DE102016108506B3 - Verfahren zum Schutz einer nichtfahrenden, mit einem Elektromotor angetriebenen Arbeitsmaschine sowie nichtfahrende, mit einem Elektromotor angetriebene Arbeitsmaschine - Google Patents

Verfahren zum Schutz einer nichtfahrenden, mit einem Elektromotor angetriebenen Arbeitsmaschine sowie nichtfahrende, mit einem Elektromotor angetriebene Arbeitsmaschine Download PDF

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Abstract

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Schutz einer nichtfahrenden, mit einem Elektromotor angetriebenen Arbeitsmaschine wird über eine Messeinheit wenigstens ein Messwert eines zeitkritischen Parameters der Arbeitsmaschine ermittelt, wobei die Arbeitsmaschine abgeschaltet wird, wenn der ermittelte Messwert des zeitkritischen Parameters außerhalb eines vorgegebenen Sollbereichs liegt. Der ermittelte Messwert des zeitkritischen Parameters wird in ein Pegelsignal quantisiert und als erstes Signal über eine Schnittstelle zu einer Auswerteeinheit übertragen wird, wobei ein von der Messeinheit zur Auswerteeinheit zu übertragendes zweites Signal für weitere Informationen bezüglich der Arbeitsmaschine auf das erste Signal aufmoduliert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer nichtfahrenden, mit einem Elektromotor angetriebenen Arbeitsmaschine sowie eine nichtfahrende, mit einem Elektromotor angetriebene Arbeitsmaschine.
  • Elektromotoren von Arbeitsmaschinen unterliegen der Gefahr der Überhitzung der Motorwicklung, wobei Überlastungen, schlechte Netzqualitäten (Unterspannung/Überspannung), eine behinderte Kühlung, ein blockierter Läufer oder dergleichen, zu den häufigsten Ausfallursachen zählen. Motoren, die hoch ausgenutzt sind, wie beispielsweise Kälte-Verdichtermotoren, unterliegen einer Zwangskühlung und müssen in besonderem Maße vor solchen Gefahren geschützt werden.
  • Aus der DE 10 2014 107 170 A1 ist eine Schutzeinrichtung zur Temperaturüberwachung mit einer Messschaltung bekannt, die einen quantitativen Temperatursensor und wenigstens einen qualitativen Temperatursensor aufweist, die an geeigneter Stelle, beispielsweise in der Wicklung des Motors, angeordnet sind. Die Schutzeinrichtung weist ferner ein Auslösegerät mit einer Auswerteeinrichtung auf, um das sich aufgrund des Gesamtwiderstandes der Messschaltung ergebende Messsignal auszuwerten und ein Ausgangssignal für das Auslösegerät in Abhängigkeit des Messsignals zu erzeugen.
  • Die DE 10 2015 116 845 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schutz einer Maschine, die durch eine Pumpe, einen Verdichter, ein Rührwerk oder ein Hebezeug gebildet wird und eine Messeinrichtung mit wenigstens einem Sensor zur Überwachung wenigstens eines Parameters der Maschine umfasst, wobei eine Auswerteeinheit die vom Sensor erfassten Messsingale auswertet und erforderlichenfalls ein Maschinenschutzrelais zum Abschalten der Maschine ansteuert. Dabei ist es denkbar, dass das zu übertragende Messsignal als digital moduliertes Signal ausgebildet ist, sodass neben der Art des Messsignals vor allem auch deren Höhe übermittelt werden können.
