Arbeitsweise des Nockenschaltwerkes
Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des Nockenschaltwerks, ist es wichtig zu wissen, wie die konfigurierten Nocken für eine möglichst schnelle Bearbeitung aufbereitet werden. Das Nockenschaltwerk rechnet die Nockeninformation aller Nocken in eine Nockentabelle um. Diese Nockentabelle enthält dann den Zustand aller Ausgänge an einem bestimmten Drehwinkel. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in einer sehr schnellen Nockenausgabe, da das Schalten der Nockenspuren von der aufwändigen Berechnung der Nocken inklusive Totzeitkompensation getrennt wird. Die Nockentabelle wird somit für eine vorher bestimmte Solldrehzahl korrekt berechnet. Bei wechselnden Geschwindigkeiten findet zwar ein Anpassung statt, die exakten Schaltpunkte können aber nur für konstante Drehzahl garantiert werden.
Nockentabellen
Das Nockenschaltwerk legt intern eine Nockentabelle mit einer festen Zeilenzahl an. Die Zeilenzahl wird durch die konfigurierte Auflösung bestimmt. Somit besteht die Tabelle entweder aus 360 Zeilen oder die Anzahl entspricht der Anzahl Encoder-Inkremente (z. B. 4096). Im zweiten Fall berechnet sich der einer Zeile zugeordnete Winkel zu
Winkel = Zeilennummer / Anzahl Encoder-Inkremente * 360°
z. B Winkel für Tabellenzeile 1000: 1000 / 4096 * 360° = 87.891°
In jeder Tabellenzeile wird der Zustand aller Nockenspuren (digitale Ausgänge) für den entsprechenden Encoder-Winkel abgelegt. Der Zustand ergibt sich aus allen konfigurierten Nocken, das heißt, aus Schaltpunkten, Schaltzeiten und Totzeiten.
Die Nockentabelle wird zunächst bei Systemstart einmal ausgeführt und wird später unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. nach einer größeren Geschwindigkeitsänderung, neu berechnet. Eine Neuberechnung findet dabei immer bei 0 Grad statt, damit die Nockenausgabe innerhalb einer Umdrehung des Encoders konsistent ist.
Das Nockenschaltwerk verwaltet zwei umschaltbare Nockentabellen (Variable Reverse Mode). Jede Nocke kann für eine oder für beide Tabellen konfiguriert werden (Parameter Standard Active bzw. Reverse Active). Die Umschaltung zwischen beiden Tabellen wird durch die SPS veranlasst.
Abbildung einer Wegnocke in der Nockentabelle
Eine Wegnocke ist zwischen einer Einschaltposition und einer Ausschaltposition definiert. In der Nockentabelle wird in allen Tabellenzeilen zwischen diesen beiden Positionen eine 1 eingetragen. Alle anderen Tabellenzeilen bleiben 0, wenn nicht weitere Nocken dieselbe Nockenspur ansprechen.
Abbildung einer Zeitnocke in der Nockentabelle
Eine Zeitnocke ist ab einer Einschaltposition mit einer bestimmten Einschaltdauer definiert. In der Nockentabelle werden alle Tabellenzeilen ab der Einschaltposition bis zu einer um ein Grad größeren Position auf 1 gesetzt. Alle anderen Einträge sind 0. Obwohl die Zeitnocke wie eine Wegnocke mit einem 1 Grad breiten Schaltwinkel in die Nockentabelle eingetragen wird, ist die Ausschaltposition nicht von Bedeutung. Die Nockenausgabe wird tatsächlich zeitbasiert abgewickelt: Der Nockenausgang wird zunächst an der Einschaltposition eingeschaltet. Anschließend läuft im Nockenschaltwerk ein Timer ab, der den Ausgang nach Ablauf der definierten Schaltzeit ausschaltet.
Abbildung einer Bremsnocke in der Nockentabelle
Eine Bremsnocke ist mit einer bestimmten Bremsposition definiert. In der Nockentabelle werden alle Tabellenzeilen ab der Bremsposition bis zu einer um ein Grad größeren Position auf 0 gesetzt. Alle anderen Einträge sind 1. Obwohl die Bremsnocke wie eine Wegnocke mit einem 359 Grad breiten Schaltwinkel in die Nockentabelle eingetragen wird, ist die Einschaltposition nicht von Bedeutung. Die Nockenausgabe ist eine Sonderfunktion, die den Ausgang solange eingeschaltet lässt, wie die SPS die Bremsfreigabe auf 1 gesetzt hat. Sobald die Bremsfreigabe durch die SPS zurückgenommen wird, wird die Ausgangsspur an der definierten Bremsposition ausgeschaltet und bleibt ausgeschaltet.
Neuberechnung der Nockentabellen
Berechnungsgrundlage für die Nockentabelle ist die vom Anwender (SPS) angegebene Sollgeschwindigkeit des Nockenschaltwerks (HPM Preset [1/min]). Solange das Coupled Flag von der SPS noch nicht gesetzt ist, wird die Nockentabelle auf Basis dieser Geschwindigkeit berechnet.
Der Anwender gibt ebenfalls eine Geschwindigkeitstoleranz an (HPM Difference [1/min]). Das Nockenschaltwerk prüft Abweichungen von der Sollgeschwindigkeit, sobald das Coupled Flag von der SPS gesetzt wurde. Wenn dann die aktuelle Drehzahl von der jeweils letzten Geschwindigkeit, mit der die Nockentabelle berechnet wurde, um den Differenz-Betrag abweicht, wird die Tabelle neu berechnet. Wird HPM Difference mit 0 angegeben, findet keine Neuberechnung statt.
Bei Geschwindigkeitsschwankungen innerhalb des Bandes +/- HPM Difference wir die Nockentabelle nicht sofort neu berechnet. HPM Preset sollte der mittleren zu erwartenden Drehzahl entsprechen und HPM Difference sollte so eingestellt werden, dass kleine zu erwartende Geschwindigkeitsschwankungen nicht zur Neuberechnung der Nockentabelle führen. Abweichungen innerhalb des Bandes +/- HPM Difference werden mit der Zeit aufintegriert, sodass auch bei einer kleinen mittleren Abweichung die Nockentabelle nach einiger Zeit neu berechnet und an die mittlere Geschwindigkeit angepasst wird.
Einzelne Nockenparameter, z. B. die Schaltpositionen, können durch das SPS-Programm geändert werden. Nach einer Änderung wird die Nockentabelle aktualisiert, ohne sie vollständig neu zu berechnen.
Die Neuberechnung der Nockentabelle kann optional vom SPS-Programm über einen Funktionsbaustein angestoßen werden. So ist es z. B. sinnvoll, die Neuberechnung nach einer Geschwindigkeitsänderung anzustoßen, sobald das neue konstante Geschwindigkeitsniveau erreicht ist.
Um die Konsistenz der Nockenschaltpunkte zu gewährleisten, wird eine neu berechnete Nockentabelle jeweils erst beim nächsten Encoder-Nulldurchgang aktiv, nachdem die Berechnung abgeschlossen ist.