DE10033995A1 - Verfahren zum Steuern einer elektromotorisch angetriebenen Dosierpumpe - Google Patents

Abstract

Das Verfahren dient zum Steuern einer elektromotorisch angetriebenen Dosierpumpe. Die zu fördernde Fluidmenge wird bei der Pumpe entweder durch externe Ansteuerung oder durch Voreinstellung vorgegeben. Der Elektromotor der Pumpe wird entsprechend diesen Vorgaben angesteuert. Nach einer vorgegebenen Betriebszeit wird die sich aufgrund der Pumpensteuerung innerhalb dieser Betriebszeit theoretisch ergebende geförderte Fluidmenge ermittelt und mit einer aus den Vorgaben ermittelten Sollfördermenge verglichen. In Abhängigkeit der sich daraus ergebenden Differenz wird die Pumpe korrigierend angesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer elektromotorisch an­ getriebenen Dosierpumpe gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe­ nen Merkmalen.

Elektromotorisch angetriebene Dosierpumpen arbeiten üblicherweise mit einer Kolben- oder Membranpumpe, wobei die an der Motorwelle anstehende rotatori­ sche Bewegung ggf. unter Zwischenschaltung eines Getriebes über einen Kurbel­ trieb oder einen Exzentertrieb in die zum Antrieb der Pumpe erforderliche trans­ latorische Bewegung umgesetzt wird.

Eine Dosierpumpe dieser Bauart ist beispielsweise durch den Typ LEWA LAB K3/K5 der LEWA Herbert Ott GmbH & Co. in Leonberg bekannt. Eine Dosier­ pumpe ähnlicher Bauart ist auch aus DE 196 23 537 A1 bekannt. Diese Pumpe wird mit einem Schrittmotor angetrieben, wobei mittels eines Mikroprozessors anhand der Rotorstellung die Kolbenlage und damit das aufgrund der Steuerung sich zumindest theoretisch ergebende Fördervolumen programmiert bzw. ermittelt werden kann.

Zwar lassen sich mit derartigen digitalen Steuerungen die zu fördernden Fluidmen­ gen sehr genau einstellen, doch können die theoretisch erreichbaren Werte aus mechanischen oder auch anderen technischen Gründen nicht immer umgesetzt werden. So sind z. B. in den Steuerungen gewisse Regelalgorithmen integriert, die dafür sorgen, dass keine Kavitation auftritt und dass die Kolben- bzw. Membranbeschleunigung der Pumpe im zulässigen Bereich liegt. Wegen der Massenträgheit des Motors können insbesondere bei Änderungen der zu fördernden Fluidmenge nicht sprungartig umgesetzt werden. Der Motor benötigt eine gewisse Zeit (Be­ schleunigungszeit), um diese höhere Geschwindigkeit zu erreichen. Ebenso wird im umgekehrten Fall eine gewisse Zeit zum Abbremsen (Bremszeit) benötigt. Dies kann dazu führen, dass trotz einer an sich hochpräzisen Steuerung die tatsächlich geförderte Fluidmenge selbst unter Zugrundelegung der sich aufgrund der Steue­ rung theoretisch ergebenden Fördermenge von der Sollfördermenge abweicht. Darüber hinaus liegt bei der Geschwindigkeitssteuerung eine Fehlerquelle vor, die dadurch bedingt ist, dass beispielsweise bei einem Schrittmotorantrieb nur zwi­ schen einer bestimmten Anzahl von vorgegebenen Geschwindigkeitswerten gewählt werden kann, d. h. dass der exakte Wert nicht einstellbar ist.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Steuern einer solchen Dosierpumpe zu schaffen, bei dem ohne großen mess- und regeltechnischen Aufwand solche systembedingten Fehler in der Fördermenge vermieden oder zumindest vermindert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, die sich aufgrund der Pumpen­ steuerung während einer bestimmten Betriebszeit sich ergebende Fördermenge (theoretische Fördermenge) mit der Sollfördermenge, die sich aus den Vorgaben durch eine externe Ansteuerung oder durch Voreinstellung an der Pumpe ergeben, verglichen wird, wobei in Abhängigkeit der sich daraus ergebenden Differenz die Ansteuerung der Pumpe korrigierend geändert wird. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren kann sowohl für eine vergleichsweise kurze Betriebszeit, wie beispielsweise die Zeit eines Hubs der Pumpe, als auch für lange Betriebszeiten, wie beispielsweise Stunden oder Tage zur Korrektur des Förderstroms eingesetzt werden. Bevorzugt erfolgt der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch in kurzen Betriebszeitintervallen, damit eine möglichst schnelle Korrektur der Fehler erfolgt.