  • Weiterhin ist aus der DE 10 2014 112 026 A1 eine Motorschutzschaltung für einen läuferkritischen Motor bekannt, wobei ein Temperatursensor ein sich differenzierbar änderndes, streng monotones Sensorsignal liefert, anhand dessen ein aktuelles Änderungsprofil der Temperatur der Ständerwicklung bestimmt wird, um anschließend das aktuelle Änderungsprofil der Temperatur der Ständerwicklung mit einem vorgegebenen zulässigen Bereich zu vergleichen, um ein Auslösesignal zu generieren, wenn das aktuelle Änderungsprofil der Temperatur der Ständerwicklung den vorgegebenen, zulässigen Bereich verlässt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Kommunikation zwischen Messeinheit und Auswerteeinheit kostengünstig zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß wird dieser Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Schutz einer nichtfahrenden, mit einem Elektromotor angetriebenen Arbeitsmaschine wird über eine Messeinheit wenigstens ein Messwert eines zeitkritischen Parameters der Arbeitsmaschine ermittelt, wobei die Arbeitsmaschine abgeschaltet wird, wenn der ermittelte Messwert des zeitkritischen Parameters außerhalb eines vorgegebenen Sollbereichs liegt. Der ermittelte Messwert des zeitkritischen Parameters wird in ein Pegelsignal quantisiert und als erstes Signal über eine Schnittstelle zu einer Auswerteeinheit übertragen wird, wobei ein von der Messeinheit zur Auswerteeinheit zu übertragendes zweites Signal für weitere Informationen bezüglich der Arbeitsmaschine auf das erste Signal aufmoduliert wird.
  • Die erfindungsgemäße, nichtfahrende, mit einem Elektromotor angetriebene Arbeitsmaschine weist eine Schutzvorrichtung auf, welche wenigstens eine Messeinheit und eine Auswerteeinheit umfasst, die zur Informationsübertragung über eine Stromschnittstelle miteinander verbunden sind, wobei ein von der Messeinheit zur Auswerteeinheit zu übertragendes erstes Signal als Pegelsignal ausgebildet ist und die Auswerteeinheit mit einer Abschalteinrichtung zum Abschalten der Arbeitsmaschine in Abhängigkeit des ersten Signals in Verbindung steht. Weiterhin ist ein von der Messeinheit zur Auswerteeinheit zu übertragendes zweites Signal auf das erste Signal aufmoduliert.
  • Unter einem zeitkritischen Parameter der Arbeitsmaschine werden solche Parameter verstanden, die zu einer Abschaltung der Arbeitsmaschine führen können, wenn der ermittelte Messwert außerhalb eines vorgegebenen Sollbereichs liegt. Hierbei kann es sich insbesondere um die Wicklungstemperatur des Elektromotors handeln. Hierzu ist ein geeigneter Temperatursensor, beispielsweise eine wenigstens einen PTC-Widerstand aufweisende Sensorschaltung in wenigstens einer der Wicklungen des Elektromotors angeordnet.
  • Der ermittelte Messwert des zeitkritischen Parameters wird in zählbare Pegel (i1, i2, i3, i4 in 2) (zählbares Pegelsignal) quantisiert und übertragen, wobei im einfachsten Fall lediglich zwei Pegel vorgesehen sind, nämlich ein Pegel für einen unkritischen Zustand und ein Pegel für einen kritischen Zustand der Arbeitsmaschine. Selbstverständlich können aber auch drei, vier oder noch mehr unterschiedliche Pegel definiert und übertragen werden, um den aktuellen Zustand der Arbeitsmaschine zu beschreiben. Liegt der zeitkritische Parameter außerhalb eines vorgegebenen Sollbereichs, wird ein Pegel an die Auswerteeinheit übertragen, der dort die Abschaltung der Arbeitsmaschine bewirkt, bevor sie Schaden nimmt.
  • Um den Informationsgehalt der zwischen Messeinheit und Auswerteeinheit übertragenen Informationen zu erhöhen, ist ein von den Messeinheit zur Auswerteeinheit zu übertragendes zweites Signal auf das erste Signal aufmoduliert. Bei dem zweiten Signal kann es sich insbesondere um Informationen handeln, die für die Sicherheit nicht relevant sind und daher auch nicht für die Abschaltung der Arbeitsmaschine verwendet werden. Dementsprechend kann auch eine niedrige Übertragungsrate für das aufmodulierte zweite Signal gewählt werden, welches typischerweise gegenüber dem ersten Signal einen deutlich höheren Informationsgehalt aufweist. Während der Informationsgehalt des ersten Signals, je nach der Anzahl der vordefinierten Signalpegel, nur ein Bit oder wenige Bits beträgt, kann der Informationsgehalt des zweiten Signals beispielsweise 1 kB oder mehr betragen. Das zweite Signal kann beispielsweise zur Wartung, Pflege, Fehlersuche an der Arbeitsmaschine oder zur Optimierung der Steuerung/Regelung dienen.
