EP3963611B1

EP3963611B1 - Schalteranordnung mit antriebssystem

Info

Publication number: EP3963611B1
Application number: EP20721207.7A
Authority: EP
Inventors: Sebastian Schmid; Benjamin Dittmann; Eugen NAGEL
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2024-06-05
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: EP3963611A1; US11894204B2; CN113853664A; WO2020229119A1; US20220216015A1; DE102019112710A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalteranordnung, insbesondere eine Stufenschalteranordnung, mit einem Schalter, insbesondere Laststufenschalter, und einem Servoantriebssystem für den Schalter, insbesondere Laststufenschalter.
In Umspannwerken existiert eine Vielzahl an Schaltern für unterschiedliche Aufgaben und mit unterschiedlichen Anforderungen. Für die Betätigung der jeweiligen Schalter müssen diese über ein Antriebssystem angetrieben werden. Bei diesen Schaltern handelt es sich unter anderem um Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwähler, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter.
So dienen Laststufenschalter beispielsweise zum unterbrechungsfreien Umschalten zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen eines elektrischen Betriebsmittels, wie etwa eines Leistungstransformators oder einer regelbaren Drossel. Dadurch können beispielsweise das Übersetzungsverhältnis des Transformators oder die Induktivität der Drossel verändert werden. Doppelwender dienen zum Umpolen von Wicklungen während des Leistungstransformatorbetriebs.
All diese Schalter stellen eine hochgradig sicherheitsrelevante Komponente des elektrischen Betriebsmittels dar, weil die Umschaltung während das Betriebsmittel im Betrieb ist erfolgt und dementsprechend beispielsweise an ein Energienetz angeschlossen ist. Störungen beim Betrieb können in extremen Fällen gravierende technische und wirtschaftliche Folgen haben. Das Dokument WO2012/135209 offenbart eine Schalteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept zum Antreiben eines Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters anzugeben, durch welches die Sicherheit des Betriebs erhöht wird.
Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird eine Schalteranordnung gemäß Anspruch 1 angegeben.
Die Begrifflichkeit der "Werte für die Position der Antriebswelle" beinhaltet auch solche Werte von Messgrößen, aus denen die Position der Antriebswelle, gegebenenfalls innerhalb eines Toleranzbereichs, eindeutig bestimmt werden kann.
Durch die Bestimmung von mindestens zwei Werten für die Position der Antriebswelle kann die Steuervorrichtung eine Plausibilität der Positionsbestimmung oder einen Abgleich der beiden Werte vornehmen und dadurch die Sicherheit der Positionsbestimmung erhöhen und das entsprechende Restrisiko einer fehlerhaften Positionsbestimmung verringern. Zudem führt ein Teilausfall der Feedbackvorrichtung, derart, dass nur noch ein Wert für die Position der Antriebwelle bestimmt werden kann, nicht gezwungenermaßen zum sofortigen Stillsetzung der Antriebswelle. Zumindest kann der Schalter, insbesondere Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwählers Leistungsschalters Lastschalter oder Trennschalter, trotz des Teilausfalls noch geregelt in eine sichere Betriebsposition bewegt werden. Letztendlich wird damit die Betriebssicherheit des Servoantriebssystems, des Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalter, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters und des Betriebsmittels erhöht.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Schalter als ein Laststufenschalter, ein Lastumschalter, ein Wähler, ein Doppelwender, ein Wender, ein Vorwähler, ein Leistungsschalter, ein Lastschalter oder ein Trennschalter ausgebildet.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform dient das Servoantriebssystem dazu, eine Welle des Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters, oder eine entsprechende Komponente des Schalters, insbesondere Laststufenschalters, Lastumschalters, Wählers, Doppelwenders, Wenders, Vorwählers, Leistungsschalters, Lastschalters oder Trennschalters, anzutreiben. Dadurch wird der Schalter, insbesondere Laststufenschalter, Lastumschalter, Wähler, Doppelwender, Wender, Vorwähler, Leistungsschalter, Lastschalter oder Trennschalter, veranlasst, eine oder mehrere Operationen durchzuführen, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Betriebsmittels oder Teile der Umschaltung, wie etwa eine Lastumschaltung, eine Wählerbetätigung oder eine Vorwählerbetätigung.