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Die
Erfindung betrifft eine Verfahren zur Optimierung von Ladezyklen
an Speicherladesystemen mit mindestens einer Druckversorgungsquelle,
einem Hydrospeicher und einem hydraulischen Verbraucher mit wiederkehrenden
Arbeitszyklen, und mit einer Maschinensteuerung.
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Durch
die nachveröffentlichte
DE 10 2005 052 640 ist
ein Verfahren zur Online-Überwachung des
Speichervorfülldruckes
P0 in Hydrospeichern von Fluidsystemen unter Einsatz eines Mengenreglers
mit konstant einstellbarer Durchflußmenge und eines Betätigungsventils
mit einer vorgebbaren Schaltzeit zum Ermitteln eines Differenzvolumens und
mit einem Drucksensor zum Ermitteln von Druckwerten vor und nach
einer Fluidentnahme bei einem Hydrospeicher bekannt, von dessen
Speichervolumen V0 bei fluidleerem Hydrospeicher ausgehend der Speichervorfülldruck
P0 errechnet wird. Mit dieser Lösung
läßt sich
in kostengünstiger
Weise und sehr genau der Speichervorfülldruck bei Hydrospeichern
in Speicherladesystemen ermitteln; allein gibt das dahingehende
Verfahren einem Fachmann keinen Hinweis, wie eine Optimierung von
Ladezyklen in Speicherladesystemen der genannten Art durchzuführen ist.
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Ausgehend
hiervon liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Optimierung von Ladezyklen in Speicherladesystemen zu schaffen,
das mit wenig Baukomponenten und mithin kostengünstig einen sparsamen energiegünstigen Betrieb
ermöglicht.
Eine dahingehende Aufgabe löst ein
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
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Dadurch,
dass gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 mittels der Maschinensteuerung die notwendige
Bedarfsmenge für
den hydraulischen Verbraucher erfaßt wird, und dass anhand von
vorgebbaren Optimierungsparametern für das Speicherladesystem die
Maschinensteuerung die Druckversorgungsquelle derart ansteuert,
dass mit einem reduzieren Energieaufwand die jeweilige Bedarfsmenge
für den
hydraulischen Verbraucher zur Verfügung gestellt wird, ist eine
energetische Optimierung erreicht, die versucht, den Druck im Hydrospeicher
möglichst
nahe an einem Minimum zu regeln, um damit das Delta-P zum benötigten Minimaldruck
für den
hydraulischen Verbraucher zu minimieren.
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Man
hat also dabei zum Ziel, dafür
zu sorgen, dass für
einen hydraulischen Verbraucher mit wiederkehrenden Arbeitszyklen,
beispielsweise in Form einer Arbeitsmaschine mit hydraulisch wirkenden
Stellmitteln, wie Arbeitszylindern, die sich im Speicherladezyklus
entsprechend abbilden, eine Optimierung im Hinblick auf das energetische
Minimum und eine möglichst
geringe Einschalthäufigkeit
von einer Druckversorgungsquelle, regelmäßig in Form einer Hydropumpe
oder einem ansteuerbaren Bypassventil, zum Zuschalten der Druckversorgungsquelle
zu erreichen. Die Optimierung der Pumpen- oder Ventileinschalthäufigkeit
bzw. deren Dauer vermindert auch den Verschleiß und senkt das Geräuschniveau
des hydraulischen Verbrauchers.
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Vorzugsweise
ist eine adaptive Online-Optimierung von Speicherladezyklen in Speichersystemen
von zyklisch arbeitenden Maschinen angestrebt, so dass bei einem
oder mehreren zusammengefaßten
Arbeitszyklen der Maschine eine Nachoptimierung im Sinne immer verbesserter
Energieeinsparwerte erfolgt.
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Im
folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren
anhand eines Ausführungsbeispiels
nach der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
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1 in
der Art eines Schaltplanes das Speicherladesystem als Ganzes;
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2 bis 5 in
einzelnen Zyklen den zu beschreitenden Weg für die angestrebte Optimierung und
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6 bis 10 in
einzelnen Zyklen den zu beschreitenden Weg für die angestrebte Speicheroptimierung.