  • Des Weiteren kann die Arbeitsmaschine optional in einen Programmiermodus versetzt werden, in welchem über die Schnittstelle Daten von der Auswerteeinheit zur Messeinheit übertragen werden. Auf diese Weise können beispielsweise eine geänderte Anzahl der vordefinierten Signalpegel für das zeitkritische Signal 11, eine neue Zuordnung der Pegel zu den Temperaturbereichen und/oder sonstige Konfigurationswerte für die Messeinheit von der Auswerteeinheit zur Messeinheit übertragen werden.
  • Als Arbeitsmaschine kommen vorzugsweise Fluidenergiemaschinen oder eine Förderanlage oder ein Hebezeug zum Einsatz.
  • Das erste Signal zur Darstellung von unterschiedlichen Zuständen der Arbeitsmaschine wird mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Pegel übertragen, wobei der zu verwendende Pegel des ersten Signals vom ermittelten Messwert abhängt. Das zweite Signal wird zweckmäßigerweise mit einer vordefinierten Amplitude auf das erste Signal aufmoduliert, die kleiner als die Differenz der beiden Pegel ist. Auf diese Weise ist eindeutig feststellbar, in welcher Pegelstufe sich das erste Signal befindet.
  • Die Auswerteeinheit steht mit einer Abschalteinrichtung zum Abschalten der Arbeitsmaschine in Abhängigkeit des ersten Signals in Verbindung. Die Abschalteinrichtung kann dabei insbesondere wenigstens ein erstes Schutzrelais aufweisen, das in Abhängigkeit vom ersten Signal einen deaktivierten oder aktivierten Zustand einnimmt, um die Arbeitsmaschine in einem Fehlerfall abzuschalten. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit weiterhin wenigstens eine Visualisierungseinheit oder Datenschnittstelle zur Ausgabe von über das zweite Signal übertragenen weiteren Informationen aufweist.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen:
  • 1: ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine,
  • 2: einen quantisierten Signalverlauf (erstes Signal) des Messwerts des zeitkritischen Parameters,
  • 3: einen Signalverlauf eines digitalen Datensignals (zweites Signal gemäß einer ersten Variante) mit einer vordefinierten Amplitude und mit einer definierten Datenübertragungsrate (Baudrate),
  • 4: einen Signalverlauf eines digitalen, frequenzmodulierten Datensignals (zweites Signal gemäß einer zweiten Variante), das aus zwei unterschiedlichen Frequenzen gebildet wird und
  • 5: einen Signalverlauf des Mischsignals, wobei das digitale Datensignal (zweite Signal) gemäß 2 auf das erste Signal aufmoduliert ist.
  • Das Blockschaltbild der 1 zeigt eine Arbeitsmaschine 1, bei der es sich insbesondere um eine Fluidenergiemaschine (z.B. einen Verdichter oder eine Pumpe) oder eine Förderanlage oder ein Hebezeug handelt. Sie weist insbesondere einen Elektromotor 2, eine Messeinheit 3 und eine Auswerteeinheit 4 auf. Die Messeinheit 3 umfasst wenigstens einen Sensor 5, bei dem es sich beispielsweise um einen Temperatursensor handelt, der in einer der Wicklungen des Elektromotors 2 angeordnet ist. Die Auswerteeinheit 4 steht mit einer Abschalteinrichtung 6 in Verbindung, die wenigstens ein erstes Schutzrelais 7 umfasst, das in Abhängigkeit vom ersten Signal einen deaktivierten oder aktivierten Zustand einnimmt, um die Arbeitsmaschine 1, insbesondere dessen Elektromotor, in einem Fehlerfall abzuschalten. Die Übertragung der Informationen zwischen Messeinheit 3 und Auswerteeinheit 4 erfolgt über eine (Strom)-Schnittstelle 8 mit einer Stromschleife I zur Übertragung von Informationen zwischen der Messeinheit 3 zur Auswerteeinheit 4. Des Weiteren sind eine Leitung 9 zur Spannungsversorgung und eine Masseleitung 10 vorgesehen.