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Schalter, insbesondere der Welle des Schalters, verbunden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Antriebswelle direkt oder indirekt, insbesondere über eines oder mehrere Getriebe, mit dem Motor, insbesondere einer Motorwelle des Motors verbunden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform entspricht eine Position, insbesondere eine absolute Position, der Motorwelle, einer Position, insbesondere absoluten Position, der Antriebswelle. Das heißt von der Position der Motorwelle lässt sich, gegebenenfalls innerhalb eines Toleranzbereichs, eindeutig auf die Position der Antriebswelle schließen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Einwirken ein Steuern, Regeln, Bremsen, Beschleunigen oder Anhalten des Motors. Das Regeln kann beispielsweise eine Positionsregelung, eine Geschwindigkeitsregelung, eine Beschleunigungsregelung oder eine Drehmomentregelung umfassen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil als Umrichter oder Servoumrichter ausgestaltet oder als äquivalente elektronische, insbesondere vollelektronische, Einheit für Antriebsmaschinen.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen enthält die Steuervorrichtung das Feedbacksystem ganz oder teilweise.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, einen ersten Wert der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle nach einer ersten Methode zu ermitteln und einen zweiten Wert der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle nach einer zweiten Methode zu ermitteln, wobei sich die beiden Methoden voneinander unterscheiden. Dadurch wird eine diversitäre Redundanz erzeugt, welche die Betriebssicherheit weiter erhöht.
Die beiden Methoden können beispielsweise auf unterschiedlichen technischen oder physikalischen Prinzipien beruhen oder unterschiedliche Hardwarekomponenten einsetzen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle ein erster Wert für eine absolute Position der Antriebswelle.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist ein weiterer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle ein zweiter Wert für eine absolute Position der Antriebswelle.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle ein inkrementeller Wert für eine Position der Antriebswelle oder ein Wert für eine relative Position der Antriebswelle.
Der erste und/oder der zweite Wert für die absolute Position kann dann von der Steuereinheit mit dem inkrementellen oder relativen Wert abgeglichen werden, wodurch die Plausibilität des ersten und/oder zweiten Wertes für die absolute Position geprüft werden kann. Bei einer signifikanten Abweichung kann die Steuereinheit das Steuersignal an das Leistungsteil abgeben, um die Sicherheitsmaßnahme einzuleiten.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Feedbacksystem dazu eingerichtet, eine Rotorposition des Motors zu ermitteln und einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle in Abhängigkeit der Rotorposition zu bestimmen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform handelt es sich bei der Rotorposition um einen Winkelbereich, in dem sich ein Rotor des Motors befindet, gegebenenfalls kombiniert mit einer Anzahl von vollständigen Rotationen des Rotors.
Je nach Ausgestaltung, insbesondere Polpaarzahl, des Rotors kann damit die Position oder absolute Position der Motorwelle bis auf mindestens 180° genau bestimmt werden, beispielsweise durch die Steuereinheit. Durch Untersetzung mittels einem oder mehrerer Getriebe ist die dadurch erzielbare Genauigkeit der Position der Antriebswelle deutlich größer. Die Auswertung durch die Steuereinheit entspricht hier gewissermaßen einer virtuellen Geberfunktion. Auch bei einem vollständigen Ausfall eines Absolutwertgebers des Feedbacksystems kann daher wenigstens ein Notbetrieb aufrechterhalten werden und/oder der Schalter in eine sichere Position gebracht werden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Feedbacksystem einen Absolutwertgeber, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die absolute Position der Antriebswelle oder eine absolute Position einer weiteren Welle, welche mit der Antriebswelle verbunden ist, zu erfassen und basierend auf der erfassten Position wenigstens ein Ausgangssignal zu erzeugen. Das Feedbacksystem ist dazu eingerichtet, einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle, insbesondere den ersten und/oder den zweiten Wert für die absolute Position, anhand des wenigstens einen Ausgangssignals zu ermitteln.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber direkt oder indirekt an der Motorwelle, der Antriebswelle oder einer damit gekoppelten Welle befestigt.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist der Absolutwertgeber einen ersten Ausgang zur Ausgabe des ersten oder zweiten Wertes für die absolute Position und einen zweiten Ausgang zur Ausgabe des inkrementellen oder relativen Wertes für die Position auf.
