DE10033994A1 - Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors einer Dosierpumpe - Google Patents
Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors einer DosierpumpeInfo
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Abstract
Das Verfahren dient zum Ansteuern eines Elektromotors einer Dosierpumpe, bei der die zu fördernde Fluidmenge durch einen externen Impulsgeber vorgegeben wird, wobei jedem Impuls eine vorbestimmte Fördermenge zugeordnet ist. Die Steuerung erfasst den zeitlichen Abstand der beiden letztempfangenen Impulse und steuert den Elektromotor so an, dass die zu fördernde Fluidmenge unter Zugrundelegung des vorermittelten Abstands gleichmäßig auf das nächstfolgende Impulsintervall verteilt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors einer
Dosierpumpe gemäß den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkma
len.
Nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Dosierpumpen, also solche mit Membran-
oder Kolbenpumpe, werden entweder elektromagnetisch oder mittels eines Motors
angetrieben. Bei den elektromagnetisch angetriebenen Dosierpumpen kann die
Fördermenge üblicherweise durch mechanische Hubverstellung einerseits und
durch Frequenzänderung andererseits eingestellt werden. Um ein möglichst genau
es Dosieren (Zumischen) des Fluids in einen veränderbaren Förderstrom (Haupt
förderstrom) zu erzielen, weisen solche Pumpen üblicherweise einen elektrischen
Anschluss auf, an den ein Taktgeber anschließbar ist, der immer dann, wenn eine
bestimmte Fördermenge des Hauptförderstromes gefördert worden ist, einen
Impuls abgibt, wonach die Dosierpumpe einen oder mehrere Arbeitshübe durch
führt, deren Förderhub mechanisch an die pro Impuls abzugebende Dosiermenge
angepasst ist. Je nach Hubeinstellung und der zu dosierenden Fluidmenge kann es
trotz dieser volumenmäßigen Abstimmung der zu mischenden Förderströme zu
ungleichmäßigen Mischungsverhältnissen kommen, wenn nämlich das zu dosie
rende Fluid beispielsweise in kurzer Zeit unmittelbar nach dem erhaltenen Impuls
in den Hauptförderstrom gefördert wird und der nächste Impuls erst nach einem
langen Zeitraum erfolgt.
Neben den konstruktiv recht einfach aufgebauten Dosierpumpen mit elektromagne
tischem Antrieb sind auch solche mit elektromotorischem Antrieb bekannt, bei
spielsweise aus DE 196 23 537 A1. Derartige Dosierpumpen sind konstruktiv
wesentlich aufwendiger, ermöglichen jedoch eine genauere und gleichmäßigere
Fördermengensteuerung. Sie arbeiten üblicherweise ohne Hubverstellung. Eine
Dosierpumpe dieser Bauart ist beispielsweise durch den Typ LEWA LAB K3/K5
der LEWA Herbert Ott GmbH & Co. in Leonberg bekannt. Diese Pumpe weist
zwar eine Schnittstelle zur externen Dosierstromsteuerung auf, doch erfolgt dort
die Ansteuerung über ein Analogsignal, das aufwendig in der Signalaufbereitung
und Weiterverarbeitung sowie störanfällig ist. Die Dosierfördermenge wird dort in
Abhängigkeit eines elektrischen Stromes gesteuert.
Vor diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine elektromotorisch angetriebene Dosierpumpe so auszugestalten, dass
sie bei externer Impulsansteuerung nach einem vorgegebenen Verlauf möglichst
genau fördert.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, die zu fördernde Menge nach
einem vorgegebenen Verlauf auf das zwischen zwei oder mehr Impulsen gebildete
Zeitintervall zu verteilen, und zwar derart, dass nach Möglichkeit immer eine
gewisse Fördermenge vorhanden ist. Zweckmäßigerweise wird dabei der zeitliche
Abstand von zwei aufeinanderfolgenden Impulsen ermittelt und dann der Antrieb
des Elektromotors, beispielsweise ein Schrittmotor oder ein mit entsprechender
Sensorik zur Positionserfassung ausgerüsteter Gleich- oder Wechselstrommotor so
angesteuert, dass z. B. eine möglichst gleichmäßige Verteilung der zu fördernden
Fluidmenge im darauf folgenden Impulsintervall oder in einer nachfolgenden
Impulsintervallfolge erfolgt. Unter möglichst gleichmäßig im Sinne der Erfindung
ist zu verstehen, dass beispielsweise bei schrittweisem Betrieb die Schritte mit
gleichem zeitlichen Abstand über das Impulsintervall verteilt werden. Es versteht
sich, dass eine völlig gleichmäßige Verteilung möglicherweise durch einen oder
mehrere erforderliche Rückhübe der Pumpe gestört werden können, auch wenn,
was bereits zum Stand der Technik zählt, der Motor während des Rückhubs mit
höherer Geschwindigkeit angesteuert wird als während des Förderhubs.
