专利名称：绞盘及其它机械的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及舞台、演播室和剧院中的绞盘及其它机械装置用的，尤其是同步运行和类似的安全上重要的运动过程用的一种多轴控制系统。
已公开了这种类型的不同的多轴控制系统，用其可以控制和监控舞台、演播室和剧院中的绞盘及其它的机械装置。这些系统通常要求很高的电缆敷设工作量，并与此相应地是昂贵的和易受干扰的。不管所述的电缆敷设工作量，所述已知的系统却常常具有微小的灵活性，而且鉴于要满足的安全性要求在控制系统的可使用性方面要多次作出让步。
从DE 32 33 788中公开了舞台机械装置用的一种控制设备，通过该控制设备应解决台上机械装置控制和台下机械装置控制之间的分离。为此对于台上机械装置和台下机械装置分别安排了一个计算机设备，以用于控制滑轮组或地面部分的单个的和共同的运动。所述两个计算机设备是彼此相连接的，以便使一方面台上机械部分的和另一方面台下机械装置部分的驱动机构的运动同步。
在该背景之下本发明的目标在于，提供一种在舞台、演播室和剧院中绞盘及其它机械用的、一方面极高度安全的和另一方面高可使用性的控制系统，该控制系统可以用很小的电缆敷设工作量来实现，并确保了高度的灵活性和安全性。
通过一种具有权利要求1中所说明特征的控制系统来实现该目标。由从属权利要求得出有利的扩展方案。
用一种本发明的控制系统可以同步运行直至200个绞盘及其它的机械(200个轴)，其中，在安全性方面达到了面向安全的计算机控制用的、按DIN 19250 V VDE 0801的要求等级5。
以下借助实施例根据附图来详述本发明。
图1展示了本发明控制系统的构造的示意图；和图2展示了本发明控制系统之内的绞盘/机械的控制上重要构造的示意图。
如从图1中可看出的那样，本发明的控制系统划分为五个区域，即轴层面I、中央过程控制计算机层面II、操作者和观察者层面III、诊断和维修层面IV、和远程维护层面V。所述的层面I、II、III、和IV通过工业总线系统彼此相连接，层面V与层面IV通过电信线路(例如调制解调器-调制解调器连接)相连接。
如从图2中所得出的那样，要控制或监控的绞盘/机械M1，M2..Mn位于层面I中，在这些绞盘/机械M1，M2..Mn中大量可以用本发明的控制系统来控制和监控。以下借助图2中的绞盘/机械M1来详述本发明的构造，该构造典型地在机械M2至Mn中相应地，或以稍微变更的形式来重复。
如在绞盘/机械M1中那样，要控制和监控的绞盘/机械具有一个电动机M，通过第一轴计算机(Achsrechner)AR1和变频器FU(驱动电路)来控制该电动机M。为此将第一轴计算机AR1与变频器FU相连接。所述的轴计算机AR1优选以实时工作，并备有实时工业操作系统。在绞盘/机械的驱动轴上存在着绝对值传感器AIWG1，该绝对值传感器AIWG1将其信号输送给第一轴计算机AR1。此外还给所述的绞盘/机械分配了第二轴计算机AR2，该第二轴计算机AR2通过接口，例如通过按RS-4 85的串行接口，与第一轴计算机AR1相连接，以及该第二轴计算机AR2优选备有现场操作面板。第二轴计算机AR2也与变频器FU相连接，并优选以实时来工作，为此它也备有实时工业操作系统。位于所述绞盘/机械的输出轴(Abtriebswelle)上的第二绝对值传感器AIWG2也连接到第二轴计算机AR2上。通过比较两个绝对值传感器AIWG1和AIWG2的实际值，一方面可以检查绝对值传感器的功能，也可以监控变速器断裂、断轴、离合器断裂等等，因为一个绝对值传感器布置在绞盘/机械的驱动轴上，而另一个绝对值传感器布置在绞盘/机械的输出轴上。
第一和第二轴计算机AR1和AR2可以直接介入变频器FU或连接在它前面的接触器，并介入用于关断和可靠地停机绞盘/机械的制动装置。
此外还存在着一个或多个安全传感器S，用于确定过载、欠载、超转速、卷绕误差、达到终点位置等等，它们的输出信号既输送给第一轴计算机AR1，也输送给第二轴计算机AR2。
