DE102004052602A1

DE102004052602A1 - Ventilanordnung

Info

Publication number: DE102004052602A1
Application number: DE200410052602
Authority: DE
Inventors: Jens Vester
Original assignee: Sauer Danfoss ApS
Current assignee: Danfoss Power Solutions ApS
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2024-10-30
Also published as: DE102004052602B4; CN1766350A; GB2422444B; US7198065B2; GB2422444A; CN100370151C; US20060090802A1; GB0521768D0

Abstract

Es wird eine Ventilanordnung (1) angegeben mit mindestens zwei Ventilmodulen (2, 4, 5), von denen jedes ein Ventilelement aufweist, dessen Position durch einen Stellantrieb (13, 13a, 13b) veränderbar ist und dem ein Positionssensor (19, 19a, 19b) zugeordnet ist, wobei eine Leitungsanordnung (24) mit den Ventilmodulen (2, 4, 5) verbunden ist, über die Steuersignale an die Ventilmodule (2, 4, 5) übertragbar sind. DOLLAR A Man möchte die Sicherheit bei einem derartigen Ventilmodul erhöhen. DOLLAR A Hierzu ist vorgesehen, daß an jedem Ventilmodul (2, 4, 5) der Stellantrieb (13, 13a, 13b) mit einer Ansteuereinrichtung (22, 22a, 22b) versehen ist, die mit dem Positionssensor (19, 19a, 19b) verbunden ist und Steuersignale für das jeweilige Ventilmodul (2, 4, 5) auswertet, daß an mindestens einem ersten Ventilmodul (5) die Ansteuereinrichtung (22b) Steuersignale für ein anderes, zweites Ventilmodul (4) zusätzlich auswertet und daß diese Ansteuereinrichtung (22b) Signale vom Positionssensor (19a) des zweiten Ventilmoduls (4) empfängt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung mit mindestens zwei Ventilmodulen, von denen jedes ein Ventilelement aufweist, dessen Position durch einen Stellantrieb veränderbar ist und dem ein Positionssensor zugeordnet ist, wobei eine Leitungsanordnung mit den Ventilmodulen verbunden ist, über die Steuersignale an die Ventilmodule übertragbar sind.

Eine derartige Ventilanordnung ist aus WO 2004/055387 A1 bekannt.

Bei Maschinen und Geräten, die hydraulische Funktionen erfüllen, sind in der Regel mehrere Verbraucher vorhanden, von denen jeder über ein Steuerventil angesteuert wird. Beispielsweise gibt es bei einem Bagger mehrere hydraulische Zylinder, die verschiedene Abschnitte eines Auslegers anheben, einen Rotationsmotor, mit dem der Oberwagen gegenüber dem Unterwagen gedreht werden kann, und gegebenenfalls eine weitere hydraulische Funktion, um einen an der Spitze des Auslegers angeordneten Greifer oder Meißel zu betätigen. Ähnliche Verhältnisse gibt es bei anderen Geräten mit hydraulischen Funktionen, beispielsweise Arbeitsbühnen, Traktoren oder landwirtschaftlichen Maschinen, etc.

Die einzelnen Steuerventile sind hierbei jeweils in einem Ventilmodul angeordnet. Die Ventilmodule sind zu einem Block oder einer batterieartigen Einheit zusammengefaßt. Dieser Block wird über einen Hochdruckanschluß mit Hydraulikflüssigkeit unter Druck versorgt. In Abhängigkeit von der Lage der Ventilelemente in jedem Steuerventil wird dann Hydraulikflüssigkeit vom Hochdruckanschluß mit einem mehr oder weniger großen Volumenstrom oder mit einem mehr oder weniger großen Druck an einen Ausgang weitergegeben. Beispielsweise können die Steuerventile als Proportionalventile ausgebildet sein, die in Abhängigkeit von der Stellung eines Ventilelements einen vorbestimmten Volumenstrom von Hydraulikflüssigkeit zum Arbeitsanschluß und damit zu einem Verbraucher strömen lassen.

