DE3812980A1 - Verfahren zum schutz der rotoren von zentrifugen vor ueberdrehzahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft mittel- und hochtourige Zentrifugen, insbesondere den Schutz der Rotoren dieser Maschinen vor dem Zerbersten bei Überdrehzahlen.

Zum Überdrehzahlschutz der Rotoren ist eine Anzahl Verfahren und Schaltungen entwickelt worden, die auf einer Erfassung drehzahlabhängiger Größen, einem Vergleich derselben mit einer einstellbaren, rotorspezifischen Größe und der Abschal­ tung des Rotorantriebs bei Überschreiten der letztgenannten Größe beruhen, z. B. DD-PS 2 00 111, H 02 H-7/093; DE-OS 24 15 934, B 04 B-9/10; DD-PS 2 22 172, H 02 H-7/093; DE OS 20 15 576, G 05 D-13/04. In den ersten beiden Schriften werden analoge, in den folgenden beiden Schriften digitale Schutzschaltungen beschrieben. Sie enthalten auch Maßnahmen zur Verbesserung der Ausfallsicherheit des Überdrehzahlschutzes, z. B. Signalzuverlässigkeitsschaltungen, die den Ausfall von Abtastimpulsen feststellen.

Zum Schutz der Rotoren vor einer Überdrehzahl sind sie an ihrem Fuß mit einer Segment-Abtastscheibe, auch Impulsscheibe ge­ nannt, ausgestattet. Die Impulsscheiben werden optoelektrisch abgetastet. Die Frequenz der Abtastimpulse hängt außer von der Rotordrehzahl von der Anzahl der Segmente ab. Bei konstanter, geräteinterner Abschaltfrequenz bestimmt die Segmentezahl die Abschaltdrehzahl. Sie ist somit rotorspezifisch. Die Abtast­ impulse werden einem Frequenzschalter zugeführt, der bei einer normierten Frequenz, nämlich der Abschaltfrequenz, ein Signal zum Abschalten des Rotorantriebs erzeugt. Zur Funktionskontrolle wird ab einer bestimmten Drehzahl die Frequenz der Rotorab­ tastimpulse qualitativ überwacht.

Für die Drehzahlmessung wird ebenfalls durch optoelektrische Abtastung eines Segmentringes auf der Rotorwelle bzw. -nadel eine drehzahlproportionale Impulsfrequenz gewonnen und zur Anzeige und Drehzahlregelung der Zentrifuge benutzt.

Bei den bekannten Zentrifugen mit Überdrehzahlschutz wird die­ ser erst beim Eintreten einer tatsächlichen Überdrehzahl wirk­ sam. Eine Funktionskontrolle der Schutzabschaltung des Antriebs bei ungefährlichen Drehzahlen findet nicht statt. Die Frequenz der Rotorabtastimpulse wird nur qualitativ überwacht. Fehler z. B. infolge der Beschädigung der Abtastscheibe - es werden nicht alle Segmente erfaßt - oder bei der Meßwerterfassung (Abtastung) oder Meßwertverarbeitung (Grenzfrequenz) führen zu einer höheren Abschaltdrehzahl. Bevor diese erreicht ist, kann der Rotor explodieren und dann die Zentrifuge zerstören. Wird ein Rotor mit einer Impulsscheibe versehen, die zu wenig Seg­ mente aufweist, übersteigt die sich ergebende Abschaltdrehzahl die zulässige, so daß ein Überdrehzahlschutz nicht mehr gewähr­ leistet ist.

Eine Überdrehzahl tritt mit Sicherheit auf, wenn der Zentrifu­ genbediener irrtümlich eine über die Abschaltdrehzahl liegende Soll- bzw. Nenndrehzahl eingestellt hat oder ein Fehler im Zweig der Drehzahlmessung auftritt. Solche Fehler können am Segmentring der Rotorwelle, in der Abtaststufe und in der ange­ schlossenen Schaltung zur Meßwertaufbereitung und -verarbeitung entstehen. Sie führen dazu, daß die gemessene Drehzahl kleiner als die tatsächliche ist. Bei dem Versuch der Drehzahlregelung, die Drehzahl auf den eingestellten Sollwert zu bringen, wird die Abschaltdrehzahl überschritten. Die gemessene Drehzahl wird somit nicht auf ihre Richtigkeit überwacht.

