Anlage und Verfahren zum Betreiben einer Anlage

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage.

Antriebe umfassen oft Elektromotoren, die über Drehstromleitungen versorgt werden. Somit sind viele Anlagen mit Drehstromleitungen verkabelt ausgeführt. Allerdings muss für die über das Aus- und Anschalten hinaus gehende Informationsübertragung eine weitere Verkabelung vorgesehen werden, wie beispielsweise Feldbus-Verkabelung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eine Anlage bezüglich Informationsübertragung weiterzubilden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anlage nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 24 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anlage sind, dass sie einen Antrieb oder ein anderes Gerät umfasst, der oder das über in der Anlage verlegte elektrische Leitungen mittels einer Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit, mit einer

Versorgungsspannungsquelle, insbesondere Wechselspannungsquelle, verbindbar ist,

wobei zwischen Steuereinheit und Antrieb oder dem anderen Gerät Informationen übertragbar sind unter Verwendung der Leitungen.

Von Vorteil ist dabei, dass die Versorgungsleitungen mit ihren Verbindungen zum Netz verwendet werden. Somit ist die verwendete Signalfrequenz niederfrequent, also weit unter 100 Hz, insbesondere weit unter 60Hz im US Bereich oder 50 Hz im europäischen Bereich. Der Vorteil liegt hierbei in der langen Rechweite der Informationsübertragung und in der Sicherheit der Datenübertragung. Denn da die Netzspannungen selbst verwendet sind, ist ein sicheres fehlerfreies Erkennen der Information ermöglicht. Außerdem ist die Reichweite erheblich im Vergleich zu Hochfrequenz-Aufmodulations-Anwendungen.

Weiterer Vorteil ist, dass die für die Erfindung notwendigen Mittel zur Realisierung sehr einfach und kostengünstig wählbar sind. Denn Versorgungsspannungen lassen sich einfach erkennen und bestimmen, insbesondere im Vergleich zur Erkennung von Hochfrequenzsignalen mit entsprechend aufwendiger Hochfrequenz-tauglicher Signalelektronik samt Ein- und Auskoppelungselementen oder Antennen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind vom Antrieb Mittel zum Erfassen der den Leitungen zugeordneten Versorgungsspannungen umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass Widerstandsreihenschaltungen verwendbar sind, die einfach und kostengünstig herstellbar sind. Der Messwert ist dann von einem Analog-Digital-Wandler erfassbar und verarbeitbar. Alternativ ist auch eine analoge Mittelwertbildung mittels eines Tiefpassfilters anwendbar und Schwellwerte entweder digital oder analog vergleichbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind drei Leitungen verwendet, wobei vom Antrieb Mittel zum Erfassen der Spannung zwischen jeder Leitung und einem Bezugspotential vorgesehen sind. Von Vorteil ist dabei, dass einfache Messwerterfassung ausreichend sind und somit die Erfindung ohne besonderen Aufwand ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Halbwellensteuerung, insbesondere für zumindest eine der drei Leitungen. Von Vorteil ist dabei, dass die Netzspannung selbst verwendet wird und als Medium die positiven sowie negativen Halbwellen verwendbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zumindest Mittel zur Bildung der Differenz zweier der erfassten Spannungen vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass durch die Differenzbildung eine sichere Erkennung der Zustände ausführbar ist und somit eine fehlerarme oder fehlerfreie Erkennung der Information ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Kurvenauswertung vorgesehen, insbesondere Mittel zur Mittelwertbildung. Von Vorteil ist dabei, dass im zeitlichen Verlauf der Messwerte die übertragene Information sicher und fehlerfrei oder fehlerarm erkennbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als Mittel zur Kurvenauswertung Verstärkung, insbesondere Multiplikation mit einem Faktor, vorgesehen, insbesondere wobei dieser Faktor derart gewählt ist, dass die verstärkten Werte der zu übertragenden Information eindeutig