Arbeitsgeräte und Maschinen, die mit hydraulischen Funktionen ausgerüstet sind, sind eine Gefahrenquelle. Dementsprechend fordert man einen relativ hohen Sicherheitsstandard. Vor allem möchte man vermeiden, daß Menschen zu Schaden kommen, wenn Fehler auftreten.

Fehler können sich beispielsweise darin äußern, daß das Ventilelement nicht so verlagert wird, wie dies durch die Steuersignale vorgegeben wird. Man kann dies zwar durch den Positionssensor kontrollieren. Auch diese Kontrolle kann aber unter Umständen fehlerhaft sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung mit hohem Sicherheitsniveau anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einer Ventilanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß an jedem Ventilmodul der Stellantrieb mit einer Ansteuereinrichtung versehen ist, die mit dem Positionssensor verbunden ist und Steuersignale für das jeweilige Ventilmodul auswertet, daß an mindestens einem ersten Ventilmodul die Ansteuereinrichtung Steuersignale für ein anderes, zweites Ventilmodul zusätzlich auswertet und daß diese Ansteuereinrichtung Signale vom Positionssensor des zweiten Ventilmoduls empfängt.

Bei dieser Ausgestaltung hat zunächst jedes Ventilmodul sozusagen eine eigene "Intelligenz", d.h. die Ansteuereinrichtung kann den Stellantrieb so betätigen, daß das Ventilelement in eine gewünschte Position verlagert wird. Diese Position kann mit Hilfe des Positionssensors dieses Ventilmoduls erfaßt werden. Es ergibt sich also in einem Ventilmodul bereits eine Kontrollmöglichkeit, bei der in einer ersten Sicherheitsstufe überprüft werden kann, ob das Ventilelement die gewünschte Position erreicht hat. Allerdings ist es, wie oben erläutert, theoretisch möglich, daß diese Überprüfung ebenfalls fehlerbehaftet ist. Man fügt also eine zweite Überprüfungsmöglichkeit hinzu, bei der ein weiteres Ventilmodul beteiligt ist. Um diese beiden Ventilmodule unterscheiden zu können, werden sie mit "erstes Ventilmodul" und "zweites Ventilmodul" bezeichnet. Wenn man also die Position des Ventilelements im zweiten Ventilmodul überprüfen möchte, dann sendet man die entsprechenden Steuersignale auch an das erste Ventilmodul. Das erste Ventilmodul "weiß" also, wo sich das Ventilelement des zweiten Ventilmoduls befinden sollte. Darüber hinaus erhält das erste Ventilmodul auch die Signale des Positionssensors des zweiten Ventilmoduls, so daß das erste Ventilmodul getrennt überprüfen kann, ob sich das Ventilelement in der richtigen Position befindet. Nur wenn diese beiden Informationspaare übereinstimmen, geht man davon aus, daß das zweite Ventilmodul fehlerfrei arbeitet.

Vorzugsweise ist zwischen der Ansteuereinrichtung des ersten Ventilmoduls und dem Positionssensor des zweiten Ventilmoduls eine eigene Leitung vorgesehen. Diese Leitung überträgt also nur die Signale des Positionssensors, nicht jedoch weitere Daten, wie Stellungssignale oder ähnliches. Man kann daher mit einer hohen Zuverlässigkeit davon ausgehen, daß die Signale, die über diese Hardware-Leitung kommen, ungestört sind.

Vorzugsweise ist die Leitung als analoge Leitung ausgebildet. Über diese Leitung wird also ein Analogsignal des Positionssensors übertragen. Damit kann man auch sicherstellen, daß bei der Umsetzung der analogen Positionssensor-Information in ein digitales Signal Fehler erkannt werden.

Auch ist von Vorteil, daß das erste Ventilmodul und das zweite Ventilmodul benachbart angeordnet sind. Wenn die beiden Ventilmodule beispielsweise zu einem Ventilblock zusammengefaßt sind, dann liegen sie aneinander an.

Dies hält die Leitungen, beispielsweise die Leitung vom Positionssensor zur Ansteuereinrichtung, kurz. Die Möglichkeit, daß hier Fehler eingestreut werden, ist gering.