Ziel der Erfindung ist es, das Auftreten einer Überdrehzahl so­ wohl infolge objektiver, funktioneller Fehler als auch infolge subjektiver Bedienfehler zu verhindern.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schutz der Rotoren von Zentrifugen vor Überdrehzahlen zu entwickeln, das in einem Prüfanlauf feststellt, ob ein Rotor auf die Rotor­ welle aufgesetzt ist, ob der Rotor mit der richtigen Impuls­ scheibe versehen ist und ob der Bediener eine der Nenndrehzahl des Rotors entsprechende Solldrehzahl eingestellt hat, das bei positivem Ergebnis die Funktionsfähigkeit des Überdrehzahlschut­ zes prüft und bei Funktionsfähigkeit den automatischen Start des Hochlaufs auf die Solldrehzahl freigibt, das während des Hochlaufs und im Betrieb bei der Solldrehzahl Richtigkeitsprü­ fungen der Frequenzen der Abtastimpulse des Rotors und der Ro­ torwelle durchführt und bei negativem Ergebnis eine Abschaltung des Rotorantriebs veranlaßt.

Die Lösung dieser Aufgabe schließt als bekannt die Gewinnung drehzahlabhängiger Impulse durch Abtastung segmentierter Schei­ ben oder Ringe am Rotor und an der Rotorwelle ein.

Erfindungsgemäß sind folgende Schritte eines Prüf- und Überwa­ chungsverfahrens vorgesehen: Nach Aufsetzen des Rotors auf die Rotorwelle werden die Rotor- Kennummer und die Solldrehzahl in eine Eingabeeinrichtung ein­ gegeben und in Speichern gespeichert. Die Solldrehzahl wird mit der rotorspezifischen Maximaldrehzahl verglichen. Ist die eingestellte Solldrehzahl kleiner als die Maximaldrehzahl oder gleich, schließt sich ein Prüfanlauf an. Bei diesem wird der Quotient aus der Frequenz der Abtastimpulse des Rotors und der Frequenz der Abtastimpulse der Rotorwelle gebildet und mit dem gespeicherten, rotorspezifischen Quotienten dieser Frequenzen verglichen. Bei Nichtübereinstimmung wird der Rotorantrieb so­ fort, bei Übereinstimmung nach Erreichen einer voreingestell­ ten Impulszahl über die Überdrehzahl-Schutzschaltung, abgeschal­ tet. Im letztgenannten Fall wird der Rotorantrieb nach Fest­ stellung des Ausbleibens beider Abtastimpulse wieder einge­ schaltet und die Überdrehzahl-Schutzschaltung auf die normierte Abschaltdrehzahl umgestellt. Bei dem sich anschließenden Hoch­ lauf des Rotors und bei der Solldrehzahl wird fortlaufend in kurzen Zeitabständen der Quotient der Frequenzen der Abtast­ impulse gebildet und mit dem gespeicherten, rotorspezifischen Quotienten verglichen. Bei Ungleichheit wird der Rotorantrieb abgeschaltet.

Die Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens er­ folgt an Hand des Blockschemas des funktionellen Aufbaus einer das Verfahren realisierenden Schutzschaltung gemäß zugehöriger Figur.

Der Rotor 1 mit einer an einem Fuß angebrachten Impulsscheibe 2 wird auf die Rotorwelle 3 aufgesetzt, die mit einem Impuls­ ring 4 versehen ist. Die Rotorwelle 3 ist über ein Getriebe mit dem Rotorantrieb 5 gekoppelt.