zugeordnet sind, insbesondere entweder nach Mittelwertbildung der verstärkten Werte oder nach Kurvenauswertung, wobei bei der Kurvenauswertung zumindest auch das Feststellen eines Vorzeichenwechsels vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass in sehr einfacher Weise eine sichere Unterscheidung zwischen den Zuständen ermöglicht ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zum Vergleichen mit Schwellwerten vorgesehen, wobei das Ergebnis des Vergleichens als übertragene Information verwendbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Schwellwerte genügend Abstand voneinander haben und somit die Fehlerrate beim Erkennen der Zustände gering ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als Leitungen ein Drehstromkabel verwendbar. Von Vorteil ist dabei, dass die schon in der Anlage vorhandene Verkabelung unverändert nutzbar ist, also ein Nachrüsten einer bestehenden Anlage ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist während des Zeitintervalls, in welchem Information übertragen wird, der Antrieb nur mit zwei der drei Phasen voll versorgt. Von Vorteil ist dabei, dass auch während der Zeitdauer der Datenübertragung eine gewisse, wenn auch leicht reduzierte Leistung für den Antrieb bereitstellbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Information auf der dritten Phase übertragbar, wobei diese von der Vorrichtung zeitlich nacheinander in verschiedene Zustände versetzbar sind zur Codierung der Information. Von Vorteil ist dabei, dass zwei der Phasen weiter zur Energieübertragung nutzbar sind und die dritte Phase zur sicheren Datenübertragung unter Verwendung der Netzspannungen nutzbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erster Zustand das Sperren negativer Stromanteile und ein zweiter Zustand das Sperren positiver Stromanteile ist. Von Vorteil ist dabei, dass einfach, klar und fehlersicher erkennbare Signale verwendet werden, die anteile des Netzspannungs- und/oder Netzstromsverlaufs umfassen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein dritter Zustand, die dritte Phase nicht zu verbinden, also den Strom zu sperren, und ein vierter Zustand ist, den Strom vollständig durchzuleiten. Von Vorteil ist dabei, dass sogar volle Leistung übertragbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Antrieb eine Signalelektronik zum Empfangen und Decodieren der Information. Von Vorteil ist dabei, dass diese Signalelektronik in die Signalelektronik des Umrichters des Antriebs integrierbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Antrieb eine elektronische Schaltung zur Umkehr des Drehsinns der dreiphasigen Versorgung. Von Vorteil ist dabei, dass ein Umrichter, Sanftanlaufgerät ebenso verwendbar ist wie ein steuerbares Umpolungsgerät, das zum Vertauschen zweier Phasen ansteuerbar betreibbar ist. Bei dem Umpolungsgerät sind elektronische oder auch elektromechanische Leistungsschalter verwendbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Antrieb eine elektronische Schaltung zum Beeinflussen der Drehbewegung des Rotors des Elektromotors aufweist, insbesondere umfasst die Schaltung einen Motorschalter, Sanftanlauf oder Umrichter. Von Vorteil ist dabei, dass der Antrieb mit Intelligenz, also einem Rechner und zugehörigen Speicher, ausgeführt wird und somit eine komplexe Steuer- und/oder Regeleinheit integrierbar ist, die viele Aufgaben eigenständig ausführt. Somit genügt es, nur geringe Datenmengen oder Befehlsmengen an den Antrieb zu übertragen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wechseln während des Zeitintervalls, in welchem Information übertragen wird, die zwei der drei Phasen zur Versorgung des Antriebs und ebenso wechselt die dritte Phase derart, dass stets die beiden anderen Phasen zur Versorgung der Signalelektronik des Antriebs vorgesehen sind und die dritte Phase zur übertragung der Information vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine klare Trennung der Funktionen vorgesehen ist und somit eine Entkoppelung von Leistung und Informationsübertragung.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine der dritten Phase zugeordnete Reihenschaltung von Leistungsschaltern, insbesondere zum Sperren oder Durchlassen der positiven und negativen Stromanteile, auf. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfach ausgeführte Halbwellensteuerung verwendbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Leistungsschalter von einer Steuerung ansteuerbar. Von Vorteil ist dabei, dass diese Steuerung mit einer übergeordneten SPS oder einem Zentralrechner verbindbar ist und somit Daten übertragbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Antrieb einen aus den Leitungen versorgten Gleichrichter, dessen unipolare insbesondere gleichgerichtete, Ausgangsspannung ein negatives und positives Potential aufweist. Insbesondere ist die Signalelektronik des Antriebs auf dem negativen Potential vorgesehen, insbesondere die Spannung zwischen den elektrischen Kontakten der Bauelemente der Signalelektronik und dem negativen Potential betragsmäßig stets kleiner ist als die Spannung zum positiven Potential. Von Vorteil ist dabei, dass die Signalelektronik auf einem derartigen Potential als Bezugspotential anordenbar ist und somit die Spannungen der Leitungen zu diesem Potential erfassbar sind.

Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben einer Anlage sind, dass sie einen Antrieb umfasst, der über in der Anlage verlegte elektrische Leitungen mittels einer Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit, mit einer Versorgungsspannungsquelle, insbesondere Wechselspannungsquelle, verbindbar ist, wobei zwischen Steuereinheit und Antrieb Informationen über die Leitungen übertragen werden, wobei die den Leitungen zugeordneten Versorgungsspannungen umfasst werden, zumindest die Differenz zweier der erfassten Spannungen gebildet wird, eine Kurvenauswertung ausgeführt wird.

Von Vorteil ist dabei, dass einfache Vorgehensweise angesendet wird, wie Differenzbildung und Kurvenauswertung. Somit ist der Aufwand gering und die Erkennbarkeit der Information gut sowie die Fehlerrate gering.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zumindest zu Beginn diejenige der Leitungen erkannt, auf welcher die Information übertragen wird, insbesondere indem Mittelwerte der Spannungsverläufe der Phasen verglichen werden. Von Vorteil ist dabei, dass diejenige Phase erkennbar ist, auf der die Information übertragen wird. Somit kann zu Beginn in einem ersten Zeitabschnitt diejenige Phase bestimmt werden, auf der die Information codiert ist, und danach ist dann die Informationsübertragung ausführbar. Dabei sind weitere Maßnahmen, wie Differenzbildung und insbesondere auch Kurvenauswertung, nur für die für die Informationsübertragung als relevant erkannte Phase notwendig ist. Maßnahmen, wie die Differenzbildung zu den anderen Phasen bilden das Verfahren zu Datenübertragung weiter, insbesondere wird dadurch auch die Sicherheit zum Erkennen eines Zustandes verbessert, also die Fehlerrate vermindert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als Kurvenauswertung eine Mittelwertbildung ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass ein äußerst geringer Aufwand für die Erfindung notwendig ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mit Schwellwerten verglichen und wird das Ergebnis des Vergleichens als übertragene Information verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass durch Vergleichen mit entsprechenden Schwellwerten die zustände klar erkennbar sind. Vorteiligerweise sind bei vier Zuständen drei Schwellwerte zu setzen. Da aber auch für jeden Zustand einer oder mehr Schwellwerte vorsehbar sind, ist es vorteilhaft diese eng um die zu erwartenden Messwerte zu setzen. Somit ist dann eine Fehlererkennbarkeit verbessert.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bezugszeichenliste

1 Ansteuerung 2 Vorrichtung

3 Umrichter

4 Spannungserfassung

5 Gleichrichter für Drehstrom

6 Steuersignal L1 , L2, L3 Versorgungsleitungen L1*, L2*, L3* Messwerte

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes System gezeigt. Dabei ist eine Vorrichtung 2 vorgesehen, die Schalter (S1 , S2) zum Sperren oder Durchlassen der positiven oder negativen Halbwellen einer Phase umfasst.

Die Schalter (S1 , S2) werden aus einer Ansteuerung heraus angesteuert, die einen als Steuersignal 6 in sie eintretenden Informationsfluss mittels der zugehörigen Versorgungsleitung an einen Antrieb übertragen soll.