  • Das über die Stromschleife I übertragene Signal zwischen der Messeinheit 3 und der Auswerteeinheit 4 ist ein Mischsignal, welches sich aus einem ersten Signal 11 und einen zweiten Signal 12 zusammensetzt (5). Das erste Signal, welches den über den Sensor 5 ermittelten zeitkritischen Parameter überträgt, kann im dargestellten Ausführungsbeispiel vier verschiedene vordefinierte Pegel i1, i2, i3, i4 einnehmen (2), die jeweils unterschiedlichen Zuständen der Arbeitsmaschine entsprechen. So kann beispielsweise in der Auswerteeinheit 4 festgelegt sein, dass bei einem Pegel i4 die Abschalteinrichtung 6 bzw. dessen Schutzrelais 7 eine Abschaltung der Arbeitsmaschine 1 bewirkt. Die drei anderen Pegel i1, i2, i3 zeigen noch unkritische Zustände der Arbeitsmaschine an und können, je nach Höhe, beispielsweise unterschiedlich hohe Temperaturen der Motorwicklung entsprechen.
  • Bei dem zweiten Signal 12 kann es sich um ein digitales Datensignal mit einer vordefinierten Amplitude handeln (3), wobei das digitale Datensignal aus einem höheren (high) und einem niedrigeren (low) Signalniveau besteht. Gemäß 5 wird das zweite Signal 12 der 3 mit einer vordefinierten Amplitude auf das erste Signal 11 aufmoduliert.
  • Während der Informationsgehalt des ersten Signals 11 im dargestellten Ausführungsbeispiel nur 2 Bits (4 Zustände) beträgt, kann über das zweite Signal ein wesentlich höherer Informationsgehalt von typischerweise einigen kB übertragen werden.
  • Der zeitkritische Parameter, der als erstes Signal übertragen wird, zeigt in Echtzeit den aktuellen Zustand der Arbeitsmaschine an und kann daher innerhalb kürzester Zeit eine Abschaltung der Arbeitsmaschine hervorrufen, wenn der zeitkritische Parameter, welcher durch den Sensor 5 ermittelt wird, außerhalb eines vorgegebenen Sollbereichs liegen sollte. Die Informationen des zweiten Signals, welche einen wesentlich längeren Zeitraum zur Übertragung benötigen, verzögern somit nicht die Übertragung des ersten Signals. Das zweite Signal 12 ist nicht sicherheitsrelevant und führt daher auch nicht zur Abschaltung der Arbeitsmaschine. Hier besteht demnach auch keine Echtzeit-Anforderung.
  • Das digitale Datensignal kann durch andere Modulationsverfahren, wie Periodenmodulation, Frequenzmodulation oder Puls-Weiten-Modulation gebildet werden (4). In entsprechender Weise kann auch das zweite Signal 12 gemäß 4 auf das erste Signal 11 (2) aufmoduliert werden.
  • Neben der Übertragung des ersten und zweiten Signals 11 und 12 zwischen der Messeinheit und der Auswerteeinheit können ferner über die Stromschleife auch Informationen von der Auswerteeinheit 4 zur Messeinheit 3 übertragen werden, indem die Arbeitsmaschine 1 beispielweise in einen speziellen Programmiermodus versetzt wird. Bei diesen Informationen kann es sich beispielsweise um eine geänderte Anzahl der vordefinierten Signalpegel für das zeitkritische Signal 11, um eine neue Zuordnung der Pegel zu den Temperaturbereichen und/oder um sonstige Konfigurationswerte für die Messeinheit 3 handeln. Die Arbeitsmaschine 1 kann in den speziellen Programmiermodus beispielsweise dadurch gebracht werden, dass innerhalb der ersten 3 Sekunden nach dem Einschalten der Versorgungsspannung ein sehr ungewöhnlicher Widerstandswert an Stelle des Temperatursensors 5 an die Messeinheit 3 angeschlossen wird, dessen Widerstandswert im normalen Betrieb der Arbeitsmaschine 1 nie zu erwarten ist.