Vorzugsweise sind die Ventilmodule im Hinblick auf die Verbindung zwischen der Ansteuereinrichtung des ersten Ventilmoduls und dem Positionssensor des zweiten Ventilmoduls in einer Ringstruktur angeordnet. Das erste Ventilmodul bekommt also Signale vom Positionssensor des zweiten Ventilmoduls. Das zweite Ventilmodul bekommt Signale vom Positionssensor des dritten Ventilmoduls usw. Das letzte Ventilmodul bekommt Signale vom Positionssensor des ersten Ventilmoduls. Damit ist es möglich, auf einfache Weise die Überwachung aller Ventilmodule sicherzustellen.

Vorzugsweise wertet die Ansteuereinrichtung des ersten Ventilmoduls das Signal des Positionssensors des ersten Ventilmoduls auf die gleiche Art aus wie das Signal des Positionssensors des zweiten Ventilmoduls. Dies spart zunächst einmal bei der Herstellung und Prüfung der Ventilanordnung einen gewissen Aufwand. Man muß nicht zwei Routinen entwickeln und überprüfen, sondern nur eine. Darüber hinaus wird sichergestellt, daß durch die Überprüfung selbst nicht ein zusätzlicher Fehler entstehen kann.

Bevorzugterweise ermittelt die Ansteuereinrichtung des zweiten Ventilmoduls die Position des Ventilelements des zweiten Ventilmoduls aufgrund der Signale des Positionssensors des zweiten Ventilmoduls und meldet sie an die Ansteuereinrichtung des ersten Ventilmoduls. Damit erhält die Ansteuereinrichtung des ersten Ventilmoduls drei Signale, nämlich das Auslenkungssignal, d.h. den Sollwert, und zwei Istwerte. Nur wenn diese drei Werte übereinstimmen, wird von einem fehlerfreien Zustand ausgegangen.

Vorzugsweise ist die Leitungsanordnung als Bus, insbesondere als CAN-Bus ausgebildet. Über eine Busleitung lassen sich eine Vielzahl von Ventilmodulen ansprechen, ohne daß ein zusätzlicher Verdrahtungsaufwand notwendig ist.

Vorzugsweise ist ein Abschaltventil zusätzlich zu den Ventilmodulen vorgesehen. Mit einem derartigen Abschaltventil kann die gesamte Ventilanordnung in einen sicheren Zustand geschaltet werden, so daß bei Auftreten eines Fehlers keine ungesteuerten Funktionen oder Bewegungen erfolgen können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Ventilanordnung und

2 ein dazugehöriges Sicherheitskonzept.