Von der Begrifflichkeit "Absolutwertgeber" umfasst sind sowohl Vorrichtungen, die zwei Werte für die Position auf unterschiedliche Weise ermitteln, also auch Vorrichtungen, die zwei separate Geber beinhalten, von denen mindestens einer ein Absolutwertgeber ist.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Absolutwertgeber einen Multiturn-Drehgeber.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle anhand eines ersten Abtastverfahrens zu erfassen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber dazu eingerichtet, die Position der Antriebswelle oder die Position der weiteren Welle zusätzlich anhand eines zweiten Abtastverfahrens, welches von dem ersten Abtastverfahren unabhängig ist, zu erfassen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das erste oder das zweite Abtastverfahren ein optisches, ein magnetisches, ein kapazitives, ein resistives oder ein induktives Abtastverfahren.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform unterscheidet sich das erste Abtastverfahren von dem zweiten Abtastverfahren.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber formschlüssig mit der Antriebswelle, der Motorwelle oder der weiteren Welle verbunden.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Absolutwertgeber zusätzlich kraftschlüssig oder stoffschlüssig, beispielsweise durch eine Klebeverbindung, mit der Antriebswelle, der Motorwelle oder der weiteren Welle verbunden.
Durch die formschlüssige und zusätzlich stoff- oder kraftschlüssige Verbindung wird die Befestigung des Absolutwertgebers und letztlich die Betriebssicherheit weiter erhöht.
Die programmierbare Sicherheitssteuerung bezeichnet eine Steuerung, welche zwei Prozessoreinheiten, insbesondere zwei speicherprogrammierbare Steuerungen, SPS, beinhaltet. Die beiden Prozessoreinheiten nutzen dasselbe Prozessabbild von Ein- und Ausgängen der Steuereinheit welches ein in der Steuereinheit gespeichertes Anwenderprogramm parallel abarbeiten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält das Anwenderprogramm eine Vielzahl von Anweisungen. Wenn die Anweisungen von der Steuereinheit ausgeführt werden, resultiert dies in der Ansteuerung des Leistungsteils in Abhängigkeit des Sollwerts. Dadurch wird der Motor und letztlich der Schalter angetrieben, um eine oder mehrere Operationen durchzuführen, beispielsweise eine Umschaltung zwischen zwei Wicklungsanzapfungen eines Betriebsmittels oder Teile der Umschaltung, wie etwa bei einem Schalter, der als Laststufenschalter ausgebildet ist eine Lastumschaltung, eine Wählerbetätigung oder eine Vorwählerbetätigung.
Gemäß der Erfindung beinhaltet die Steuereinheit eine erste und eine zweite Prozessoreinheit. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, zur Umsetzung eines Schaltbefehls für den Schalter ein Programm, insbesondere das Anwenderprogramm, abzuarbeiten, wobei die erste und die zweite Prozessoreinheit das Programm parallel abarbeiten.
Durch den Einsatz der programmierbaren Sicherheitssteuerung als Steuereinheit und die damit verbundene Redundanz wird die Betriebssicherheit der Schalteranordnung erhöht.
Gemäß der Erfindung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, während des Abarbeitens des Programms, wenigstens einen Abgleich zwischen der ersten und der zweiten Prozessoreinheit durchzuführen, insbesondere einen kontinuierlichen Abgleich. Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet der Abgleich einen Vergleich, insbesondere einen zyklischen Vergleich, eines Prozessabbilds der ersten Prozessoreinheit mit einem Prozessabbild der zweiten Prozessoreinheit.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhängig von einem Ergebnis, insbesondere im Falle eines negativen Ergebnisses des wenigstens einen Abgleichs oder des Vergleichs der Prozessabbilder, eine weitere Sicherheitsmaßnahme einzuleiten.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Sicherheitsmaßnahme oder die weitere Sicherheitsmaßnahme ein sicheres Stillsetzen des Motors, eine Blockierung oder Stillsetzung des Leistungsteils oder ein Auslösen eines Leistungschalters, der das Betriebsmittel mit einem Energienetz verbindet beziehungsweise trennt. Das sichere Stillsetzen des Motors erfolgt insbesondere derart, dass sich der Schalter nach dem sicheren Stillsetzen in einer sicheren Stellung befindet. Das Einleiten der Sicherheitsmaßnahme beinhaltet die Ausgabe wenigstens eines Sicherheitssignals.