在层面II中安排了两个群计算机GR1和GR2，这些群计算机GR1和GR2控制和监控多个绞盘/机械的同步的群运行。两个群计算机优选以实时工作，并为此备有实时工业操作系统。第一群计算机GR1通过总线B1，优选通过光波导总线与层面I的第一轴计算机AR1相连接。优选将总线B1设计为西门子移动链路总线(Simo链路总线，Simolink-Bus)，或等距的现场总线(Profi-Bus)。
光波导总线B1允许用简单而省地方的环形的来代替星形的电缆敷设，并确保了对射入干扰的较小的敏感性。此外Simo链路总线，也像等距的现场总线那样是一种测定的(deterministisch)总线，在该总线中计算程序的循环时间总是恒定的，而且短时或不规则地不受偶尔出现的强化计算过程的影响。这种构成与11Mbit/s的高传输速率相结合，与线路长度无关地导致驱动装置的控制、调节和监控要显著好于以下的控制装置，这些控制装置不采用测定的总线，而且它们的传输速率小于11Mbit/s，以及在这些控制装置中线路长度影响着信号传输。
通过Simo链路光波导总线B1的上述可靠而快速的信号传输，完全可以快速和高度同步地调节层面I中的驱动装置，这一方面带来了有关剧院中重要的噪声特性的明显改善，并在故障情况下或在干扰情况下实现了绞盘/机械的很快速和同步的停机。因此可以大大减小同步和相耦合的驱动装置的″彼此驶离″。这在剧院中是特别重要的，因为在这里常常必须由多个绞盘/机械来提升和移动大而重的舞台布景件。话剧演员、艺术家和舞台工人在这些舞台布景件之下工作，并且驱动装置的过大的″彼此驶离″可能导致舞台布景撕裂开，或倾倒，或一个驱动装置过载和绳索断裂等等。
第一群计算机GR1通过总线B1将符合所采用协议的指令发送给第一轴计算机AR1，并从所述的轴计算机接收信号。各自的第一轴计算机AR1将由第一群计算机GR1所发送的指令转换成给变频器FU的，即给绞盘/机械的电动机的控制信号。
将由绝对值传感器AIWG1和AIWG2以及安全传感器S所接收的信号(过载、欠载、绳索松弛、紧急限位、超转速、卷绕误差、牵引误差(位置偏差)、总线误差等等)用于监控和控制驱动装置的同步运行，并为此至少部分地从轴计算机也传输到群计算机上。
在故障情况下，群计算机GR1停机同步运行的驱动装置，其中，也同步地实现停机。
每个绞盘/机械的各自的第一轴计算机AR1附加地直接在驱动装置上监控各个绞盘/机械的功能，并在故障情况下对于群计算机GR1在时间上迟后地来同样自己关断。在群计算机GR1失灵时，因此也附加地通过第一轴计算机AR1关断有故障的驱动装置。但是由于在多个轴的同步运行动作的情况下，在一个轴上出现故障时无论如何要求全部的驱动装置同步地停机，也就是不仅要求停机有故障的驱动装置，所以相对于通过群计算机GR1的停机在时间上迟后地来实现通过第一轴计算机AR1的停机。
因此在干扰情况下不仅第一轴计算机AR1，而且第一群计算机GR1都作出反应。所述的第一群计算机GR1在驱动装置的故障情况下确定，另一个绞盘/机械是否在同步运行中向受干扰的绞盘/机械移动。如果是这种情况，所述的群计算机GR1则决定，通过哪种途径制动和/或停机所述同步运行的绞盘/机械。在有利的情况下同步(但是快速)地制动所有在一个群中同步运行的绞盘/机械。
如果由于第一轴计算机AR1失灵而使得群计算机GR1不能停机所述的绞盘/机械，则仍然停机同步运行的绞盘/机械。为此存在着一个第二群计算机GR2用于保证层面II中的同步控制系统，该第二群计算机GR2附加地监控同步的群运动。
第二群计算机GR2通过第二总线B2，优选通过光波导总线与绞盘/机械的第二轴计算机AR2处于连接之中。在这里也存在着12Mbit/s的高传输速率。此外，上面对于第一总线B1所阐述的内容也适用于第二总线B2。
每个绞盘的第二轴计算机AR2通过第二绝对值传感器AIWG2和安全传感器S也获得所有上述的关于绞盘/机械状态的信息。第二轴计算机AR2将该信息分别通过总线B2转送到另一个群计算机GR2上。因而双重地出现关于层面II中的绞盘/机械状态的信息一次是在群计算机GR1中和一次是在群计算机GR2中。
为了附加地相互监控，两个群计算机GR1和GR2要么通过群计算机连接GRV，要么通过一个共同使用的存储区来同步和比较它们的信息。
只要出现干扰，每个系统则可以独自作出反应，其方式是既通过初始的连接(群计算机GR1◇第一轴计算机AR1)，或通过第二冗余的连接(群计算机GR2◇第二轴计算机AR2)作用到所述的绞盘/机械上及其关断/停机机构FU/A上。
