Sicherheitsprogramm 7 der Sicherheits-CPU 6 werden nun je zwei dieser drei Drehzahl-Werte auf Plausibilität überprüft, d.h. es findet eine Plausibilitätsüberprüfung 12 zwischen

Soll-Drehzahl 9 und Ist-Drehzahl 10, eine Plausibilitätsüber- prüfung 13 zwischen Soll-Drehzahl 9 und Ersatzdrehzahl 11 und eine Plausibilitätsüberprüfung 14 zwischen Ersatzdrehzahl 11 und Ist-Drehzahl 10 statt. Bei jeder Plausibilitätsüberprü- fung 12-14 wird vorteilhafterweise überprüft, ob mindestens einer der jeweiligen Werte sich kontinuierlich ändert, d.h. mit einem Rauschen belegt ist, ob die Differenz beider Werte sich in einem vorgebbaren Toleranzbereich bewegt, d.h. sich beide Werte zumindest im Wesentlichen decken (aber nicht dau- erhaft exakt decken) , und ob die Differenz beider Werte sich kontinuierlich ändert (also ebenfalls, ob ein Rauschen vorliegt) . Sind alle drei Plausibilisierungen 12-14 positiv, wird die Drehzahl des Motors 3 als sicher angenommen. Zusätzlich werden sowohl die Ist-Drehzahl 10 als auch die Ersatzdrehzahl 11 auf Überschreiten eines Grenzwertes überprüft 15, 16. Hierdurch wird die Sicherheit des Systems 1 auch bei bestimmten Geberfehlern (wie z.B. konstantem Schlupf zwischen Geber und Geberwelle) gewährleistet, die sonst nicht oder nur schwer (über Fehlerausschlüsse) festgestellt werden können.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine fehlersichere Überwachung der Geschwindigkeit eines Antriebs mit zumindest einem Umrichter, einem Motor und einem Drehzahlgeber, wobei dem Antrieb eine Soll-Drehzahl vorgegeben wird und mittels des Drehzahlgebers eine Ist-Drehzahl erfasst wird. Um unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Lösungen einen hohen Sicherheits-Integritätslevel zu erreichen, wird vorgeschla ¬ gen, dass eine Ersatzdrehzahl berechnet wird und in einem Sicherheitsprogramm einer Sicherheits-CPU mit je zwei der drei Werte Soll-Drehzahl, Ist-Drehzahl und Ersatzdrehzahl eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt wird. Da die berechnete Ersatzdrehzahl unabhängig vom Geber ist, können auch Geberfehler erkannt werden, die durch bisherige Hardware-Lösungen nicht bzw. nur schwer (über Fehlerausschlüsse) erkennbar sind .