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Das
Schaltbild nach der 1 zeigt ein gängiges Speicherladesystem
als Ganzes mit einer Druckversorgungsquelle 10 in Form
einer Hydropumpe. Die Hydropumpe entnimmt Fluid, insbesondere Hydraulikmedium,
aus einem Tank T und wird von einem Motor 12 mit konstanter
Drehzahl bei Bedarf angetrieben. Die Hydropumpe liefert mithin eine
konstante Fluidfördermenge,
die mittels eines Bypassventils 14, beispielsweise in Form
eines 2/2-Wege-Ventils, zumindest partiell an den Tank T zurückgebbar
ist, um dergestalt nur die Einspeisung derjenigen Fluidmenge über die
Hydropumpe zuzulassen, die für
den Betrieb eines hydraulischen Verbrauchers 16 und/oder
eines Hydrospeichers 18 üblicher Bauart notwendig ist.
Um ein ungewolltes Rückströmen an Fluid
von der Anschlußseite
zur Hydropumpe zu vermeiden, ist insoweit ein Rückschlagventil 20 in
die mögliche
Rückströmleitung
geschaltet und im übrigen
ist über
ein Druckbegrenzungsventil 22, das ausgangsseitig zum Tank
T führt,
das Überschreiten
einer maximalen Druckhöhe,
die gegebenenfalls schädlich
für den
hydraulischer Kreis wäre,
vermieden.
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Des
weiteren weist das Speicherladesystem eine als Ganzes mit 24 bezeichnete
Maschinensteuerung auf, die für
den späteren
Ablauf der gewünschten
Optimierungszyklen verantwortlich ist. Der hydraulische Verbraucher 16 stellt
eine übliche
Arbeitsmaschine dar, beispielsweise in Form einer Kunststoff-Spritzgießmaschine,
deren Formwerkzeug mittels eines hydraulischen Stellmittels 26 in
Form eines üblichen
Arbeitszylinders betätigbar
ist. Zur Ansteuerung der dahingehenden Arbeitsmaschine als hydraulischer
Verbraucher 16 ist in den hydraulischen Versorgungskreis
ein Ventil 28 geschaltet, beispielsweise in Form eines
4/3-Wege- oder Schaltventils. Dank des Ventils 28 läßt sich
die Fluidversorgung gemäß der gezeigten
Schaltstellung zum hydraulischen Verbraucher 16 unterbinden
oder der federbelastete Kolben 30 des Arbeitszylinders
kann in einer zurückgefahrenen
Lage gebracht oder kraft- und druckunterstützt in die gezeigte vordere
Arbeitsposition verfahren werden.
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Zum
Ansteuern des Ventils 28 findet eine Zykluszeitüberwachung
mittels eines Zeitmessers 32 statt und entsprechend gepulste
Steuersignale 34, die in 1 symbolhaft
wiedergegeben sind, werden an die Magneteinrichtung des Ventils 28 weitergeleitet,
und im übrigen
in Umkehrrichtung von der Maschinensteuerung 24 der Systemzustand
des Ventils 28 erfaßt,
der dergestalt Rückschlüsse über den
jeweiligen Betätigungszustand
für den
hydraulischen Verbraucher 16 zuläßt. In eine Speicher- oder
Datenbankeinrichtung 36 werden darüber hinaus mittels Sensoren 38 und 40 die
Druck- bzw. Temperaturwerte, die einschlägig sind, erfaßt. Eine
weitere Speicher- oder Datenbankerfassungseinrichtung 42 kann auf
seiten der Maschinensteuerung vorhanden sein, um dergestalt es der
Maschinensteuerung 24 zu ermöglichen, das Bypassventil 14 zur
Ansteuerung der Druckversorgungsquelle 10 anzusteuern sowie
Meß- und
Abgleichsdaten von der Hydraulikversorgungsseite sowie von der Maschinenseite
zu erhalten unter Einbezug von weiteren Erhebungsdaten, wie Temperatur,
Druck, Zykluszeit etc.. Ein entsprechend nicht näher aufgezeigter Rechen- oder
Regelalgorythmus 44 dient der Angleichung und dem Betrieb
der miteinander in Verbindung stehenden Rechner- und Speichersystemen 36, 42.