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das sichere Stillsetzen des Motors eine Sicherheitsfunktion, welche einer Stoppkategorie nach der Industrienorm EN 60204-1:2006 entspricht, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das sichere Stillsetzen des Motors eine Safe-torque-off, STO, Sicherheitsfunktion, eine Safe-stop-1, SS1, Sicherheitsfunktion, eine Safe-stop-2, SS2, Sicherheitsfunktion, oder eine Safe-operation-stop, SOS, Sicherheitsfunktion.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform unterscheidet sich eine Hardware der ersten Prozessoreinheit von einer Hardware der zweiten Prozessoreinheit.
Dadurch wird eine diversitäre Redundanz geschaffen, welche die Betriebssicherheit weiter erhöht.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Verriegelungsbedingung von zwei oder mehr Komponenten der Schalteranordnung zu prüfen.
Die Komponenten der Schalteranordnung können Komponenten des Schalters umfassen, beispielsweise bei einem Schalter, der als Laststufenschalter ausgebildet ist einen Wähler, einen Vorwähler, eine Polungsschaltung oder einen Lastumschalter des Laststufenschalters.
Die Komponenten der Schalteranordnung können auch Komponenten umfassen, die nicht Teil des Schalters sind, insbesondere Komponenten eines weiteren Schalters der Schalteranordnung oder einer anderen Schaltkomponente der Schalteranordnung. Bei zwei Schaltern, die als Laststufenschalter ausgebildet sind, kann es sich beispielsweise um Laststufenschalter für unterschiedliche Phasen des Energienetzes handeln. Die anderen Schaltkomponenten können beispielsweise einen Umsteller, einen Doppelwender oder einen Advanced Retard Switch, ARS, umfassen.
Die Verriegelungsbedingung kann dabei einer Vorgabe entsprechen, dass eine der Komponenten nur dann betätigt werden darf oder dann nicht betätigt werden darf, wenn sich eine andere der Komponenten in einem bestimmten Zustand befindet, beispielsweise einer bestimmten Position, einem bestimmten Schaltzustand oder einem bestimmten Bewegungszustand.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhängig von einem Ergebnis, insbesondere im Falle eines negativen Ergebnisses der Prüfung der Verriegelungsbedingung, die Sicherheitsmaßnahme einzuleiten.
Durch Prüfung der Verriegelungsbedingung und gegebenenfalls Einleitung der Sicherheitsmaßnahme kann die Betriebssicherheit weiter erhöht werden, ohne dass dafür spezifische konstruktive Maßnahmen für den Schalter oder die anderen Komponenten erforderlich sind, wie beispielsweise mechanische oder elektromechanische Systeme, Nockenschalter oder dergleichen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Schalteranordnung, z.B. wenn diese ein Laststufenschalter, ein Lastumschalter, ein Wähler, ein Doppelwender, ein Wender, ein Vorwähler, ein Leistungsschalter, ein Lastschalter oder ein Trennschalter ist, einem elektrischen Betriebsmittel zugeordnet, beispielsweise einem Leistungstransformator oder einem Phasenschiebertransformator.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist die Steuereinheit Eingänge und Ausgänge auf, welche als getaktete Eingänge beziehungsweise Ausgänge ausgebildet sind.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, anhand von Eingangssignalen, welche an den Eingängen anliegen und/oder anhand von Ausgangssignalen, welche an den Ausgängen anliegen, das Vorliegen eines Querschlusses zu prüfen.
Als Querschluss wird ein Kurzschluss zwischen Anschlussleitungen zweier benachbarter Ein- oder Ausgänge bezeichnet.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, abhängig von einem Ergebnis der Prüfung, insbesondere falls ein Querschluss vorliegt, die weitere Sicherheitsmaßnahme einzuleiten.
Durch Einleiten der Sicherheitsmaßnahme bei Vorliegen eines sicherheitsrelevanten Ereignisses oder der weiteren Sicherheitsmaßnahme wird die Betriebssicherheit der Schalteranordnung erhöht.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, durch eine erste der wenigstens einen Sicherheitsmaßnahmen den Motor in Stillstand zu versetzen, insbesondere sicher stillzusetzen. Dabei kann der Stillstand auch eine Bewegung in einem definierten Toleranzbereich beinhalten.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das sichere Stillsetzen des Motors eine Sicherheitsfunktion, welche einer Stoppkategorie nach der Industrienorm EN 60204-1:2006 entspricht, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das sichere Stillsetzen des Motors eine Safe-torque-off, STO, Sicherheitsfunktion, eine Safe-stop-1, SS1, Sicherheitsfunktion, eine Safe-stop-2, SS2, Sicherheitsfunktion, oder eine Safe-operation-stop, SOS, Sicherheitsfunktion.