Wenn die zeitlichen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen kürzer
werden, könnte dies dazu führen, dass die geförderte und dosierte Fluidmenge
kleiner ist als die tatsächlich gewünschte. Um dies zu vermeiden, sieht die Erfin
dung vor, die sich nach dem Ansteuern von zwei oder mehr aufeinanderfolgenden
Impulsintervallen ergebende Fehlmenge zu ermitteln und in einem späteren,
vorzugsweise im nachfolgenden Impulsintervall zu korrigieren. Eine solche Kor
rektur kann in vergleichsweise aufwendiger Weise durch Ermittlung des tatsäch
lichen Dosierförderstroms durch externe Sensorik erfolgen, wird jedoch vorteilhaft
unter Zugrundelegung des sich aufgrund der Ansteuerung ergebenden theoreti
schen Dosierförderstroms ermittelt, da dann keine externe Sensorik erforderlich ist
und dies anhand der intern ohnehin vorhandenen elektrischen Werte ermittelt
werden kann. Da elektromotorisch angetriebene Dosierpumpen konstruktions
bedingt im Vergleich zu den eingangs beschriebenen elektromagnetisch angetriebe
nen genau arbeiten, kann auf eine externe Sensorik in der Regel verzichtet werden,
ohne gravierende Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Impulssteuerung ist es, auf die bei
Membranpumpen bekannte Hubverstellung des Pumpenkörpers verzichten zu
können, da diese zu Ungenauigkeiten führt und einen mechanischen Eingriff
erfordert, der die Fernsteuerung der Pumpe erschwert.
Insbesondere beim Zumischen eines Fluids in einen sich ändernden Hauptförder
strom ist es erstrebenswert, es nach Möglichkeit gar nicht zu Korrekturen kommen
zu lassen, sondern den Dosierförderstrom möglichst schnell an den sich ändernden
Hauptförderstrom anzupassen. Dies kann dadurch erfolgen, dass bei der Verteilung
der zu fördernden Fluidmenge nicht nur der Abstand zweier oder ggf. mehrerer
vorangegangener Impulse berücksichtigt und auf ein sich daraus theoretisch
ergebendes folgendes Impulsintervall verteilt wird, sondern dass hierbei auch die
Änderung der Impulsabstände ermittelt und bei der Berechnung der Verteilung
berücksichtigt wird, d. h. ein gewisser Regelalgorithmus erfolgt, der ein möglichst
frühzeitiges Anpassen an sich ändernde Zustände bezweckt.
Insbesondere bei Dosiervorgängen, bei denen es zwar einerseits auf eine möglichst
gleichmäßige Zufuhr zu einem Hauptförderstrom ankommt und andererseits auch
auf die insgesamt zugegebene Menge, d. h. eine einzustellende Konzentration, wie
dies beispielsweise beim Zumischen von Chlor in Schwimmbadwasser erforderlich
ist, ist es nicht nur erforderlich, auf ein gleichmäßiges Mischungsverhältnis zu
achten, sondern auch die Addition von Fehlern auszuschließen, die sich möglicher
weise durch Regelungenauigkeiten oder sonstige Fehlerquellen ergeben können.
Hierzu sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, die Anzahl der Impulse, d. h.
die sich daraus ergebende Sollfördermenge oder einen entsprechenden Kennwert
zu erfassen und diesen mit der sich aufgrund der Ansteuerung des Elektromotors
zumindest theoretisch ergebenden Dosierfördermenge oder einem entsprechenden
Kennwert zu vergleichen und bei Differenzen diese nachfolgend entsprechend
auszugleichen. Eine solche Langzeitregelung kann beispielsweise die Impulse über
Stunden oder Tage erfassen, um einmal stündlich oder einmal täglich ggf. eine
ergänzende Korrektur durchzuführen, welche durch die schnelle Regelung, welche
den Förderstrom der Dosierpumpe an den sich ändernden Hauptförderstrom
anpasst, nicht erfüllt werden kann.