Eine Ventilanordnung 1 weist einen Hochdruckanschluß P, einen Niederdruckanschluß T, mehrere Steuerventilmodule 2–5 und ein Sicherheitsventil 6 auf. Jedes Ventilmodul 2–5 weist zwei Arbeitsanschlüsse A, B auf, an denen hydraulische Verbraucher angeschlossen sind. Die hydrau lischen Verbraucher können unterschiedliche Ausgestaltungen aufweisen. Es kann sich beispielsweise um einen einfach wirkenden Zylinder 7, um doppelt wirkende Zylinder 8 oder um einen Rotationsmotor 10 handeln. Natürlich können auch mehr als die vier dargestellten Ventilmodule 2–5 vorgesehen sein. Die Anzahl der Ventilmodule 2–5 richtet sich nach der Anzahl der gewünschten hydraulischen Funktionen. Im vorliegenden Fall sind alle Ventilmodule 2–5 als Proportionalventile ausgebildet, d.h. sie weisen einen Steuerschieber als Ventilelement 11 auf, der über eine Pilotdruckleitung 12 mit einem Pilotdruck versorgt wird. Der Pilotdruck aus der Pilotdruckleitung 12 wird dann über eine Magnetventilanordnung 13 so auf das Ventilelement 11 geleitet, daß das Ventilelement in die eine oder in die andere Richtung verlagert wird. In vielen Fällen handelt es sich bei dem Ventilelement 11 um einen Ventilschieber.
Das Ventilelement 11 kann auch von einer mechanischen Handhabe 14 verstellt werden, beispielsweise einem Hebel.
Die Ventilmodule 2–5 sind nicht direkt mit dem Druckanschluß P verbunden, sondern mit einer Hilfsdruckleitung 15, die durch die Ventilanordnung 1 hindurchgeführt wird. Die Hilfsdruckleitung 15 ist vom Hochdruckanschluß P durch das Sicherheitsventil 6 getrennt. Dieses Sicherheitsventil 6 weist ein Ventilelement 16 auf, das in der dargestellten Neutralstellung den Hochdruckanschluß P mit dem Niederdruckanschluß T verbindet, wobei ein Druckhalteventil 17 in dieser Verbindung angeordnet ist. In der dargestellten Neutralstellung ist also eine Verbindung vom Hochdruckanschluß P zu den Ventilmodulen 2–5 vollständig unterbrochen, d.h. es gelangt keine Hydraulikflüssigkeit unter Druck zu den Ventilmodulen 2–5. Die Verbraucher 7–10 können also nicht weiter betätigt werden. Sie können zwar unter Umständen in eine sichere Position abgelassen werden, wenn die Ventilelemente 11 der Ventilmodule 2–5 entsprechend betätigt werden. Es ist aber nicht möglich, die Verbraucher 7–10 mit Hydraulikflüssigkeit unter Druck zu versorgen.
Das Sicherheitsventil 6 muß also eingeschaltet werden können, wenn irgendwo in der Ventilanordnung 1 ein Fehler auftritt. Um eine Art eines derartigen Fehlers erfassen zu können, ist zunächst jedes Ventilmodul 2–5 mit einem Positionssensor 19 für das Ventilelement 11 versehen. Dieser Positionssensor 19 ist beispielsweise als LVDT-Transducer ausgebildet, wie er in einer Ventileinheit PVG 32 der Sauer-Danfoss ApS, Nordborg, Dänemark, verwendet wird. Die Einbindung dieses Positionssensors 19 in das Sicherheitskonzept wird nun anhand von 2 erläutert. Hier ist die Magnetventilanordnung 13 nur schematisch dargestellt.
Die Magnetventilanordnung 13, die einen Stellantrieb bildet, wird über eine Ansteuereinrichtung 22 angesteuert. Die Ansteuereinrichtung 22 weist dabei einen Mikroprozessor 23 auf, der mit einem Bus 24, beispielsweise einem CAN-Bus, über eine Schnittstelle 25 verbunden ist. Über den Bus 24 erhält jedes Ventilmodul 2–5 Steuersignale, die die Position des Ventilelements 11 angeben und die der Mikroprozessor 23 einstellen soll. Der Mikroprozessor 23 ist mit der Magnetventilanordnung 13 über einen Treiber 26 verbunden, der als ASIC ausge bildet sein kann. Der Treiber 26 meldet über eine Rückkopplung 27 sein Ergebnis an den Mikroprozessor 23 zurück, so daß der Mikroprozessor 23 eine gewisse Überwachung vornehmen kann.
Auch der Positionssensor 19 ist mit dem Treiber 26 verbunden. Darüber hinaus ist der Positionssensor 19 über einen Filter 28 mit dem Mikroprozessor 23 verbunden. Der Mikroprozessor 23 wertet das analoge, gefilterte Signal des Positionssensors 19 aus, um die Position des Ventilelements 11 zu bestimmen. Es ergibt sich also eine Überwachung, die unter Umständen auch für eine Regelung ausgenutzt werden kann. Es ist auch möglich, mit diesem Aufbau eine redundante Signalbehandlung auf Modulniveau zu realisieren.
Die anderen Ventilmodule 4, 5 weisen entsprechende Elemente auf, deren Bezugszeichen mit "a" bzw. "b" ergänzt worden sind.
Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme ist nun vorgesehen, daß der Ausgang des Filters 28a nicht nur mit dem Mikroprozessor 23a desselben Ventilmoduls 4 verbunden ist, sondern auch mit dem Mikroprozessor 23b des benachbarten Ventilmoduls 5. Hierzu ist eine getrennte Leitung 29 vorgesehen, die als Analogleitung ausgebildet ist, d.h. das Ausgangssignal des Filters 28a wird analog zum Mikroprozessor 23b des benachbarten Ventilmoduls 5 übertragen. Der Mikroprozessor 23b wertet nun dieses Ausgangssignal des Filters 28a, d.h. das Signal des Positionssensors 19a, auf genau die gleiche Weise aus, wie das Signal des eigenen Positionssensors 19b. Dies ist möglich, weil der Mikroprozessor 23b über den Bus 24 die Information über die Soll-Stellung des Ventilelements des Ventilmoduls 4 ebenfalls erhalten hat.
Das Signal des Positionssensors 19b des letzten Ventilmoduls 5 wird über eine Leitung 30 zum ersten Ventilmodul 2 zurück übertragen, so daß die Ventilmodule 2–5 sozusagen in einem Ring angeordnet sind.
Wenn der Mikroprozessor 23, 23a, 23b feststellt, daß die Position des Ventilelements 11 nicht mit der Sollvorgabe übereinstimmt, dann kann er über eine Alarmeinheit 31, 31a, 31b ein Signal auf einer SOS-Leitung 32 erzeugen, die dann einen Ventilantrieb 21 für das Sicherheitsventil 6 betätigt, um dieses Sicherheitsventil 6 in den sogenannten sicheren Zustand zu verlagern.
Die Alarmeinheit 31 kann auch einen lokalen Notschalter 32, 32a, 32b betätigen, um in einer Leitung 33 die Stromzufuhr zu unterbrechen.