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Anhand
dieses Speicherladesystems soll nunmehr im folgenden erläutert werden,
wie im bevorzugten Fall eine Optimierung erreichbar ist. Um die
Optimierung des Speicherladesystems automatisch durchführen zu
können,
müssen
dem Gesamt-Regelsystem in Form der Maschinensteuerung 24 die
charakteristischen Eigenschaften der Speicherkomponenten bekannt
sein. Hierzu gehören
als erforderliche Parameter
- – V0 Speichervolumen,
- – P0
Vorfülldruck
bei Raumtemperatur,
- – TU
gemessene Umgebungstemperatur,
- – Pmin-System
minimaler Speicherladedruck (kann zeitlich variabel sein),
- – Pmax-System
maximaler Speicherladedruck (Einstellung durch Druckbegrenzungsventil 22),
- – Pumpenfördermenge,
Förderleistung
der Lade- oder Hydro pumpe 10,
- – Zyklussignal
Synchronsignal 34 des hydraulischen Verbrauchers 16.
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Die
genannten Parameter können
bei der Auslieferung des Gesamtsystems in der Elektronik 36, 42 hinterlegt
sein oder durch den Kunden bei Inbetriebnahme erst noch eingegeben
werden. Die Umgebungstemperatur TU wird durch die Elektronik, beispielsweise
mittels des Sensors 40, unmittelbar erfaßt.
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Des
weiteren ist vorgesehen, den Vorfülldruck P0 durch die Maschinensteuerung
24 automatisch
erfassen zu lassen. Hierfür
ist eine eigenständige
Erfassung vorgesehen, beispielsweise wie sie in der nachveröffentlichten
DE 10 2005 052 640 derselben
Anmelderin aufgezeigt ist. Die dort aufgezeigte Lösung geht
als Voraussetzung für
die erfindungsgemäße Online-Erfassung
des Speichervorfülldruckes P0
davon aus, dass zunächst
die Speichergröße V0 des
Hydrospeichers
18 und der Soll-Vorfülldruck P0-Soll bekannt sind,
und zwar ausgehend von einem zur Auslieferung und zur Inbetriebnahme
vorgesehenen Hydrospeicher (hydropneumatischer Speicher). Wird nun
unter Einsatz eines üblichen
Mengenreglers eine konstant einstellbare Durchflußmenge im
Fluidsystem erfaßt
und über
der Zeit integriert, die sich aus der vorgebbaren Schaltzeit eines
zuordenbaren Betätigungsventils
ergibt, ist ein Differenzvolumen Delta-V errechenbar, mit dem sich
unter Einsatz rechnerischer Gasgleichungen der Online-Vorfülldruck
P0 im Hydrospeicher
18 auf der Gasseite ermitteln läßt.
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Das
vorstehend beschriebene System ermittelt den Vorfülldruck
P0 als sog. Eckpunkt der Ladekennlinie des Hydrospeichers
18 beim
Laden aus dem entleerten Zustand und aus der Methodik zur Online-P0-Erfassung
durch Testmengenentnahme, wie sie näher in der
DE 10 2005 052 640 beschrie ben ist.
Hierbei werden die Größe P0, die
Pumpenfördermenge
sowie die Zeitkonstanten der Pumpe (Anlaufzeit usw.), Diagnose-Testmenge
des Testentnahmeventils und die thermische Zeitkonstante des Speichersystems
automatisch ermittelt.
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Als
weiterer Schritt zur Speicherladeoptimierung erfolgt dann die automatische
Identifikation des Maschinenzyklusses bezogen auf den hydraulischen Verbraucher 16.
Ausgehend von der Arbeitsmaschine oder von einem Bediener derselben
erhält
dann die Maschinensteuerung 24 die Aufforderung zu einer
neuen Optimierung, wozu ein separates Eingangssignal von der Maschine 16 dienen
kann.
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Innerhalb
der Grenzen, die sich aus den vorgegebenen Parametern der Maschinensteuerung 24 ergeben,
startet die Steuerung mit Pmax und Pmin-Druckschalt-Festwerten, die sich mit
sicherem Abstand zu dem benötigten
Pmin orientieren. In diesem Zyklus arbeitet die Steuerung in konventioneller Weise
mit festen Druckzuschaltwerten und -abschaltwerten. Nach Abschluß des Zyklus
liegt das Druckniveau im Zyklus damit zu jeder Zeit zumindest teilweise
deutlich über
der Pmin-Angabe; enthält
aber alle für
die Optimierung nötigen
Druck- und Entnahmegegenwerte, die zur Ausführung der Optimierung nötig sind.
