DE102005048646B3

DE102005048646B3 - Steuereinrichtung für wenigstens einen fluidischen Aktor

Info

Publication number: DE102005048646B3
Application number: DE200510048646
Authority: DE
Inventors: Markus Boger; Martin Fuss; Walter Suchy; Otto Dr. Szenn; Heinz Röckle; Jörg Ullmann
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-10-12
Also published as: EP1775480B1; EP2322809A8; EP2322809A3; EP1775480A2; DK1775480T3; EP1775480A3; EP2322809A1

Abstract

Es wird eine Steuereinrichtung für wenigstens einen fluidischen Aktor (10) vorgeschlagen, der über mindestens ein Ventil (18) mit einer fluidischen Druckleitung (16) verbindbar ist. Ein das Ventil (18) steuernder Ablauf-Controller (12) ist über eine drahtlose Sende- und/oder Empfangseinrichtung (13, 15) mit einer externen Steuereinheit (14) verbunden. Die Druckleitung (16) ist über ein Ladesteuerungsventil (23) mit einem einen elektrischen Generator (26) aufweisenden Luftdruckwandler zur Erzeugung von elektrischer Energie für die Spannungsversorgung aller zu versorgenden elektrischen Komponenten verbunden. Eine vom Ablauf-Controller (12) gesteuerte Ventiltreiberstufenanordnung (29) öffnet das Ladesteuerungsventil (23) bei Unterschreitung eines vorgebbaren Ladezustands des Energiespeichers (28). Hierdurch benötigt die Steuereinrichtung insgesamt nur einen pneumatischen Anschluss und keinerlei elektrische Anschlüsse.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für wenigstens einen fluidischen Aktor, der über mindestens ein Ventil mit einer fluidischen Druckleitung verbindbar ist, mit einem das Ventil steuernden Ablauf-Controller, der über eine drahtlose Sende- und/oder Empfangseinrichtung mit einer externen Steuereinheit verbunden ist, mit einen an die Druckleitung angeschlossenen Luftdruckwandler mit elektrischem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie und mit einem Energiespeicher zur Speicherung derselben und zur Spannungsversorgung aller zu versorgender elektrischer Komponenten.

Eine derartige, aus der WO 01/18405 A1 bekannte Steuereinrichtung enthält zur Energieerzeugung beispielsweise einen Luftdruckwandler mit elektrischem Generator. Diese ist ständig an die Druckleitung angeschlossen, was einen ständigen Luftverbrauch zur Folge hat, selbst wenn der Energiespeicher einen ausreichenden Speicherinhalt besitzt. Aufgrund des dauernden Betriebs wird sogar vorgeschlagen, auf den Energiespeicher ganz zu verzichten. Dessen Ladezustand hängt somit von der Arbeitsweise der übrigen Komponenten ab und ist mehr oder weniger zufällig.

Aus der DE 41 26 624 A1 ist ein einen Generator antreibender Druckluftmotor bekannt, wobei der Generator zur Aufladung eines Akkumulators dient und ein Ventil zur Steuerung der Druckluftzufuhr zum Druckluftmotor und damit zur Ladungssteuerung vorgesehen ist. Bei Unterschreitung es vorgebbaren Ladezustands wird das Ventil in seine Ladestellung geschaltet. Hierdurch wird zwar der der Luftverbrauch bei ausreichender Spannungsversorgung reduziert, jedoch ist er immer noch unerwünscht hoch.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die bekannte Steuereinrichtung so zu verbessern, dass der Luftverbrauch trotz ausreichender Spannungsversorgung minimiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung bestehen insbesondere darin, dass der Luftdruckwandler für das Ladesteuerungsventil nur dann eingeschaltet wird, wenn dies für die Energieversorgung erforderlich ist. In der übrigen Zeit, also bei ausreichendem Ladezustand des Energiespeichers, ist der Luftdruckwandler abgeschaltet, und es tritt kein Luftverbrauch auf. Durch die Ladesteuerungseinrichtung kann der Ladezustand des Energiespeichers komplett erfasst werden. Die gesamte Steuereinrichtung besitzt den weiteren besonderen Vorteil, dass sie lediglich an eine fluidische Leitung angeschlossen werden muss. Sämtliche elektrischen Versorgungs- und Steuerleitungen können entfallen. Sie eignet sich daher vor allem für den Einsatz in räumlich weit verteilten Systemen, beispielsweise Prozessanlagen, bei denen enorme Installationskosten eingespart werden können.