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Sicherheitsmaßnahme die Überwachung einer Bewegung oder eine Position des Motors, insbesondere einer Motorwelle des Motors.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Überwachen der Bewegung des Motors eine Safely-limited-speed, SLS, Sicherheitsfunktion, eine Safe-speed-monitor, SSM, Sicherheitsfunktion, eine Safe-speed-range, SSR, Sicherheitsfunktion, eine Safe-Iimit-position, SLP, Sicherheitsfunktion, eine Safe-Position, SP, Sicherheitsfunktion oder eine Safe-direction, SDI, Sicherheitsfunktion.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die erste Sicherheitsmaßnahme ein ungesteuertes Stillsetzen des Motors.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, die Energieversorgung des Motors abhängig von dem Steuersignal vollständig zu unterbrechen. Insbesondere beinhaltet die erste Sicherheitsmaßnahme die Energieversorgung sofort beziehungsweise unverzüglich zu unterbrechen. Die Energieversorgung bleibt dabei auch im Stillstand des Motors unterbrochen, so dass dieser kein Drehmoment mehr bereitstellen kann (entspricht STO).
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, abhängig von dem Steuersignal den Motor gesteuert zu bremsen oder gesteuert stillzusetzen. Die Energieversorgung des Motors wird währenddessen aufrechterhalten.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, abhängig von dem Steuersignal nach dem gesteuerten Bremsen oder Stillsetzen die Energieversorgung des Motors vollständig zu unterbrechen, so dass dieser kein Drehmoment mehr bereitstellen kann (entspricht SS1).
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, abhängig von dem Steuersignal nach dem gesteuerten Bremsen oder Stillsetzen die Energieversorgung des Motors aufrecht zu erhalten und eine Position des Motors, insbesondere der Motorwelle, auf eine Sollposition zu regeln (entspricht SS2).
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, bei Verletzung eines Toleranzbereichs bezüglich der Sollposition eine weitere Sicherheitsmaßnahme einzuleiten, insbesondere umfassend eine STO oder eine SS1 Sicherheitsfunktion.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, durch eine zweite der wenigstens einen Sicherheitsmaßnahme eine Geschwindigkeit oder Drehzahl der Motorwelle einzuschränken.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, die Einschränkung der Geschwindigkeit dergestalt vorzunehmen, dass die Geschwindigkeit kleiner oder gleich einer vorbestimmten Maximalgeschwindigkeit ist (entspricht SLS oder SSR).
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, die Einschränkung der Geschwindigkeit dergestalt vorzunehmen, dass die Geschwindigkeit größer oder gleich einer vorbestimmten Minimalgeschwindigkeit ist (entspricht SSM oder SSR).
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist das Leistungsteil dazu eingerichtet, eine weitere Sicherheitsmaßnahme einzuleiten, insbesondere umfassend eine STO oder eine SS1 Sicherheitsfunktion, wenn die Maximalgeschwindigkeit überschritten oder die Minimalgeschwindigkeit unterschritten wird.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst das wenigstens eine sicherheitsrelevante Ereignis eine Abweichung einer Drehrichtung des Motors, der Motorwelle oder einer weiteren Welle der Schalteranordnung von einer vorbestimmten Solldrehrichtung (entspricht SDI).
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform wird die Drehrichtung dabei von dem Feedbacksystem, insbesondere einer Gebervorrichtung des Feedbacksystems, beispielsweise dem Absolutwertgeber, erfasst.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Steuersignal abhängig von dem Feedbacksignal zu erzeugen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform liegt das wenigstens eine sicherheitsrelevante Ereignis vor, wenn die absolute Position der Motorwelle oder der weiteren Welle eine vorbestimmte Minimalposition unterschreitet oder eine vorbestimmte Maximalposition überschreitet (entspricht SLP).
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform liegt das wenigstens eine, sicherheitsrelevante Ereignis vor, wenn der erste und der zweite Wert für die absolute Position der Antriebswelle signifikant voneinander abweichen. Dazu kann die Steuereinheit den ersten und den zweiten Wert für die absolute Position der Antriebswelle miteinander vergleichen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
Es zeigen