Um die theoretische Fördermenge ohne aufwändige Sensorik bestimmen zu können, ist es zweckmäßig, diese anhand der erfolgten Motorumdrehungen oder Pumpenhübe innerhalb der vorgegebenen Betriebszeit zu ermitteln. Die entspre­ chende Sensorik steht regelmäßig zur Verfügung, da Dosierpumpen dieser Bauart, die mit einem Schrittmotor oder auch anderem Motor arbeiten, mindestens einen Sensor zur Lagebestimmung des Pumpenkörpers (Kolben, Membran oder derglei­ chen) oder einer bestimmten Stellung der Motorwelle aufweisen, um einen de­ finierten Anfangs- bzw. Betriebspunkt anfahren zu können. Das Signal dieses Sensors wird zweckmäßigerweise zur Ermittlung der theoretischen Fördermenge herangezogen. Es steht in der üblicherweise digitalen Steuerung zur Verfügung und bedarf nur einer entsprechenden Verknüpfung.

Je nach Einsatzbereich der Dosierpumpe kann für die korrigierende Ansteuerung der Pumpe ein Mindestwert eingegeben werden, so dass eine solche korrigierende Ansteuerung nur in technisch vernünftigem Rahmen erfolgt, also dort, wo es spürbaren/messbaren Einfluss auf das Mischungsverhältnis oder die Qualität eines Produktes hat. Dies kann jedoch auch sinnvoll sein, um möglicherweise auf­ tretende Schwingungen der Steuerung auszuschalten.

Dosierpumpen der vorgenannten Art besitzen üblicherweise mindestens einen Signaleingang für eine externe Ansteuerung, die entweder digital in Form von Impulsen oder analog in Form einer Spannung oder eines Stromes erfolgt. Wenn die Steuerung digital, d. h. mittels Impulsen erfolgt, so dass jedem Impuls eine vorbestimmte Fördermenge zugeordnet ist, dann ist es zweckmäßig, dass eine vorgegebene Betriebszeit, nach der ein Vergleich zwischen theoretischer Förder­ menge und Sollfördermenge erfolgt, nicht konstant, sondern durch eine bestimmte Anzahl von Impulsen festgelegt ist. Hierdurch wird insbesondere berücksichtigt, wenn die Sollfördermenge kurzfristig stark ansteigt oder fällt, was regelmäßig zu einer korrigierenden Pumpenansteuerung führt.

Die korrigierende Ansteuerung sollte zweckmäßigerweise möglichst kurzfristig nach der Feststellung der Differenz erfolgen, um diese möglichst schnell wieder auszugleichen. Andererseits kann es bei langen vorgegebenen Betriebszeiten zu vergleichsweise großen Abweichungen kommen, so dass die sich ergebende Differenz zweckmäßigerweise nicht sofort, sondern ebenfalls über einen längeren Zeitraum ausgeglichen wird. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die die Differenz ausgleichende Ansteuerung des Motors über einen Zeitraum zu verteilen, der etwa einem Fünftel bis einem Hundertstel der vorgegebenen Betriebszeit entspricht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Korrekturverfahren nach jedem vollen Pumpenhub durchgeführt wird, da dann eine sehr schnelle Korrektur erfolgt.

Um zu verhindern, dass die Dosierpumpe aufgrund des Steuerungsverfahrens Fördermengen erzeugt, die für das System, in das sie eingebunden ist, unzulässig hoch sind, ist es zweckmäßig, eine maximale Sollfördermenge vorzugeben, die unter dieser zulässigen Fördermenge liegt. Darüber hinaus kann es auch erforder­ lich sein, den maximalen Förderdruck der Pumpe zu begrenzen. Beides erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, dass das Leistungsfeld der Pumpe durch entspre­ chende Voreinstellung begrenzt wird. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass eine Dosierpumpe auch zum Zumischen kleiner Mengen eingesetzt werden kann, die maschinenmäßig auch für wesentlich größere Mengen ausgelegt ist, ohne die Sicherheit der Anlage, in die sie eingebunden ist, zu gefährden.

Da das erfindungsgemäße Verfahren in der Regel ohne aufwändige Sensorik auskommt, ist es zweckmäßig, zur Erhöhung der Genauigkeit vorab eine Kalibrie­ rung vorzunehmen, indem die theoretische Fördermenge mit der Ist-Fördermenge verglichen wird und eine dies berücksichtigende Einstellung in der Pumpens­ teuerung durchgeführt wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Diagramm, bei dem anhand von zwei aufeinanderfol­ genden vorgegebenen Betriebszeiten die Erfassung der Differenz und die nachfol­ gende korrigierende Ansteuerung der Pumpe dargestellt ist. In dem Diagramm ist in durchgezogener Linie 1 die Sollfördermenge in Abhängigkeit der Zeit und in unterbrochener Linie 2 die sich aufgrund der Pumpensteuerung innerhalb der vorgegebenen Betriebszeit ergebende geförderte Fluidmenge (theoretische Förder­ menge) dargestellt.