Eine besonders günstige Energiebilanz und ein besonders geringer Luftverbrauch für die Energieerzeugung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine von der Ventiltreiberstufenanordnung gesteuerte, Aktorabluft über den Luftdruckwandler führende Ventilanordnung vorgesehen ist. Fluidische Aktoren müssen betriebsbedingt immer wieder entlüftet werden. Vorteilhafterweise wird diese ansonsten für die Energiebilanz nicht verwertbare Abluft über den Luftdruckwandler geführt und trägt positiv zur Energiebilanz, nämlich zur Aufladung des Energiespeichers, bei. Dadurch muss diese weniger oft durch die fluidische Druckleitung eingeschaltet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Steuereinrichtung möglich.

In vorteilhafter Weise kann das Ladesteuerungsventil einen Teil dieser Ventilanordnung bilden und so zur Verringerung der Zahl der Gesamtkomponenten beitragen.

Als günstig hat sich auch wenigstens ein mit externen Sensoren verbindbares Sensor-Interface am Ablauf-Controller erwiesen. Hierdurch können beispielsweise an den Aktoren angeordnete Sensoren ausgewertet werden, ohne dass Spannungsversorgungsleitungen von externen Einrichtungen erforderlich wären.

Zweckmäßigerweise ist ein an die Druckleitung angeschlossener Drucksensor mit dem Ablauf-Controller verbunden, um den Versorgungsdruck überwachen zu können und um geeignete Maßnahmen ergreifen zu können, wenn dieser sich außerhalb eines korrekten Bereichs bewegt.

Die Energiebilanz kann noch zusätzlich dadurch verbessert werden, dass ein Solarzellengenerator und/oder ein Windgenerator zusätzlich zur Ladung des Energiespeichers vorgesehen sind.

Der Energiespeicher ist zweckmäßigerweise als elektrische Batterie, insbesondere als Akkumulator, oder als Kondensatoranordnung ausgebildet.

Als drahtlose Sende- und/oder Empfangseinrichtung eignet sich insbesondere eine Infrarot- und/oder Funkeinrichtung.