Die Solldrehzahl n _soll und die Rotor-Kennummer werden in die Sollwert-Eingabeeinrichtung 30 eingegeben und in dem Sollwert­ speicher 25 und dem Rotor-Kennummer-Speicher 27 gespeichert.

In dem Tabellenspeicher 26 sind die der Rotor-Kennnummer ent­ sprechenden Werte für die maximale Drehzahl n _max und der Quotient

28 enthalten. Im Vergleicher 23 wird geprüft, ob die eingegebene Solldrehzahl n _soll kleiner oder gleich der maximalen Drehzahl n _max ist. Ist n _soll n _max , erfolgt eine Fehlersignalausgabe A zur Steuereinheit 12; der Schalter 6 für den Rotorantrieb 5 bleibt in der Stellung 2, damit ist kein Rotoranlauf möglich.

Ist n _soll n _max , wird der Schalter 6 von der Steuereinheit 12 von Stellung 2 in Stellung 1 gestellt. Der Vergleicher 23 triggert den Monoflop 11, dieser schließt den Schalter 10, über den der Strom des Prüfanlauf-Stromgenerators 8 maximal die Monoflop-Zeit lang den Rotor 1 antreibt (Prüfanlauf). Dabei sind die Zähler 19, 22 für die Ermittlung des Quotienten

im Prüfanlauf entsprechend den Werten im Voreinstell­ werte-Speicher 9 voreingestellt. Die Impulsfrequenz f _R wird durch optoelektronische Abtastung der Impulsscheibe 2, die Impulsfrequenz f _N durch Abtastung des Impulsringes 4 gewonnen. Das Tor 18 läßt eine Anzahl Impulse der Impulsscheibe 2 durch. Aus dem Voreinstellwert des Zählers 22 und der in der Öffnungs­ zeit des Tores 18 eingezählten Anzahl f _R -Impulse wird im Quotientenbildner 20 der Quotient Q _ist gebildet und im Ver­ gleicher 24 mit Q _soll verglichen. Bei Nichtübereinstimmung stellt das Signal B des Vergleichers 24 den Schalter 6 von Stellung 1 in Stellung 2 und den Monoflop 11 zurück. Im Falle des Nichtanlaufs des Rotorantriebs 5 wird nach der Hal­ tezeit des Monoflops 11 der Schalter 10 wieder geöffnet, wo­ durch der Prüfanlauf-Stromgenerator 8 abgeschaltet wird. Bei Übereinstimmung Q _soll =Q _ist werden zunächst in den Zähler 17 weiterhin f _R -Impulse eingezählt, bis entsprechend dem Vorein­ stellwert in 9 vom Zähler 17 der Nulldurchgang erfolgt und damit das Überdrehzahlschutz-Signal D sowohl den Monoflop 11 als auch den Schalter 6 von Stellung 1 in Stellung 2 stellt. Der Rotor 1 läuft frei aus und bleibt stehen. Nach Rotorstill­ stand werden die Monoflops 14, 15 nicht mehr getriggert. Wenn dazu vom Vergleicher 24 im Falle der Übereinstimmung Q _ist = Q _soll am Gatter 13 das Signal E anliegt, veranlaßt die Steuer­ einheit 12 die Umschaltung des Schalters 6 von Stellung 2 in Stellung 3 und des Schalters 16 von der Stellung "Prüfanlauf" in die Stellung "Lauf".

Gemäß gewählter Beschleunigungsstufe und aktueller Ist-Drehzahl n _ist steuert die Frequenzverarbeitung 21 den Laufstromgenera­ tor 7 so, daß der Antrieb 5 den Rotor 1 bis zur Solldrehzahl n _soll beschleunigt und diese nach Erreichen derselben konstant hält. Tritt während der Zentrifugation ein Fehler der Meßwerte f _R oder f _N auf, so daß Q _ist ≠Q _soll ist, so wird über den Ver­ gleicher 24 ein Signal C ausgegeben und sofort der Schalter 6 von Stellung 3 in Stellung 2 gestellt. Dadurch kann sich z. B. bei Ausfall von f _N -Impulsen keine Überdrehzahl einstellen. Bei Ausfall von f _R -Impulsen tritt die gleiche Reaktion ein.