Die Steuerung speichert diese Zyklusinformation ab, wobei in der 2 als
Druckwerte über der
Zeit aufgegeben ein Beispielzyklus für einen hydraulischer Verbraucher 16 wiedergegeben
ist.
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Für eine Parametrierung
des Optimierungslaufs läßt sich
diese über
folgende Parameter einstellen:
- – Mindestlaufzeit
der Hydropumpe,
- – Mindestruhezeit
der Hydropumpe,
- – Verhältnis Pumpenoptimierung
zu energetischer Optimierung.
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Bei
dem Zu- und Abschaltvorgang der Hydropumpe als Druckversorgungsquelle 10 tritt
immer ein Energieverlust auf. Dieser Energieverlust wird bei der
energetischen Optimierung mit berücksichtigt.
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Aus
der erfaßten
Zykluskurve der Arbeitsmaschine berechnet die Maschinensteuerung 24 die
Bedarfsmengen des Systems, indem die erfolgten Ladezyklen der Hydropumpe
herausgerechnet werden. Eine dahingehende Bedarfsmengengestaltung
des Gesamtsystems ist beispielhaft in der 3 als Volumenanteil
an Fluid über
der Zeit wiedergegeben.
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Die
angesprochene Optimierung kann dann weiter nach folgenden Schritten
vorgenommen werden.
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Zunächst werden
die einzelnen Teilabschnitte durch Verlagerung der Pumpeneinschaltzeitpunkte möglichst
nahe an die minimale Grenze Pmin unter Einbezug einer definierten
Fehlertoleranz angenähert,
so dass die Pumpe 10 zu jedem Teilabschnitt, in dem eine
Entnahme stattfindet, einmal angeschaltet wird. Der dahingehend
erste Optimierungsschritt ist in 4 wiedergegeben,
bei dem wiederum die Druckwerte über
der Zeit aufgetragen sind.
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Die
errechneten Pump-Zeitpunkte werden dann mit den eingestellten Optimierungsparametern, insbesondere
der Mindestlaufzeit und der Mindestruhezeit der Pumpe, verglichen
und entsprechend werden verschiedene Pump-Zeitpunkte zusammengelegt.
Dadurch ergibt sich die maximal energetische Optimierung, wobei
der dahingehende zweite Optimierungsschritt beispielhaft in 5 wiedergegeben ist,
wobei wiederum die Druckwerte über
der Zeit aufgetragen sind und die im unteren horizontalen Bildrand
in den 2,4 und 5 wiedergegebenen
Horizontalstriche, die endseitig von vertikalen Balken begrenzt
sind, sollen den Einschaltzeitraum für die genannte Hydropumpe 10 aufzeigen.
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Der
Energiegewinn, der sich durch weitere Verringerung der Pumpzeitpunkte
ergibt, ist dann wesentlich geringer als die zusätzliche Energie, die durch
den höheren
Druck im Hydrospeicher 18 auftritt. Deshalb kann sie an
dieser Stelle vernachlässigt werden.
Sie ist nur relevant für
den jeweils nächsten Optimierungsschritt.
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Im
Rahmen der hier vorgestellten Optimierung ist es möglich, noch
weitere Pump-Zeitpunkte zusammenzulegen, so dass sich mehrere Möglichkeiten
für einen
optimierten Zyklus ergeben. Anhand des Verhältnisses von Pumpen-Optimierung
und energetischer Optimierung wird nun derjenigen Zyklus bevorzugt,
der die wenigsten Pumpzeitpunkte bei der besten energetischen Optimierung
hat, was den Verschleiß der
Pumpe deutlich reduzieren hilft.
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Mit
den dahingehenden Optimierungsschritten ist dann eine Art Grund-Optimierung abgeschlossen,
wobei die Steuerung dann mit den neu ermittelten Einschaltzyklen
arbeiten kann, wobei der Zyklus ständig weiter analysiert und
nach den gleichen Regeln, wie aufgezeigt, fortlaufend weiter optimiert
bzw. optimal gehalten, also adaptiv geführt wird.
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Im
folgenden wird noch eine Speicheroptimierung vorgestellt. Die angesprochene
Optimierung läßt sich
dabei über
die folgenden Parameter einstellen: Mindestlaufzeit der Pumpe, Mindestruhezeit
der Pumpe sowie Mindestdruck. Gemäß der Darstellung nach der 6 wird
am Anfang eine Zykluserkennung gestartet, die einen kompletten Zyklus
innerhalb sicherer Grenzen durchführt, wobei die Pumpe über einen
Zeitraum zwischen zwei Punkten Pmin und Pmax gesteuert ist.