  • Die Auswerteeinheit 4 kann weiterhin wenigstens eine Visualisierungseinheit 13 oder eine Datenschnittstelle zur Ausgabe von den über das zweite Signal 12 übertragenen weiteren Informationen aufweisen.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Schutz einer nichtfahrenden, mit einem Elektromotor (2) angetriebenen Arbeitsmaschine (1), wobei über eine Messeinheit (3) wenigstens ein Messwert eines zeitkritischen Parameters der Arbeitsmaschine (1) ermittelt wird, wobei die Arbeitsmaschine (1) abgeschaltet wird, wenn der ermittelte Messwert des zeitkritischen Parameters außerhalb eines vorgegebenen Sollbereichs liegt, der ermittelte Messwert des zeitkritischen Parameters in ein Pegelsignal (i1, i2, i3, i4) quantisiert und als erstes Signal (11) über eine Schnittstelle (8) zu einer Auswerteeinheit (4) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Messeinheit (3) zur Auswerteeinheit (4) zu übertragendes zweites Signal (12) für weitere Informationen bezüglich der Arbeitsmaschine (1) auf das erste Signal (11) aufmoduliert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmaschine (1) eine Fluidenergiemaschine oder eine Förderanlage oder ein Hebezeug zum Einsatz kommen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Messwert des zeitkritischen Parameters zur Darstellung von unterschiedlichen Zuständen der Arbeitsmaschine (1) in wenigstens zwei unterschiedlichen Pegeln quantisiert und als das erste Signal (11) übertragen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal (12) ein digitales Datensignal mit einer definierten Datenübertragungsrate ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal (12) auf das erste Signal (11) mit einer vordefinierten Amplitude aufmoduliert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal mit einer Amplitude auf das erste Signal aufmoduliert wird, die kleiner als die kleinste Differenz aller vorgesehenen Pegel des ersten Signals (11) ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal (12) aus einem höheren und einem niedrigeren Signalniveau gebildet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal (12) frequenzmoduliert wird und aus zwei unterschiedlichen Frequenzen gebildet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal (12) per Puls-Weiten-Modulation moduliert wird, wobei das digitale Datensignal des zweiten Signals (12) aus zwei unterschiedliche Pulsbreiten des positiven Pulses, des negativen Pulses, oder beiden besteht.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Demodulation vorgesehen ist, wobei das erste und zweite Signal (12) getrennt und somit unabhängig voneinander ausgewertet werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine in einen Programmiermodus versetzt werden kann, in welchem über die Schnittstelle (8) Daten von der Auswerteeinheit (4) zur Messeinheit (3) übertragen werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schnittstelle (8) zwischen der Auswerteeinheit (4) und der Messeinheit (3) eine Strom-, Spannungs-, optische oder sonstige physikalische Schnittstelle verwendet wird.
  13. Nichtfahrende, mit einem Elektromotor (2) angetriebene Arbeitsmaschine (1), die eine Schutzvorrichtung aufweist, welche wenigstens eine Messeinheit (3) und eine Auswerteeinheit (4) umfasst, die zur Informationsübertragung über eine Schnittstelle (8) mit einander verbunden sind, wobei ein von der Messeinheit (3) zur Auswerteeinheit (4) zu übertragendes erstes Signal (11) als Pegelsignal ausgebildet ist und die Auswerteeinheit (4) mit einer Abschalteinrichtung (6) zum Abschalten der Arbeitsmaschine (1) in Abhängigkeit des ersten Signals (11) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Messeinheit (3) zur Auswerteeinheit (4) zu übertragendes zweites Signal (12) auf das erste Signal aufmoduliert ist.
  14. Arbeitsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (3) wenigstens einen ersten Sensor (5) zur Ermittlung eines zeitkritischen Parameters der Arbeitsmaschine (1) aufweist.
  15. Arbeitsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (6) wenigstens ein erstes Schutzrelais (7) aufweist, das in Abhängigkeit vom ersten Signal (11) einen deaktivierten oder aktivierten Zustand einnimmt, um die Arbeitsmaschine (1) in einem Fehlerfall abzuschalten.
  16. Arbeitsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) weiterhin wenigstens eine Visualisierungseinheit (13) oder Datenschnittstelle zur Ausgabe von über das zweite Signal (12) übertragenen weiteren Informationen aufweist.
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