Die gesamte Steuereinrichtung mit sämtlichen Komponenten kann in vorteilhafter Weise als kompakte Einheit ausgebildet sein, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der weiteren Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung als Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die im Folgenden beschriebene Steuereinrichtung für wenigstens einen fluidischen Aktor 10 ist als kompakte Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse 11 untergebracht, wobei Variationen auch in mehrere Einheiten unterteilt sein können. Im Ausführungsbeispiel ist ein einziger Aktor dargestellt, beispielsweise ein Linearantrieb, ein pneumatischer Greifer, ein Arbeitszylinder oder dergleichen, wobei auch mehrere gleiche oder unterschiedliche Aktoren angesteuert werden können. Hierzu müssen eine entsprechende Zahl und Ausgestaltung von Steuerventilen in der Steuereinrichtung vorgesehen sein. Es ist auch möglich, die Steuereinrichtung zusammen mit einem Aktor integral in einem Gehäuse anzuordnen.
Zur elektronischen Steuerung des Aktors 10 dient ein Ablauf-Controller 12, der mindestens einen Mikroprozessor oder eine Verknüpfungslogik enthält. Eine als Sende- und Empfangseinrichtung ausgebildete Funkeinrichtung 13 dient zur drahtlosen Datenübertragung von und zu einer externen Steuereinheit 14, bei der es sich beispielsweise um eine Zentralsteuerung für mehrere solcher Steuereinrichtungen handeln kann. Von dieser Steuereinheit 14 werden Steuersignale an den Ablauf-Controller 12 übermittelt, wobei in umgekehrter Richtung Sendesignale an die externe Steuereinheit 14 gesendet werden. Der Ablauf-Controller 12 kann selbst ein Ablaufprogramm enthalten, durch das bestimmte Funktionen und Abläufe im Aktor 10 unabhängig gesteuert werden können. Es bleibt der jeweiligen Konzeption vorbehalten, welche und wie viele Funktionen der Ablauf-Controller 12 selbstständig ausführen kann und welche und wie viele Funktionen seitens der externen Steuereinheit 14 gesteuert werden.
Als weitere drahtlose Kommunikationseinrichtung ist noch eine Infraroteinrichtung 15 mit dem Ablauf-Controller 12 verbunden, über die alternativ oder zusätzlich eine Kommunikation mit externen Geräten, beispielsweise auch mit einer externen Steuereinheit, durchgeführt werden kann. In einer einfacheren Ausführung kann diese Infraroteinrichtung 15 auch entfallen.
Die Steuereinrichtung ist an eine fluidische Druckleitung 16 angeschlossen, an der ständig ein Arbeitsdruck P einer externen Druckquelle anliegt. Diese Druckleitung 16 verläuft über ein Eingangsventil 17 und ein Arbeitsventil 18 im Gehäuse 11 bis zum Aktor 10. Ein an die Druckleitung 16 angeschlossener Drucksensor 19 ist mit dem Ablauf-Controller 12 verbunden und überträgt die gemessenen Druckwerte an diesen. Weiterhin sind externe Sensoren 20, 21 über ein Sensor-Interface 22 mit dem Ablauf-Controller 12 verbunden, um diesem beispielsweise Sensordaten des Aktors 10 oder sonstige externe Sensordaten zu übermitteln. Solche Sensordaten sind beispielsweise Druckdaten, Temperaturdaten, Positionsdaten oder dergleichen. Alle Sensordaten können vom Ablauf-Controller 12 aus über die Funkeinrichtung 13 der externen Steuereinheit 14 übermittelt werden.
Die Druckleitung 16 ist weiterhin nach dem Eingangsventil 17 über ein Ladesteuerungsventil 23 und einen Luftdruckwandler 24 mit einem Fluidausgang 25 verbunden. Der Luftdruckwandler 24 treibt einen elektrischen Generator 26 an, dessen erzeugte Spannung über eine Ladesteuerungseinrichtung 27 zur Aufladung einer elektrischen Speicherbatterie 28 dient. Die Ladesteuerungseinrichtung 27 meldet den jeweiligen Ladezustand der Speicherbatterie 28 dem Ablauf-Controller 12, der dann jeweils nach Bedarf, also bei zu niedrigem Ladezustand, über eine Ventiltreiberstufenanordnung 29 das Ladesteuerungsventil 23 öffnet und dadurch den Luftdruckwandler 24 und den elektrischen Generator 26 zur Aufladung der Speicherbatterie 28 in Betrieb setzt. Nach Erreichen des jeweils vorgesehenen korrekten Ladezustands wird dann das Ladesteuerungsventil 23 wieder geschlossen. Über die Ladesteuerungseinrichtung 27 werden alle elektrischen und elektronischen Komponenten der Steuereinrichtung mit der erforderlichen Versorgungsspannung versorgt. Hierzu enthält die Ladesteuerungseinrichtung 27 einen Spannungsumsetzer, der die Spannung der Speicherbatterie 28 in die jeweils erforderliche Versorgungsspannung umsetzt, die eine stabilisierte Spannung sein sollte.
Der Luftdruckwandler 24 kann z.B. als Mikroturbine oder Lamellenmotor ausgebildet sein, wobei Lamellenmotoren beispielsweise unter der Bezeichnung Globe Lamellenmotor im Handel erhältlich sind. Im Übrigen kann für die Kombination Luftdruckmotor-Generator jedes bekannte System im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden, durch das Luftdruckenergie in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Dabei können außer rotierenden Generatoren auch nicht-rotierende elektrische Generatoren eingesetzt werden, z.B. Piezo-Generatoren.
Das Eingangsventil 17 und das Arbeitsventil 18 werden ebenfalls vom Ablauf-Controller 12 über die Ventiltreiberstufen anordnung 29 gesteuert. Das Eingangsventil 17 ist im Normalzustand geöffnet. Bei einer Entlüftung des Aktors 10 wird das ausströmende Fluid zusätzlich zum Betrieb des Luftdruckwandlers 24 beziehungsweise des elektrischen Generators 26 und damit zur Aufladung der Speicherbatterie 28 verwendet. Hierzu werden das Arbeitsventil 18 und das Ladesteuerungsventil 23 geöffnet und das Eingangsventil 17 geschlossen. Dadurch kann das vom Aktor 10 umströmte Fluid über den Luftdruckwandler 24 zum Fluidausgang 25 geführt werden.
Alternativ hierzu kann auch das Arbeitsventil 18 als Mehrwegeventil ausgebildet sein und einen Fluidauslass für das vom Aktor 10 abgegebene Fluid besitzen. Dieser Fluidauslass kann dann direkt mit dem Eingang des Luftdruckwandlers 24 verbunden werden. In diesem Falle kann das Eingangsventil 17 entfallen, und das Ladesteuerungsventil 23 ist während der Rückströmung des Fluids vom Aktor 10 geschlossen. Die Ausführung des Arbeitsventils 18 hängt nicht zuletzt auch von den Steuerungserfordernissen für den Aktor 10 ab, das heißt, wie viele Steuerungswege das Arbeitsventil 18 besitzen muss. Anstelle eines Arbeitsventils können selbstverständlich auch mehrere Arbeitsventile vorgesehen sein, insbesondere auch für den Fall, dass mehrere Aktoren 10 angeschlossen sind. Als Ventile eignen sich vor allem Impulsventile.
Die Ladesteuerungseinrichtung 27 kann auch im Ablauf-Controller 12 mitintegriert sein. Alternativ hierzu kann auch eine Auftrennung der Ladesteuerungseinrichtung 27 in ein Modul zur eigentlichen Ladesteuerung und in ein Modul zur Spannungsversorgung vorgesehen sein.
Zur zusätzlichen Energieerzeugung können auch noch ein Solarzellengenerator 30 und/oder ein Windgenerator 31 vorgesehen sein. Dies hängt von den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten ab, also ob die Steuereinrichtung an einer Stelle positioniert ist, die einen ausreichenden Lichteinfall gewährleistet, oder an einer Stelle, an der ausreichender Wind auftritt, also beispielsweise bei einer Anwendung im Freien.
Falls die Steuereinrichtung in einem explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt wird, so müssen die eingesetzten Einheiten explosionsgeschützt ausgeführt werden, wobei beispielsweise das Gehäuse entweder druckfest oder überdruckgekapselt ausgeführt werden müsste.
Anstelle einer elektrischen Speicherbatterie 28 oder eines sonstigen elektrischen Akkumulators kann beispielsweise auch ein kapazitives Element bzw. eine Kondensatoranordnung als Energiespeicher eingesetzt werden, wozu sich z.B. wenigstens ein Goldcap- oder Ultracap-Element besonders eignet.