附加地也通过各自的轴计算机AR2直接在绞盘/机械上关断有故障的驱动装置。同样像通过第一轴计算机AR1的关断那样，对于通过群计算机GR1和GR2的关断在时间上迟后地来实现该关断，以便确保同步的停机，并防止例如由一个单个驱动装置的制动器过早抱闸而引起的驱动装置的″彼此驶离″。
由于存在着两个彼此独立的和互相监控的群计算机GR1和GR2，这些群计算机GR1和GR2具有用于控制和监控同步运行的实时操作系统、两个快速可靠的，但是分开的和因而分集的总线系统B1和B2、两个在绞盘/机械上的，独立单独和离散的轴计算机AR1和AR2、多个不同和独立的关断机构(双重制动器、负荷隔离开关、调节器释放的阻塞)、双重的和读入独立系统中的安全传感器S(终点开关、载荷测量等等)、以及双重的分开的和读入独立系统中的绝对值传感器AIWG1和AIWG2，所以所述的系统总共是冗余、分集和相互监控地和与此相应地可靠地设计的。如果所述制导系统中的一个不同于另一个地作出反应，则也识别这种情况，并对此发出信号。
对于要么第一群计算机GR1，要么第二群计算机GR2未准备好投入运行的情况存在着以下的可能性，在干扰情况下要么用第一群计算机GR1，要么用第二群计算机GR2单独运行绞盘/机械。因而对于所述的设备甚至在一个计算机失灵时确保了极高的可使用性。在两个群计算机失灵时，还附加地可以通过第二轴计算机AR2现场操作每个驱动装置，因为第二轴计算机AR2备有操作面板。
具有第一群计算机GR1和第二群计算机GR2的绞盘/机械用的本发明控制系统达到了按DIN 19250/V VDE 0801的安全等级AK5。在两个群计算机之一失灵时，绞盘/机械的控制装置通过余下的群计算机分别单独达到安全等级AK4。
因此可以用存在的部件来实现故障控制或后备解决方案，该故障控制或后备解决方案在计算机系统失灵时也允许继续运行所述的设备。不需要附加的部件。这降低了运营商的费用，以及通过减少另件也降低了系统的失灵概率。
通过(以太网)总线B3，也优选以光波导技术来实现通向层面III中的一个或多个操作面板BP的连接，使得可以对于干扰不敏感地，并用高传输速率来实现层面II和III之间的连接。
在层面IV中安排了一个维修和诊断计算机SDR，该维修和诊断计算机SDR通过(以太网)总线B3也与层面II的计算机和层面III的操作面板BP相连接。
在层面V中安排了一个远程维护计算机FWR，该远程维护计算机FWR通过电信连接B4，例如通过经过调制解调器MD1和MD2的连接与计算机SDR相连接。因此可以通过在层面IV和V之间的、通向层面V的附加存在的远程维护连接B4直接访问层面II的群计算机。因而有层面II的信息、参数和调节可供层面V中的远程维护来支配。
维修和诊断计算机SDR优选通过另一个总线5，或替代地通过存在的总线线路B1，B2和B3与绞盘/机械相连接，优选直接与绞盘/机械的轴计算机AR1和AR2以及变频器相连接，并同样也与附加的外围设备驱动装置相连接。因此可以直接访问所有这些部件和那里存在的信息和参数调节，尤其也可以访问绝对值传感器的通过远程维护的调节。
可以如下来达到安全性的进一步提高，在与本发明控制系统的共同作用下在输出轴上安放绞盘/机械的双重制动器，而在驱动轴上不再安放。
通过在驱动轴上布置绝对值传感器AIWG1和在输出轴上布置绝对值传感器AIWG2，可以采集变速器、离合器、焊接连接、轴/轮毂连接、螺栓连接、任何其它摩擦连接或型面连接等等的位于其间的断裂或失灵，并然后通过操纵和投入驱动装置上的制动器而可以可靠地停机绞盘/机械。
除此之外，所述制动器的这种布置允许，可以取消例如变速器、轴和离合器等等抗疲劳断裂用的，按舞台技术的DIN对于所有机械的驱动部件所规定的安全系数2，因为这些变速器、轴和离合器等等现在位于所述的制动器之后。所述的绞盘/机械至少缩小达30％和变得更便宜，并通过部件的较小结构尺寸的采用也变得噪声更低。