Figur 1: eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept; und
Figur 2: eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung gemäß dem verbesserten Konzept.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung 1 gemäß dem verbesserten Konzept mit einem Schalter 17 und einem Servoantriebssystem 2, welches über eine Antriebswelle 16 mit dem Schalter 17 verbunden ist. Das Servoantriebssystem 2 beinhaltet einen Motor 12, welcher über eine Motorwelle 14 und optional über ein Getriebe 15 die Antriebswelle 16 antreiben kann. Eine Steuervorrichtung 3 des Servoantriebssystems 2 umfasst ein Leistungsteil 11, welches beispielsweise einen Servoumrichter enthält, zur gesteuerten oder geregelten Energieversorgung des Motors 12 sowie eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung des Leistungsteils 11, beispielsweise über einen Bus 18.
Das Servoantriebssystem 2 kann ein Gebersystem 13 aufweisen, welches als Feedbacksystem 4 dient oder Teil des Feedbacksystems ist und mit dem Leistungsteil 11 verbunden ist. Ferner ist das Gebersystem 13 direkt oder indirekt mit der Antriebswelle 16 gekoppelt.
Das Gebersystem 13 ist dazu eingerichtet, einen Wert für eine Position, insbesondere eine Winkelposition, beispielsweise eine absolute Winkelposition, der Antriebswelle 16 zu erfassen und basierend darauf ein Feedbacksignal zu erzeugen. Dazu kann das Gebersystem 13 beispielsweise einen Absolutwertgeber, insbesondere Multi-Turn-Absolutwertgeber, umfassen, welcher an der Antriebswelle 16, der Motorwelle 14 oder einer anderen Welle, deren Position eindeutig mit der absoluten Position der Antriebswelle 16 verknüpft ist, befestigt ist. Beispielsweise ist die Position der Antriebswelle 16 aus der Position der Motorwelle 14 eindeutig bestimmbar, beispielsweise über ein Übersetzungsverhältnis des Getriebes 15.
Die Befestigung des Absolutwertgebers ist beispielsweise als Kombination einer formschlüssigen Verbindung mit einer kraft- oder stoffschlüssigen Verbindung ausgeführt.
Das Feedbacksystem ist außerdem dazu eingerichtet, einen zweiten Wert für die Position der Antriebswelle 16 zu erfassen.
Dazu kann das Gebersystem 13 eingerichtet sein, den zweiten Wert zu erfassen, insbesondere unter Anwendung einer Methode, welche sich von einer Methode, nach der der erste Wert für die Position der Antriebswelle 16 erfasst wird, unterscheidet.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 3 dazu eingerichtet sein, den zweiten Wert aus einer Rotorposition des Motors 12 zu ermitteln, effektiv also einen virtuellen Geber zum Erfassen des zweiten Wertes aufweisen. Dazu kann beispielsweise eine induktive Rückkopplung durch die Bewegung des Rotors in Motorwicklungen des Motors 12 ausgenutzt werden. Da eine Stärke der Rückkopplung periodisch variiert, kann insbesondere mittels Signalanalyse, zum Beispiel FFT Analyse, die Rotorposition näherungsweise bestimmt werden. Da eine volle Umdrehung der Antriebswelle 16 einer Vielzahl von Umdrehungen des Rotors entspricht, kann daraus mit sehr viel höherer Genauigkeit auf die Position der Antriebswelle 16 geschlossen werden.
Die Steuervorrichtung 3, insbesondere die Steuereinheit 10 und/oder das Leistungsteil 11, ist dazu eingerichtet, den Motor 12 zu steuern oder zu regeln, abhängig von einem Feedbacksignal, welches das Feedbacksystem 4 basierend auf dem ersten und dem zweiten Wert erzeugt.
Die Steuervorrichtung 3, beispielsweise die Steuereinheit 10, kann beispielsweise die beiden Werte für die Position der Antriebswelle 16 abgleichen und/oder eine Plausibilitätsprüfung der Positionsbestimmung durchführen.
Die Steuereinheit 10 ist als programmierbare Sicherheitssteuerung ausgeführt und beinhaltet eine erste und eine zweite speicherprogrammierbare Steuerung 6, 7. Zur Umsetzung eines Schaltbefehls für den Schalter arbeiten die speicherprogrammierbaren Steuerungen 6, 7 beispielsweise ein Programm parallel ab.
Während des Abarbeitens des Programms abgleichen sich die speicherprogrammierbaren Steuerungen 6, 7 untereinander, insbesondere zyklisch oder kontinuierlich. Der Abgleich kann beispielsweise einen Vergleich von Berechnungsergebnissen, Prüfsummen oder dergleichen umfassen.
Beispielsweise enthalten die speicherprogrammierbaren Steuerungen 6, 7 unterschiedliche Hardwarekomponenten oder sind als unterschiedliche Typen oder Modelle ausgeführt.
Ein- und Ausgänge der Steuereinheit 10 können als getaktete Ein- und Ausgänge ausgeführt sein. Dadurch kann die Steuereinheit 10 anhand eines Vergleichs eines Eingangssignals mit einem Ausgangssignal Taktabweichungen erkennen, beispielsweise Abweichungen in Periodendauern oder Flanken der Signale. Basierend auf den Taktabweichungen können beispielsweise Querschlüsse detektiert werden.
Die Steuereinheit 10 kann das Vorliegen eines sicherheitsrelevanten Ereignisses, beispielsweise einer Störung oder eines Fehlers des Schalters 17 oder des Antriebssystems, identifizieren. Wenn ein sicherheitsrelevantes Ereignis vorliegt, übermittelt die Steuereinheit 10 ein Steuersignal an das Leistungsteil 11, welches daraufhin eine Sicherheitsmaßnahme einleitet oder ausführt.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Schalteranordnung 1 gemäß dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausführungsform nach Figur 1 basiert.
Die Schalteranordnung 1 weist hier optional einen Schaltschrank 21 auf, innerhalb dessen die Steuereinheit 10, das Leistungsteil 11 und eine optionale Mensch-Maschine-Schnittstelle 19 angeordnet sind. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle 19 ist mit der Steuereinheit 10 verbunden und kann beispielsweise Kontroll-, Wartungs- oder Konfigurationszwecken dienen.
Der Motor 12, die Motorwelle 14 das Gebersystem 13 und/oder das Getriebe 15 können innerhalb oder außerhalb des Schaltschranks 21 angeordnet sein.
Die Schalteranordnung 1, insbesondere die Steuereinheit 10 ist an eine Sicherheitsvorrichtung 20 gekoppelt, welche beispielsweise einen Leistungsschalter oder circuit breaker umfasst, um die Schalteranordnung 1 oder ein elektrisches Betriebsmittel, welchem die Schalteranordnung 1 zugeordnet ist, von einem Energienetz zu trennen, beispielsweise im Falle eines Fehlers oder einer Störung der Schalteranordnung 1.
Durch eine Schalteranordnung 1 nach dem verbesserten Konzept wird die Betriebssicherheit des Servoantriebssystems, des Schalters und des Betriebsmittels erhöht. Dies wird insbesondere durch den Einsatz der programmierbaren Sicherheitssteuerung als Steuereinheit und die damit verbundene Redundanz, dem Einleiten der Sicherheitsmaßnahme durch das Leistungsteil und die doppelte Positionsbestimmung erreicht.