Ungeachtet dieser Langzeitregelung ist es grundsätzlich erstrebenswert, die Kor
rektur der erfassten Fehlmenge unmittelbar nach der Erfassung durchzuführen, um
eine möglichst schnelle Regelung zu gewährleisten. Dies ist insbesondere dann
erstrebenswert, wenn die Dosierpumpe zur kontinuierlichen Zumischung eingesetzt
wird, bei der unmittelbar nach dem Zumischen ein Abfüllen oder Verpacken
erfolgt, so dass spätere Korrekturen auf das bereits abgefüllte bzw. verpackte
Produkt keinen Einfluss mehr haben können.
Um sicherzustellen, dass auch zu Anfang des Dosiervorgangs schon eine gleich
mäßige Dosierung über das gesamte Impulsintervall erfolgt, ist es zweckmäßig, die
Ansteuerung des Pumpenmotors erst nach Empfang von zwei Impulsen einzulei
ten. Die dadurch verfahrensbedingte Fehlmenge kann durch die vorbeschriebene
übergeordnete Korrekturregelung ausgeglichen werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Abhängigkeit der Pulsfolge zur Fördermenge eines ersten Aus
führungsbeispiels und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel in Darstellung nach Fig. 1.
In den Darstellungen ist auf der oberen Zeitachse eine Folge elektrischer Impulse
t1 bis t7 dargestellt, wie sie beispielhaft von einem Impulsgeber abgegeben werden,
wobei jeder Impuls t1 bis t7 für ein bestimmtes Volumen eines Hauptförderstroms
steht, dem durch die Dosierpumpe eine entsprechende Menge eines Dosierförder
stromes zuzumischen ist. Auf der unteren Zeitachse ist jeweils der von der Dosier
pumpe in Abhängigkeit der externen Impulse gesteuerte Dosierförderstrom dar
gestellt.
Um eine möglichst gleichmäßige Dosierung des Dosierförderstroms in den Haupt
förderstrom zu erreichen, wird der Dosierförderstrom mittels der Steuerung der
Dosierpumpe so eingestellt, dass die in den Hauptförderstrom zu mischende
Dosierfördermenge möglichst gleichmäßig über das gesamte zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Impulsen gebildete Intervall Δt verteilt wird. Um den
zeitlichen Abstand Δt zunächst einmal zu erfassen, ist es erforderlich, dass vor
Beginn des Dosiervorgangs zwei elektrische Impulse t1 und t2 abgewartet werden
und die dazwischen liegende Zeit Δt12 ermittelt wird. Es wird nun entsprechend der
pro Impuls zuzumischenden Dosierfördermenge die Pumpe so angesteuert, dass
das pro Impuls zu fördernde Volumen Vsoll auf eine Zeit beginnend mit t, verteilt
wird, die Δt12 entspricht, so dass sich unter Zugrundelegung dieses Zeitintervalls
Δt12 ein Förderstrom Q23 ergibt, der nach einer Förderzeit von Δt12 das voreinge
stellte Volumen Vsoll erreicht hat. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel der
Abstand der Impulse t1 bis t4 zunimmt, entsteht bei dieser Steuerung bei zunehmen
dem Impulsabstand bis t4 für kurze Zeit jeweils ein Förderstillstand, wenn nämlich
das Volumen Vsoll bereits erreicht ist, der nachfolgende Impuls jedoch noch nicht
empfangen worden ist.
Wenn die Steuerung den Impuls t3 erhält, ermittelt sie den zeitlichen Abstand Δt23
zum Impuls t2 und verteilt die zu fördernde Menge Vsoll nun auf dieses Zeitintervall
Δt23, senkt den Förderstrom Q34 also entsprechend. Der Dosierförderstrom Q34
ergibt sich, indem man das Sollfördervolumen Vsoll durch das letztermittelte
Zeitintervall Δt23 dividiert.