Der Antrieb umfasst dabei mindestens einen Umrichter 3 zur Versorgung eines Elektromotors. Der Antrieb umfasst den Elektromotor vorzugsweise in mit dem Umrichter 3 integriert ausgebildeter Ausführungsart.

Der Antrieb ist in einer weiteren erfindungsgemäßen Variante auch mit einem Getriebe als Kompaktantrieb ausführbar. Somit ist nur ein einziges Gehäuse für das vom Elektromotor angetriebene Getriebe zusammen mit dem Umrichter 3 notwendig. Ein solcher Antrieb ist somit über seine Netzversorgungsleitungen sowohl mit Energie als auch mit Information versorgbar.

Der Umrichter nach Figur 1 wird über Versorgungsleitungen (L1 , L2, L3) versorgt. Dabei ist die Vorrichtung 2 nach Figur 1 derart ausgeführt, dass die Schalter (S1 , S2) jeweils einer Diode parallel geschaltet sind und zueinander in Reihe geschaltet sind. Somit ist entweder die gesamte Versorgungsleitung L3 in einem ersten Schaltzustand aufgetrennt. In einem zweiten Schaltzustand ist nur die positive Halbwelle freigegeben, in einem dritten nur die negative. In einem vierten Schaltzustand ist die Versorgungsleitung zur Durchleitung des vollen Stromes vorsehbar.

Die vier Schaltzustände werden zur Codierung der zu übertragenden Information verwendet.

Dabei ist es notwendig, dass im Bereich des Antriebes der jeweilige Schaltzustand sicher erkannt wird.

Der genannte Umrichter des Antriebs umfasst einen Gleichrichter 5 für Drehstrom, dem ein Glättungskondensator ausgangsseitig zugeordnet ist. Aus der an diesem Kondensator anliegenden sogenannten Zwischenkreisspannung wird auch der Wechselrichter, also die Endstufe, des Umrichters versorgt, die wiederum den Elektromotor versorgt.

Mittels der Spannungserfassung 4 werden die Messwerte (L1 ^* , L2*, L3 ^* ) erfasst, die die Spannung der Versorgungsleitungen (L1 , L2, L3) gegen das negative Potential des Gleichrichters 5 repräsentieren.

Jeder der Messwerte wird einer Auswertung unterzogen. Bei einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird hierbei der jeweilige Mittelwert gebildet. Der kleinste der drei Mittelwerte ist derjenigen Phase L3 zugeordnet, an der die verschiedenen Schaltzustände wirksam werden, also auf der die Information übertragen wird. Nur im vierten Schaltzustand ist die Phase nicht unterscheidbar von den anderen beiden Phasen (L1 , L2).

Der Mittelwert wird vorteiligerweise über eine Zeitspanne gebildet, die einer oder mehreren Netzperioden entspricht, also 20ms oder ein Ganzzahliges Vielfaches hiervon bei 50Hz. Vorzugswiese wird aber die Zeitspanne derart gewählt, dass sie auch ein Ganzzahliges Vielfaches einer Netzperiode eines anderen Netzes darstellt. Beispielsweise ist also eine Wahl von 100ms vorteilhaft, da somit die Vorrichtung bei 50Hz und bei 60Hz einsetzbar ist.

Somit ist eine Erkennung der für die Informationsübertragung relevanten Phase in einfacher Weise durch Mittelwertbildung der zugehörigen Spannung ermöglicht.

Des Weiteren wird nach dem Erkennen der Information übertragenden Phase die Differenz gebildet von der erkannten Phase L3 zu einer der beiden anderen Phasen (L1 , L2). In den Figuren 2, 3, 4, 5 sind für den ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltzustand beispielhafte Messwertverläufe dargestellt. Dabei ist mit Bezugszeichen 20 die Differenz der Phase L3 zur Phase L1 dargestellt. Die Mittelwertbildung wird auf diese Verläufe angewendet. Auf diese Weise ist eine sichere Erkennung der Zustände der die Information enthaltenden Phase ermöglicht, also auch die Fehlerrate bei der Datenübertragung verringerbar.