总观本发明的控制系统可以得出以下的优点和特性-两个彼此独立和互相监控的群计算机，这些群计算机具有用于控制和监控同步运行的实时操作系统(例如西门子RMOS)，-两个分集的高于11Mbit/s的快速的光波导总线系统，-采用测定的Simo链路光波导总线，-两个独立的不同和离散的在绞盘/机械上的轴计算机，-多个不同的独立和由彼此独立系统控制的关断机构(双重制动器、负荷隔离开关、调节器释放的阻塞)，-双重的和读入独立系统中的安全传感器技术(终点开关、载荷测量、绳索松弛、卷绕误差等等)，-双重的不同的、读入独立系统中的、和既安放在驱动轴上，也安放在输出轴上的绝对值传感器，-通过ISDN、调制解调器或因特网对控制系统的所有部件、包括绝对值传感器和变频器的访问可能性和维修与维护可能性，-由于以下的可能性甚至在群计算机失灵时实现设备的高可使用性，即也通过各自冗余的第二群计算机还以同步的运动可以运行所有的驱动装置(这不要求附加的部件)，-在两个群计算机失灵时，通过在绞盘/机械上的各自的现场操作还可以运行驱动装置的可能性。
权利要求
1.绞盘及其它机械的控制系统，尤其是用在舞台、演播室和剧院中，具有a.用于控制和监控多个绞盘/机械(M1，M2...Mn)中各自一个的各两个轴计算机(AR1，AR2)，这些绞盘/机械(M1，M2...Mn)分配给一个第一控制层面(I)，i.所述的轴计算机(AR1，AR2)两个都与所述绞盘/机械的电动机用的控制电路(FU)相连接，和ii.在所述的轴计算机(AR1，AR2)中一个第一轴计算机(AR1)与布置在所述绞盘/机械上的一个第一绝对值传感器(AIWG1)相连接，和iii.在所述的轴计算机(AR1，AR2)中一个第二轴计算机(AR2)与布置在所述绞盘/机械上的一个第二绝对值传感器(AIWG2)相连接，和b.分配给一个第二控制层面(II)的两个群计算机(GR1，GR2)，i.在所述的群计算机(GR1，GR2)中一个第一群计算机(GR1)通过一个第一总线(B1)与所述的第一轴计算机(AR1)相连接，和ii.在所述的群计算机(GR1，GR2)中一个第二群计算机(GR2)通过一个独立于所述第一总线(B1)的第二总线(B2)与所述的第二轴计算机(AR2)相连接，和iii.所述的群计算机(GR1，GR2)独立于所述第一和第二总线(B1，B2)地通过一个群计算机连接(GRV)或一个用于交换信息的共同的存储器或存储区来彼此相连接。
2.按权利要求1的控制系统，其特征在于，所述的第一总线(B1)实施为光波导总线。
3.按权利要求1或2的控制系统，其特征在于，所述的第一总线(B1)实施为测定的总线，优选实施为Simo链路总线或等距的现场总线。
4.按以上权利要求之一的控制系统，其特征在于，所述的第二总线(B2)实施为光波导总线。
5.按以上权利要求之一的控制系统，其特征在于，所述的第二总线(B2)实施为测定的总线，优选实施为Simo链路总线或等距的现场总线。
6.按以上权利要求之一的控制系统，其特征在于，安排了一个或多个操作面板(BP)，这些操作面板(BP)分配给一个第三控制层面(III)，并且这些操作面板(BP)通过一个第三总线(B3)与所述的第一和第二群计算机(GR1，GR2)相连接。
7.按权利要求6的控制系统，其特征在于，所述的第三总线(B3)实施为光波导总线、无线的总线、或混合的总线。
8.按权利要求6或7的控制系统，其特征在于，所述的第三总线(B3)实施为以太网总线。
9.按以上权利要求6至8之一的控制系统，其特征在于，安排了一个维修和诊断计算机(SDR)，该维修和诊断计算机(SDR)分配给一个第四控制层面(IV)，并且该维修和诊断计算机(SDR)通过所述的第三总线(B3)与所述的第一和第二群计算机(GR1，GR2)以及与所述的操作面板相连接。
10.按权利要求9的控制系统，其特征在于，所述的维修和诊断计算机(SDR)附加地或替代地通过一个第五总线(B5)与所述的绞盘/机械(M1，M2...Mn)相连接。
11.按权利要求9或10的控制系统，其特征在于，安排了一个远程维护计算机(FWR)，该远程维护计算机(FWR)分配给一个第五控制层面(V)，并且该远程维护计算机(FWR)通过电信连接(B4，MD1，MD2)与所述的维修和诊断计算机(SDR)相连接。
12.按以上权利要求之一的控制系统，其特征在于，所述的第一和第二轴计算机(AR1，AR2)备有实时操作系统。