Wenn die Abstände der Impulse nicht größer, sondern kleiner werden, wie dies
anhand der Impulse t4 bis t6 dargestellt ist, ergibt sich das Problem, dass ein neuer
Impuls, beispielsweise t5 empfangen wird, wenn die Zeitspanne, für die der Förder
strom Q45 berechnet worden ist, um das Volumen Vsoll zu erreichen, noch nicht
abgelaufen ist. Bei der Steuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1)
wird die Pumpe so angesteuert, dass mit Empfang eines neuen Impulses (hier
erstmals t5) die bisherige Förderung gestoppt wird und für das nun neu beginnende
Förderintervall Δt56 ein Förderstrom Q56 festgelegt wird, der so berechnet ist, dass
er innerhalb eines Zeitraums von Δt45 ein Volumen Vsoll zuzüglich eines Volumens
VRest ergibt. Das Volumen VRest ergibt sich aus dem Volumen Vsoll abzüglich des im
vorangegangenen Intervall tatsächlich geförderten Volumens Vist. Für das Förder
intervall Δt45 ergibt sich somit ein Volumen VRest, das dem Förderstrom Q45 multi
pliziert mit der Differenz von Δt34 und Δt45 ergibt. Dieses im Zeitintervall Δt45 zu
wenig geförderte Volumen wird also bei der Berechnung des Förderstroms Q56 zu
Vsoll addiert.
Da die Zeitspanne Δt56 wiederum kleiner als die vorangegangene Δt45 ist, wird der
Förderstrom Q56 nach Empfang des Impulses t6 abgebrochen und sodann ein
Dosierförderstrom Q67 erzeugt, bei dem unter Zugrundelegung eines Förderinter
valls in der Größenordnung von Δt56 der Förderstrom so berechnet worden ist, dass
das Volumen Vsoll zuzüglich des im Förderintervall Δt56 noch nicht geförderten
Volumens VRest56 beträgt. Das noch nicht geförderte Volumen VRest56 setzt sich
dabei zum einen aus dem noch nicht in diesem Intervall geförderten Anteil am
Volumen Vsoll und zum anderen dem noch nicht geförderten Anteil des Volumens
VRest45 des wiederum vorangegangenen Intervalls zusammen, das durch Kreuz
schraffur kenntlich gemacht ist, während das übrige Restvolumen einfach schraf
fiert ist.
Der vorstehend beschriebene Regelalgorithmus verdeutlicht, dass auch bei sich
ändernden Abständen der Impulse recht schnell und exakt durch die Steuerung
reagiert wird. In der Praxis sind die Schwankungen der Impulsabstände recht
gering, so dass die anhand von Fig. 1 dargestellte vergleichsweise aufwendige
Steuerung häufig gar nicht erforderlich sein wird oder zumindest durch eine
zusätzliche übergreifende Korrektur ausgeglichen werden kann. Eine solche
übergreifende Korrektur kann nach einer vorgegebenen Zeit oder nach einer
vorgegebenen Impulszahl folgen, wobei das innerhalb dieser Zeit entsprechend der
Impulszahl zu fördernde Soll-Volumen ermittelt und mit dem aufgrund der Steue
rung sich ergebenden Ist-Volumen verglichen und im nachfolgenden Intervall oder
in den nachfolgenden Intervallen ggf. korrigiert wird. Über diese langfristige
Korrektur können Steuerungsfehler oder auch Regelabweichungen erfasst werden,
die vorgesehen sein können, um den Förderstrom möglichst vorgreifend an sich
ändernde Impulsabstände anzugleichen. Auch können sich in der Praxis Steue
rungsfehler, sei es durch Rückhübe oder sonstige Fehlhübe ergeben, die sonst nur
schwer oder nicht erfassbar sind.