Jeder der vier Schaltzustände ist mittels Schwellwerten charakterisierbar. Auch wenn Störspannungen auftreten, sind die Schwellwerte soweit auseinander, dass eine eindeutige

und sichere Erkennung der Schaltzustände ausführbar ist. Dies ist ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens.

Der Antrieb wertet nach Erkennung des jeweiligen Schaltzustandes den nächsten auch in Abhängigkeit vom vorherigen aus. Somit ist auch eine allgemeine Datenübertragung ermöglicht. Es ist also nicht nur eine Information für Stopp-Befehl, ein Handbetrieb, ein Rechtsdrehen und ein Linksdrehen des Motors übertragbar sondern sogar weitere Information, wie beispielsweise ein Fehler-Reset oder dergleichen. Diese weitere Information ist in der zeitlichen Abfolge der Schaltzustände eindeutig und unverwechselbar codierbar.

Das Steuersignal für die Steuerung 1 ist beispielsweise als 0 Volt oder 24 Volt Signal verwendbar. Es sind aber auch andere Signalsorten verwendbar.

Vorteilig ist bei der Erfindung auch, dass Anlagen, in welchen schon ein Drehstromkabel verlegt war nachrüstbar sind, indem die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird und der Antrieb durch einen entsprechend der Erfindung ausgeführten ersetzt wird.

Vorteil der Erfindung ist auch, dass die auswertende Signalelektronik auf dem Potential des negativen Potentials der Zwischenkreisspannung vorsehbar ist. Somit ist die gesamte Steuerelektronik des Umrichters gemeinsam mit der Signalelektronik dort vorsehbar.

Die Auswertung der Messwertsignale ist entweder analog oder digital ausführbar. Im letztgenannten Fall umfasst hierzu die Signalelektronik zumindest einen Analog-Digital- Wandler.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt der Mittelwertbildung eine andere Kurvenauswertung der Verläufe der Messwerte ausgeführt. Beispielsweise wird der Messwert der Phase L3 mit einem geeigneten Faktor verstärkt. Der Faktor ist dabei derart wählbar, dass im zweiten Schaltzustand der positive Maximalwert dauerhaft anliegt, im dritten der negative Maximalwert, im ersten ein von Null deutlich verschiedener Wert, der zwischen positivem und negativem Maximalwert liegt, und im vierten ein Wert, der in einem engen Band um Null herum liegt.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt der Mittelwertbildung eine andere Kurvenauswertung vorgenommen.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Antrieb ein Umrichtermotor oder ein Getriebemotor oder ein Umrichtergetriebemotor. Alternativ ist der Antrieb als einfacher Elektromotor ausgeführt, wobei dann allerdings nur die zugeführte Leistung entsprechend der vier Schaltzustände zuführbar ist.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Steuerung S mit Mitteln zur Eingabe der Information, wie Schalter, Drucktaster Schieber oder Drehknopf oder dergleichen versehen. Vorzugsweise ist somit ein Knopf für Rechtsdrehung und ein Knopf für Linksdrehung vorgesehen. Entsprechend werden Steuersignale erzeugt und codiert.

Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Steuerung 1 mit einem Bussystem verbunden, umfassend eine 24 Volt Versorgungsleitung. Die Steuersignale sind dann also erzeugbar und codierbar durch eine übergeordnete Steuerung.

Die Vorrichtung 2 ist also nach Art einer elektronischen Steuereinheit aufgebaut.

Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist statt der Drehstromleitung eine einphasige Versorgungsleitung verwendet. Dabei funktioniert die Informationsübertragung in analoger Weise.

Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden statt der Antriebe oder Umrichter 3 andersartige Geräte angeschlossen, an die in der gleichen Weise Information übertragen wird, wie geschildert bei den Antrieben. Als solche Geräte sind insbesondere Zähleinrichtungen, wie Stromzähler oder Gaszähler verwendbar. Somit ist eine zeitabhängige Verbrauchsbestimmung und/oder eine Fernsteuerung und/oder Fernabfrage von solchen Zähleinrichtungen ermöglicht.