Bei einer vom Rotorantrieb 5 verursachten Überdrehzahl erzeugt der Zähler 17 bei seinem Nulldurchgang ein Signal D, welches über die Steuereinheit 12 den Schalter 6 von Stellung 3 in Stellung 2 stellt. Dieser Ausnahmefall entspricht der Funktion der klassischen Überdrehzahl-Schutzschaltungen.

Die Drehzahl n _ist wird von dem Anzeigeinstrument 31 angezeigt.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen:

 1 Rotor
 2 Impulsscheibe
 3 Rotorwelle
 4 Impulsring
 5 Rotorantrieb
 6 Schalter
 7 Laufstromgenerator
 8 Prüfanlauf-Stromgenerator
 9 Voreinstellwerte-Speicher
10 Schalter
11 Monoflop
12 Steuereinheit
13 Gatter
14 Monoflop
15 Monoflop
16 Schalter
17 Zähler
18 Tor
19 Zähler
20 Quotientenbildner
21 Frequenzverarbeitung
22 Zähler
23 Vergleicher
24 Vergleicher
25 Sollwertspeicher
26 Tabellenspeicher
27 Rotor-Kennummern-Speicher
28 Q _soll -Speicher
29 n _max -Speicher
30 Sollwert-Eingabeeinrichtung
31 Anzeigeinstrument
f _N  Impulsfrequenz von 4
f _R  Impulsfrequenz von 2
n _ist  Ist-Drehzahl
n _soll  Solldrehzahl
n _max  maximale Drehzahl

A, B, C, D, E Schaltsignale

Claims (1)

1. Verfahren zum Schutz der Rotoren von Zentrifugen vor Überdreh­ zahlen vermittels Abtastung segmentierter Scheiben oder Ringe am Rotor und an der Rotorwelle, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufsetzen des Rotors (1) auf die Rotorwelle (3) die Rotorkennummer und die Solldrehzahl (n _soll ) in eine Eingabe­ einrichtung (30) eingegeben und in Speichern (25, 27) gespei­ chert werden, die Solldrehzahl (n _soll ) mit der rotorspezifi­ schen Maximaldrehzahl (n _max ) verglichen wird, sich ein Prüfan­ lauf anschließt, falls die Solldrehzahl (n _soll ) kleiner als die Maximaldrehzahl (n _max ) oder gleich ist, im Prüfanlauf der Quotient (Q _ist ) aus der Frequenz (f _R ) der Abtastimpulse des Rotors (1) und der Frequenz (f _N ) der Abtastimpulse der Rotor­ welle (3) gebildet und mit dem gespeicherten Quotienten (Q _soll ) dieser Frequenzen (f _R ; f _N ) verglichen wird, bei Nichtüberein­ stimmung der Rotorantrieb (5) sofort, bei Übereinstimmung nach Erreichen einer voreingestellten Impulszahl über die Überdreh­ zahl-Schutzschaltung abgeschaltet wird, im letztgenannten Fall der Rotorantrieb (5) nach Feststellung des Ausbleibens beider Abtastimpulse wieder eingeschaltet und die Überdrehzahl-Schutz­ schaltung auf die normierte Abschaltdrehzahl umgeschaltet wird, bei dem sich anschließenden Hochlauf des Rotors (1) und bei der Solldrehzahl (n _soll ) fortlaufend in kurzen Zeitabständen der Quotient (Q _ist ) der Frequenzen (f _R ; f _N ) der Abtastimpulse ge­ bildet und mit dem gespeicherten, rotorspezifischen Quotienten (Q _soll ) verglichen wird und bei Ungleichheit der Rotorantrieb (5) abgeschaltet wird.