13.按以上权利要求之一的控制系统，其特征在于，所述的第一和第二群计算机(GR1，GR2)备有实时操作系统。
14.按以上权利要求之一的控制系统，其特征在于，在绞盘/机械上安排了安全传感器(S)，这些安全传感器(S)的输出信号输送给所述的第一和第二轴计算机(AR1，AR2)。
15.按以上权利要求之一的控制系统，其特征在于，所述的第一和第二轴计算机(AR1，AR2)分析处理从所述的安全传感器(S)所接收的信号，并至少部分地转送到所述的第一或第二群计算机(GR2)上。
16.按以上权利要求之一的控制系统，其特征在于，所述的第一绝对值传感器(AWIG1)布置在所述绞盘/机械的驱动轴上，而所述的第二绝对值传感器(AIWG2)布置在所述绞盘/机械的输出轴上。
17.按以上权利要求之一的控制系统，其特征在于，所述的第二轴计算机(AR2)备有用于手动控制所述绞盘/机械的操作面板。
18.按以上权利要求之一的控制系统，其特征在于，所述第一群计算机(GR1)设计用于控制和监控所述的第一轴计算机(AR1)，所述第二群计算机(GR1)设计用于控制和监控所述的第二轴计算机(AR1)，以及两个群计算机(GR1，GR2)设计用于互相监控和交换关于所述绞盘/机械和所述轴计算机的用于比较的信息。
19.按权利要求18的控制系统，其特征在于，通过所述的群计算机(GR1，GR2)如下来实现所述轴计算机(AR1，AR2)的控制和监控，使得当所述各自另一个群计算机失灵时，所述绞盘/机械要么单独通过所述第一群计算机(GR1)与所述第一轴计算机(AR1)相结合，要么单独通过所述第二群计算机(GR2)与所述第二轴计算机(AR2)相结合来进行。
20.按权利要求18的控制系统，其特征在于，所述的第一或第二轴计算机(AR1，AR2)设计用于，在干扰情况下相对于通过所述群计算机(GR1，GR2)触发的所述关断/停机在时间上迟后地，触发所述绞盘/机械的所述关断/停机。
21.用于控制尤其是舞台、演播室和剧院中的多个绞盘及其它机械的方法，其特征在于，各一个第一轴计算机(AR1)接收布置在所述绞盘/机械(M1，M2...Mn)之一上的第一绝对值传感器(AIWG1)的输出信号，和各一个第二轴计算机(AR2)接收布置在同一绞盘/机械(M1，M2...Mn)上的第二绝对值传感器(AIWG2)的输出信号，一个第一群计算机(GR1)控制和监控所述的第一轴计算机(AR1)，一个第二群计算机(GR1)控制和监控所述的第二轴计算机(AR1)，所述的第一和第二群计算机(GR1，GR2)互相监控和交换用于比较的信息，其中，通过各一个单独的总线(B1，B2)，优选通过光波导总线来实现一方面在所述第一和第二轴计算机(AR1，AR2)之间的，和另一方面在所述第一和第二群计算机(GR1，GR2)之间的连接，并且通过一个群计算机连接(GRV)或通过一个共同的存储器或存储区来实现所述两个群计算机(GR1，GR2)之间的连接。
22.按权利要求18的用于控制尤其是舞台、演播室和剧院中的多个绞盘及其它机械的方法，其特征在于，通过所述的群计算机(GR1，GR2)如下来实现所述轴计算机(AR1，AR2)的控制和监控，使得当所述各另一个的群计算机失灵时，所述绞盘/机械要么单独通过所述第一群计算机(GR1)与所述第一轴计算机(AR1)相结合，要么单独通过所述第二群计算机(GR2)与所述第二轴计算机(AR2)相结合来进行。
23.按权利要求21或22的用于控制尤其是舞台、演播室和剧院中的多个绞盘及其它机械的方法，其特征在于，在干扰情况下所述的第一或第二轴计算机(AR1，AR2)相对于通过所述群计算机(GR1，GR2)触发的所述的关断/停机，在时间上迟后地触发所述绞盘/机械的所述关断/停机。
全文摘要
本发明说明一种尤其是舞台演播室和剧院中的绞盘及其它机械的多轴的控制系统，其中，两个安排在绞盘/机械上的轴计算机与各自一个群计算机相连接。通过本发明可以可靠地共同和同步控制和监控直至200个轴以及更多。
文档编号B66D1/48GK1589170SQ02823105
公开日2005年3月2日 申请日期2002年9月23日 优先权日2001年9月21日
发明者雷纳·M·帕尔斯, 奥利弗·帕尔斯 申请人:雷纳·M·帕尔斯, 奥利弗·帕尔斯