Bezugszeichen

1: Schalteranordnung
2: Servoantriebssystem
3: Steuervorrichtung
4: Feedbacksystem
6: erste Prozessoreinheit/ speicherprogrammierbare Steuerungen
7: zweite Prozessoreinheit/ speicherprogrammierbare Steuerungen
10: Steuereinheit
11: Leistungsteil
12: Motor
13: Gebersystem
14: Motorwelle
15: Getriebe
16: Antriebswelle
17: Schalter
18: Bus
19: Mensch-Maschine-Schnittstelle
20: Sicherheitsvorrichtung
21: Schaltschrank

Claims

Schalteranordnung umfassend einen Schalter (17) und ein Servoantriebssystem (2) für den Schalter (17), das Servoantriebssystem (2) beinhaltend
- eine Antriebswelle (16), welche das Servoantriebssystem (2) mit dem Schalter (17) verbindet;

- einen Motor (12) zum Antreiben des Schalters (17);

- ein Leistungsteil (11) zur Energieversorgung des Motors (12); und

- ein Feedbacksystem (4), welches dazu eingerichtet ist
- wenigstens zwei Werte für eine absolute Position der Antriebswelle (16) zu bestimmen

- basierend auf den wenigstens zwei Werten ein Feedbacksignal zu erzeugen; und

- eine Steuereinheit (10), welche als programmierbare Sicherheitssteuerung ausgeführt und dazu eingerichtet ist,
- das Leistungsteil (11) in Abhängigkeit von wenigstens einem Sollwert anzusteuern;