Claims

Ventilanordnung mit mindestens zwei Ventilmodulen, von denen jedes ein Ventilelement aufweist, dessen Position durch einen Stellantrieb veränderbar ist und dem ein Positionssensor zugeordnet ist, wobei eine Leitungsanordnung mit den Ventilmodulen verbunden ist, über die Steuersignale an die Ventilmodule übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ventilmodul (2–5) der Stellantrieb (13) mit einer Ansteuereinrichtung (22, 22a, 22b) versehen ist, die mit dem Positionssensor (19, 19a, 19b) verbunden ist und Steuersignale für das jeweilige Ventilmodul (2–5) auswertet, daß an mindestens einem ersten Ventilmodul (5) die Ansteuereinrichtung (22b) Steuersignale für ein anderes, zweites Ventilmodul (4) zusätzlich auswertet und daß diese Ansteuereinrichtung (22b) Signale vom Positionssensor (19a) des zweiten Ventilmoduls (4) empfängt.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ansteuereinrichtung (22b) des ersten Ventilmoduls (5) und dem Positionssensor (19a) des zweiten Ventilmoduls (4) eine eigene Leitung (29, 30) vorgesehen ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (29, 30) als analoge Leitung ausgebildet ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ventilmodul (5) und das zweite Ventilmodul (4) benachbart angeordnet sind.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilmodule (2–5) im Hinblick auf die Verbindung zwischen der Ansteuereinrichtung (22, 22a, 22b) des ersten Ventilmoduls (5) und dem Positionssensor (19a) des zweiten Ventilmoduls (4) in einer Ringstruktur angeordnet sind.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinrichtung (22b) des ersten Ventilmoduls (5) das Signal des Positionssensors (19a) des ersten Ventilmoduls (4) auf die gleiche Art auswertet wie das Signal des Positionssensors (19b) des zweiten Ventilmoduls (5).
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinrichtung (22b) des zweiten Ventilmoduls (5) die Position des Ventilelements (11) des zweiten Ventilmoduls (5) aufgrund der Signale des Positionssensors (19b) des zweiten Ventilmoduls (5) ermittelt und sie an die Ansteuereinrichtung (22a) des ersten Ventilmoduls (4) meldet.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung (24) als Bus, insbesondere als CAN-Bus ausgebildet ist.
Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschaltventil (6) zusätzlich zu den Ventilmodulen (2–5) vorgesehen ist.