In der Vielzahl der Fälle wird jedoch eine vereinfachte Steuerung gemäß dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ausreichen, bei der der Förderstrom entsprechend
der vorbeschriebenen Ausführungsvariante berechnet wird, in dem zunächst zwei
Impulse t1 und t2 abgewartet werden, der dazwischen gebildete Zeitraum Δt12
ermittelt und das pro Impuls zu fördernde Soll-Volumen Vsoll auf diesen Zeitraum
Δt12 verteilt wird, so dass sich ein Förderstrom Q23 ergibt. Im Unterschied zu der
vorbeschriebenen Ausführungsvariante wird jedoch nach Erreichen des Fördervo
lumens Vsoll nicht der Fördervorgang unterbrochen, sondern bis zum Empfang des
nächsten Impulses t3 weitergefördert, um eine kontinuierliche Zumischung sicher
zustellen. Die beim Empfang des Impulses t3 angesteuerte Fördermenge Q34 ergibt
sich aus dem pro Impuls zu fördernden Volumen Vsoll und der Zeit Δt23. Auch hier
erfolgt die Förderung bis zum Empfang des nächsten Impulses t4.
Wie sich hieraus ergibt, wird steuerungsbedingt bei dieser Ausführungsvariante bei
abnehmender Impulsfolge zu viel gefördert, während bei zunehmender Impulsfolge
zu wenig gefördert wird, da jeweils erst mit Empfang des nächsten Impulses die
voreingestellte Fördermenge korrigiert wird. Da der Hauptförderstrom in der
Praxis vergleichsweise konstant ist und die Abweichungen nach oben und unten
gleichermaßen schwanken, kann mit dieser vereinfachten Steuerung eine ver
gleichsweise genaue Dosierung erreicht werden mit dem Vorteil, dass ständig, also
lückenlos zugemischt wird. Auch hier kann eine übergeordnete Steuerung vor
gesehen sein, welche beispielsweise nach Stunden oder Tagen die empfangenen
Impulse zählt, daraus das Soll-Volumen des gesamten Dosierförderstroms ermittelt
und mit dem tatsächlich gemäß der Steuerung geförderten Dosierförderstrom
vergleicht und ggf. korrigiert. Die übergeordnete Korrektur kann vorteilhafterweise
nach wenigen Impulsen oder nach Durchführung eines oder mehrerer Pumpenhübe
durchgeführt werden. Zudem weist die Steuerung die üblichen Sicherheitsschaltun
gen auf, die beispielsweise dafür sorgen, dass bei überdurchschnittlich starken
Abweichungen im Hauptförderstrom der Dosierförderstrom angepasst wird, z. B.
gestoppt wird, wenn nach einer vorbestimmten Zeit kein weiterer Impuls emp
fangen wird.
Claims (8)
1. Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors einer Dosierpumpe, bei dem
die zu fördernde Fluidmenge durch einen externen Impulsgeber vorgegeben wird,
wobei jedem Impuls eine vorbestimmte Fördermenge zugeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand von mindestens zwei Impulsen erfasst
und der Elektromotor so angesteuert wird, dass die zu fördernde Fluidmenge unter
Zugrundelegung des vorermittelten Abstands nach einem vorgegebenen Verlauf
auf ein nachfolgendes Impulsintervall verteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche
Abstand der mindestens zwei letzten Impulse erfasst wird und dass die zu fördern
de Fluidmenge unter Zugrundelegung des vorermittelten Abstands möglichst
gleichmäßig auf das darauf folgende Impulsintervall verteilt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die sich nach dem Ansteuern von zwei oder mehr aufeinanderfol gen
den Impulsintervallen ergebende Fehlmenge ermittelt und korrigiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die sich nach dem Ansteuern von zwei aufeinanderfolgenden Im
pulsintervallen ergebende Fehlmenge ermittelt und im nachfolgenden Impuls
intervall korrigiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die zeitliche Änderung des Impulsabstands erfasst und bei der
Verteilung der zu fördernden Fluidmenge auf ein oder mehrere darauf folgende
Impulsintervalle auch in Abhängigkeit dieser Änderung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Anzahl der Impulse bzw. die zu fördernde Fluidmenge sowie die
sich aufgrund der Ansteuerung theoretisch ergebende Fördermenge oder ent
sprechende Kennwerte summiert und gespeichert werden, und dass nach einer
vorbestimmten Zeit die summierten und gespeicherten Werte der Fördermenge mit
der zu fördernden Fluidmenge verglichen werden und ggf. eine Korrektur der
Fördermenge erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Ansteuerung der Pumpenmotors erst nach Empfang von zwei
Impulsen fördernd angesteuert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Korrekturvorgang unmittelbar nach der Erfassung, vorzugsweise
in dem sich auf das Erfassungsintervall anschließende Impulsintervall erfolgt.
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