Die beispielsweise von einem externen Geber vorgegebene Sollfördermenge liegt in dem Ausführungsbeispiel von der Zeit t₀ bis t₁ bei etwa 20% der maximalen Fördermenge. Im Zeitpunkt t₁ wird von der externen Steuerung die Sollfördermen­ ge sprunghaft von 20% auf 80% erhöht. Einen solch sprunghaften Anstieg der Fördermenge kann die Dosierpumpe systembedingt nicht durchführen. Der Motor wird daher so angesteuert, dass er stetig von t₁ bis t₂ seine Drehzahl steigert bzw. die zeitlichen Abstände seines Stillstands (beim Schrittmotor) soweit verkürzt, dass die Pumpe 80% der Maximalleistung fördert. Hieraus ergibt sich eine Diffe­ renz zwischen der Sollfördermenge 1 und der sich aufgrund der Steuerung er­ gebenden theoretischen Fördermenge 2, die im Diagramm durch eine schraffierte Fläche 3 dargestellt ist. Dabei ist der zwischen t₁ und t₂ schräge Verlauf der Kurve 2 durch die Pumpensteuerung vorgegeben, welche den Motor entsprechend ans­ teuert und deren Daten steuerungsseitig zur Verfügung stehen. Es kann also anhand dieser Daten die Differenz ermittelt werden, die durch die Fläche 3 gekennzeichnet ist und die sich allein aus den Abweichungen zwischen der tatsächlichen Moto­ ransteuerung und der sich daraus ergebenden theoretischen Fördermenge 2 und der Sollfördermenge 1 ergibt. Nicht enthalten hierin sind natürlich Strömungsverluste, Ventilverluste oder dergleichen, die nur messtechnisch erfasst werden könnten.

Diese Verluste sind durch einen zuvor durchzuführenden Kalibriervorgang erfass­ bar und durch entsprechende Einstellung in der Pumpensteuerung korrigierbar.

Die in diesem Fall gewählte vorgegebene Betriebszeit T, nach der jeweils eine Überprüfung dieser Differenz erfolgt, umfasst den Zeitraum von t₀ bis t₃, also im vorliegenden Ausführungsbeispiel genau den Zeitraum, in dem die Änderung der Sollfördermenge 1 und die Anpassung der Pumpe an diese geänderte Vorgabe erfolgt.

Nachdem in der Steuerung die während der Betriebszeit T₁ erfolgte Fehlmenge 3 ermittelt worden ist, wird im darauf folgenden Betriebszeitintervall T₂ eine ent­ sprechend korrigierende Ansteuerung des Motors der Pumpe vorgenommen, die im Diagramm durch die Fläche 4 gekennzeichnet ist. Ausgehend vom Zeitpunkt t₃ wird der Motor nun über die bisherige Sollfördermenge 1 hinaus angesteuert, und zwar solange, bis die Differenz ausgeglichen ist, d. h. bis die Flächen 3 und 4 betragsmäßig übereinstimmen. Dann, zum Zeitpunkt t₄, wird der Elektromotor wieder auf die Soll-Förderhöhe von 80% angesteuert. Zum Zeitpunkt t₅, wenn das zweite Betriebszeitintervall T₂ abgelaufen ist, erfolgt wiederum ein Vergleich zwischen der Sollfördermenge 1 und der sich innerhalb dieser Betriebszeit T₂ aufgrund der Pumpensteuerung ergebenden geförderten Fluidmenge 2, wobei das diesem Intervall T₂ zu viel geförderte Fluid 4 als Ausgleich für das Betriebszeit­ intervall T₁ Berücksichtigung findet, so dass nach Ablauf des Betriebszeitintervalls T₂ keine erneute Korrektur erfolgt.

Entsprechende Fehler (wie vorbeschrieben) ergeben sich bei schrittmotoran­ getriebenen Pumpen dadurch, dass nur eine begrenzte Anzahl von Geschwindig­ keiten zur Verfügung steht. Die Korrektur erfolgt in analoger Weise zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Claims (8)

1. Verfahren zum Steuern einer elektromotorisch angetriebenen Dosierpumpe, bei dem die zu fördernde Fluidmenge (1) durch externe Ansteuerung oder durch Voreinstellung vorgegeben wird, wobei der Elektromotor entsprechend dieser Vorgaben angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorgegebenen Betriebszeit T eine sich aufgrund der Pumpensteuerung innerhalb dieser Betriebs­ zeit ergebende geförderte Fluidmenge (theoretische Fördermenge) (2) ermittelt und mit einer aus den Vorgaben ermittelten Sollfördermenge (1) verglichen wird, wobei in Abhängigkeit der sich daraus ergebenden Differenz (3) die Ansteuerung der Pumpe korrigierend geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die theoretische Fördermenge (2) anhand der in dieser Betriebszeit erfolgten Motorumdrehungen oder Pumpenhübe ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die korrigierende Ansteuerung der Pumpe nur dann erfolgt, wenn die ermittelte Differenz (3) einen vorgegebenen Wert übersteigt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die externe Ansteuerung mittels Impulsen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die vor­ gegebene Betriebszeit durch eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen festgelegt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass es nach jedem vollen Pumpenhub durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die die Differenz (3) ausgleichende Ansteuerung des Motors der Pumpe über einen Zeitraum verteilt erfolgt, der etwa einem Fünftel bis einem Hundertstel der vorgegebenen Betriebszeit (T) entspricht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine maximale Sollfördermenge vorgegeben wird, vorzugsweise das Leistungsfeld der Pumpe durch Voreinstellung begrenzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die theoretische Fördermenge durch Ermittlung der Ist-Fördermenge kalibriert wird.