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Aus
dem in 6 gezeigten Zyklus läßt sich eine Art Entnahmekurve
berechnen, indem man die Zufuhr der Pumpe rechnerisch ermittelt,
wobei die Entnahmekurve dann in die einzelnen Teilabschnitte zerlegt
wird. Die einzelnen Teilabschnitte werden gemäß der Darstellung nach der 7 möglichst
nahe an den eingestellten Mindestdruck angenähert, so dass die Pumpe zu
jedem Teilabschnitt, in der eine Entnahme stattfindet, einmal angeschaltet
wird. Mit dem Mindestdruck ist es somit möglich, derart eine Einstellung
vorzunehmen, dass beispielsweise ein gewisser benötigter Druck
für eine
Sicherheitsabschaltung immer vorhanden ist. In diesem Schritt ist jedoch
noch nicht sichergestellt, dass der Mindestdruck nicht trotzdem
unterschritten wird. Obwohl der Zyklus nach der 7 der
maximalen energetischen Optimierung entspricht, werden aus diesem
Zyklus nun alle sehr kurzen Pumpschaltpunkte entfernt, die nur die
Leckage ausgleichen, indem sie zu den vorhergehenden Pumpschaltpunkten
addiert werden. Diese Situation ist in der 8 wiedergegeben.
In diesem Schritt wird nun auch der Startdruck errechnet, wobei
der Startdruck derjenige Druck ist, den ein Zyklus zu Beginn aufweisen
muß, damit
er während des
Zyklus nicht unter den Mindestdruck fällt. Demgemäß wird hierbei auch ein zusätzlicher
Pumpschaltpunkt am Ende des Zyklus eingefügt, so dass der Druck am Ende
des Zyklus wieder dem Startdruck entspricht und der darauffolgende
Zyklus wieder korrekt ablaufen kann. Der Startdruck ergibt sich durch
Großverbraucher
am Anfang des Zyklus, den die Pumpe alleine nicht ausgleichen kann.
Diese fehlende Differenz wird zu dem eingestellten Mindestdruck
hinzu addiert.
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Die
errechneten Pumpschaltpunkte werden dann mit dem eingestellten Optimierungsparameter „Mindestruhezeit
der Pumpe" verglichen.
Dazu wird von vornherein überprüft, ob die
Mindestruhezeit zwischen zwei Pumpschaltpunkten eingehalten wird. Wird
diese nicht eingehalten, wird der letztere der beiden Schaltpunkte
nach vorne verschoben und so mit dem ersten Pumpschaltpunkt zusammengelegt. Ausgehend
von diesem Zyklus wird jetzt mit der Mindestlaufzeit der Pumpe verglichen,
wobei zuerst errechnet wird, wieviel Pumpschaltpunkte möglich sind.
Falls mehr Schaltpunkte vorhanden sind, als überhaupt möglich, werden diese von der
anderen Seite kommend (hinten) zusammengelegt. Diese werden nun
so verschoben und aufgeteilt (jeweils nur nach vorne), dass die
Mindestlaufzeit der Pumpe eingehalten wird. Nachdem nun die Grundoptimierung, wie
beispielhaft in 9 aufgezeigt, abgeschlossen ist,
wird nun ein Wert errechnet, der angibt, wie weit sich der Zyklus
am maximalen energetischen Optimum befindet. Anhand dieses Wertes
kann der Benutzer dann entscheiden, ob er mehr oder weniger Pumpschaltpunkte
haben möchte,
indem er die Mindestruhezeit bzw. Mindestlaufzeit verringert, um
so den Pumpenverschleiß zu
reduzieren oder die Energieausbeute zu erhöhen. Ein Beispiel unter Einsatz des
einen weiteren Pumpenschaltpunktes ist beispielhaft in der 10 aufgezeigt.
Während
den optimierten Zyklen werden die Minimalwerte des Zyklus wiederum
mit der minimalen Grenze verglichen, um diese eventuell noch weiter
nach unten zu verschieben, da sich beispielsweise thermodynamische
Fehler in der Rechnung reduzieren. Dies betrifft dann aber ausschließlich die
energetische Optimierung und nicht die eigentliche Pumpenoptimierung.