Claims

Steuereinrichtung für wenigstens einen fluidischen Aktor, der über mindestens ein Ventil mit einer fluidischen Druckleitung verbindbar ist, mit einem das Ventil steuernden Ablauf-Controller, der über eine drahtlose Sende- und/oder Empfangseinrichtung mit einer externen Steuereinheit verbunden ist, mit einem an die Druckleitung angeschlossenen Luftdruckwandler mit elektrischem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie und mit einem Energiespeicher zur Speicherung derselben und zur Spannungsversorgung aller zu versorgender elektrischer Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdruckwandler (24) über ein Ladesteuerungsventil (23) mit der Druckleitung (16) verbunden ist, dass eine Ladesteuerungseinrichtung (27) für den Energiespeicher (28) vorgesehen ist, dass eine vom Ablauf-Controller (12) gesteuerte Ventiltreiberstufenanordnung (29) zur Öffnung des Ladesteuerungsventils (23) bei Unterschreitung eines vorgebbaren Ladezustands des Energiespeichers (28) mit diesem Ladesteuerungsventil (23) verbunden ist, und dass eine von der Ventiltreiberstufenanordnung (29) gesteuerte, Aktorabluft über den Luftdruckwandler (24) führende Ventilanordnung (17, 18, 23) vorgesehen ist.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladesteuerungsventil (23) Teil dieser Ventilanordnung ist.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit wenigstens einem externen Sensor (20, 21) verbindbares Sensor-Interface (22) am Ablauf-Controller (12) angeordnet ist.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein an die Druckleitung (16) angeschlossener Drucksensor (19) mit dem Ablauf-Controller (12) verbunden ist.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Solarzellengenerator (30) und/oder ein Windgenerator (31) zusätzlich zur Ladung des Energiespeichers (28) vorgesehen sind.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (28) als elektrische Batterie, insbesondere als Akkumulator, oder als Kondensatoranordnung ausgebildet ist.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Sende- und/oder Empfangseinrichtung (13, 15) als Infrarot- und/oder Funkeinrichtung ausgebildet ist.
Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als kompakte Einheit ausgebildet ist und insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse (11) angeordnet ist.