- abhängig von dem Feedbacksignal auf einen Betrieb des Motors (12) einzuwirken; und

- das Vorliegen wenigstens eines sicherheitsrelevanten Ereignisses zu identifizieren und im Falle des sicherheitsrelevanten Ereignisses wenigstens ein Steuersignal an das Leistungsteil (11) zu übermitteln; wobei das Leistungsteil (11) dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Steuersignal wenigstens eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten oder auszuführen;

- dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) eine erste und eine zweite Prozessoreinheit (6, 7) beinhaltet; und

- dazu eingerichtet ist, zur Umsetzung eines Schaltbefehls für den Schalter (17) ein Programm abzuarbeiten, wobei die erste und die zweite Prozessoreinheit (6,7) das Programm parallel abarbeiten;

- dazu eingerichtet ist, während des Abarbeitens des Programms, wenigstens einen Abgleich zwischen der ersten und der zweiten Prozessoreinheit (6, 7) durchzuführen;

- dazu eingerichtet ist, abhängig von einem Ergebnis des wenigstens einen Abgleichs eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten, wobei die Sicherheitsmaßnahme
- ein sicheres Stillsetzen des Motors (12) oder

- ein Stillsetzen oder Blockieren des Leistungsteils (11) oder

- das Auslösen eines Leistungsschalters zum Trennen eines dem Schalter (17) zugeordneten Betriebsmittels von einem Energienetz beinhaltet.
Schalteranordnung (1) nach Anspruch 1,
- wobei das Feedbacksystem (4) dazu eingerichtet ist, jeden der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) nach einer zugehörigen Methode zu ermitteln,

- wobei sich alle Methoden zur Ermittlung der wenigstens zwei Werte voneinander unterscheiden.
Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei einer der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) ein erster Wert für eine absolute Position der Antriebswelle (16) ist.
Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Feedbacksystem (4)
- einen Absolutwertgeber beinhaltet, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, die absolute Position der Antriebswelle (16) oder eine absolute Position einer weiteren Welle, welche mit der Antriebswelle (16) verbunden ist, zu erfassen und basierend auf der erfassten Position wenigstens ein Ausgangssignal zu erzeugen; und

- dazu eingerichtet ist, einen der wenigstens zwei Werte für die Position der Antriebswelle (16) anhand des wenigstens einen Ausgangssignals zu ermitteln.
Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Absolutwertgeber formschlüssig mit der Antriebswelle (16) oder der weiteren Welle verbunden ist und zusätzlich kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit der Antriebswelle (16) oder der weiteren Welle verbunden ist.
Schalteranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (10) dazu eingerichtet ist, während des Abarbeitens des Programms einen Vergleich eines Prozessabbilds der ersten Prozessoreinheit (6) mit einem Prozessabbild der zweiten Prozessoreinheit (7) durchzuführen.
Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuereinheit (10) dazu eingerichtet ist, eine Verriegelungsbedingung von zwei oder mehr Komponenten der Schalteranordnung zu prüfen.
Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinheit (10) Eingänge und Ausgänge aufweist, welche als getaktete Eingänge beziehungsweise Ausgänge ausgebildet sind.
Schalteranordnung (1) nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (10) dazu eingerichtet ist, anhand von Eingangssignalen und/oder Ausgangssignalen, welche an den Eingängen beziehungsweise Ausgängen anliegen, das Vorliegen eines Querschlusses zu prüfen.
Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Leistungsteil (11) dazu eingerichtet ist, durch eine erste der wenigstens einen Sicherheitsmaßnahme den Motor (12) in Stillstand zu versetzen.
Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Leistungsteil (11) dazu eingerichtet ist, abhängig von dem Steuersignal den Motor (12) gesteuert zu bremsen oder gesteuert stillzusetzen.
Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Leistungsteil (11) dazu eingerichtet ist, durch eine zweite der wenigstens einen Sicherheitsmaßnahme eine Geschwindigkeit einer Motorwelle (14) des Motors (12) einzuschränken.
Schalteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schalter (17) ein Laststufenschalter oder ein Lastumschalter oder ein Wähler oder ein Doppelwender oder ein Wender oder ein Vorwähler oder ein Leistungsschalter oder ein Lastschalter oder ein Trennschalter ist.