DE102007059781A1 - Operation of plastics-processing heating equipment with several heating circuits, controls sum and ratios of heating energy supplied to each circuit, minimizing electrical demand - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Heizeinrichtung mit wenigstens zwei über zugeordnete Temperaturregler und Stellglieder gesteuerten Heizregelkreisen, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 10.The The invention relates to a method for operating a heating device with at least two over associated temperature controllers and actuators controlled heating control circuits, and a control device for carrying out the method according to the preamble of claims 1 and 10.
In der industriellen Produktion gibt es eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen es notwendig ist, Werkzeuge oder Teile von Produktionsanlagen auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Beispiele hierfür finden sich insbesondere im Bereich der Kunststoff verarbeitenden Industrie, wo beispielsweise Extruder oder Maschinen zur Herstellung von Kunststofffolien zum Einsatz gelangen, die eine Vielzahl von jeweiligen Heizzonen oder auch Kühlzonen aufweisen, die jeweils auf eine vorgegebene Temperatur geregelt werden müssen.In There are a variety of applications in industrial production. where it is necessary to place tools or parts of production equipment on to maintain a predetermined temperature. Find examples of this especially in the plastics processing industry, where, for example, extruders or machines for the production of plastic films get used, the a variety of respective heating zones or have cooling zones, each of which must be regulated to a predetermined temperature.
In gleicher Weise werden beim Kunststoffspritzguss in den Spritzgussformen üblicherweise eine Vielzahl von Heizzonen eingesetzt, um den in die Spritzgussform eingespritzten flüssigen Kunststoff vor dem Einspritzvorgang auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten, bzw. um die Temperatur der Spritzgussform für den Erstarrungsvorgang auf eine entsprechend niedrigere Temperatur zu kühlen.In Similarly, in the plastic injection molding in the injection molds usually a Variety of heating zones used to put in the injection mold injected liquid Plastic before the injection process at a predetermined temperature or the temperature of the injection mold for the solidification process to cool to a correspondingly lower temperature.
Da die vorgegebenen Temperaturen bei den zuvor erwähnten Vorrichtungen in der Regel möglichst präzise eingehalten werden müssen, werden die elektrischen Heizeinrichtungen bekanntermaßen über Heizregelkreise gesteuert, die jeweils unabhängig voneinander auf unterschiedliche Temperatur-Sollwerte geregelt werden können.There the predetermined temperatures in the aforementioned devices in the Rule as possible precise must be respected The electrical heaters are known to be via heating control circuits controlled, each independently be controlled from each other to different temperature setpoints can.
Jedem der Heizregelkreise ist hierbei bekanntermaßen ein Temperaturregler zugeordnet, der über einen dem Heizregelkreis zugeordneten Temperatursensor mit einem Temperatur-Istwert beaufschlagt wird, anhand von welchem der Temperaturregler einen in Hinblick auf den vorgegebenen Temperatur-Sollwert des Heizregelkreises angepassten Stellgrad-Wert bestimmt, der vom Temperaturregler dann einem nachfolgend angeordneten Stellglied zugeführt wird.Each the heating control circuits are known to be assigned a temperature controller, the over a temperature sensor associated with the heating control circuit with a Actual temperature is applied, based on which of the temperature controller one in view of the specified temperature setpoint of the heating control loop adjusted output level value determined by the temperature controller then a subsequently arranged actuator is supplied.
Der Stellgrad-Wert entspricht hierbei beispielsweise einem Zahlenwert oder auch einem analogen Signal, welches im Anschluss daran vom Stellglied in aufeinanderfolgende elektrische Pulse mit einer vorgegebenen Pulsdauer oder Periodendauer umgewandelt wird, welche anschließend dem zugeordneten Heizregelkreis insbesondere über ein elektrisches Leistungs-Stellelement aufgegeben werden, um die zugeführte Leistung des Heizregelkreises zur Erlangung der gewünschten Temperatur herauf oder herunter zu fahren.Of the The output value corresponds to a numerical value, for example or an analog signal, which is followed by the Actuator in successive electrical pulses with a predetermined Pulse duration or period is converted, which then the associated heating control circuit in particular via an electric power control element be given up to the fed Power of the heating control circuit to obtain the desired Temperature up or down.
So ist es beispielsweise üblich, dass der Temperaturregler einen Stellgrad-Wert bestimmt, der bei reinen Heizzonen einen Wert zwischen 0% und 100% vom maximalen Wert einnehmen kann, wobei 100% der maximal zugeführten Heizleistung entsprechen, und ein Wert von 0% bedeutet, dass dem Heizregelkreis keine elektrische Leistung zugeführt wird. Da bei den bekannten Großanlagen die zugeführte elektrische Heizleistung durch die jeweiligen Leistungs-Stellelemente gemäß den entsprechend dem Stellgrad-Wert zugeführten Pulsen vereinfacht ausgedrückt ein- oder ausgeschaltet werden, ergibt sich das Problem, dass bei einer Vielzahl von Heizregelkreisen je nach der momentan gerade benötigten Heizleistung alle Heizregelkreise im Extremfall gleichzeitig mit der jeweils maximalen Leistung beaufschlagt werden, obwohl der durchschnittliche Leistungsbedarf zum Betreiben der Anlage im Produktionsbetrieb im Mittel lediglich nur einen Bruchteil, z. B. 20 oder 30%, der zuvor erwähnten Maximalleistung beträgt.So is it common, for example, that the temperature controller determines an output value that is at pure heating zones a value between 0% and 100% of the maximum value occupy 100% of the maximum heat input, and a value of 0% means that the heating loop is not electrically powered Power supplied becomes. As in the known large systems the supplied electrical Heating power through the respective power control elements according to the corresponding supplied to the output level value Simply put, pulses On or off, the problem arises that at a variety of heating control circuits depending on the currently straight required heating power all heating control circuits in extreme cases simultaneously with each maximum power, although the average power requirement to operate the plant in production on average only only a fraction, z. B. 20 or 30%, the aforementioned maximum power is.
Da die Anschlussleitung einer zuvor erwähnten Anlage des Standes der Technik mit einer Vielzahl von Regelkreisen somit erheblich höher ausgelegt werden muss, als dies für den eigentlichen Betrieb der Anlage erforderlich ist, und die Bereitstellung der entsprechenden elektrischen Einrichtungen, wie Trafostationen oder auch Zuleitungskabeln sowie auch der Grund-Bereitstellungspreis für die elektrische Energie mit der maximal abgebbaren Leistung der Anlage steigen, ist es wünschenswert, die maximale Anschlussleistung derartiger Anlagen nach Möglichkeit so gering wie möglich zu halten.There the connecting cable of a previously mentioned system of the prior Technology designed with a variety of control circuits thus considerably higher must be, than this for the actual operation of the facility is required and the provision the corresponding electrical equipment, such as transformer stations or also supply cables as well as the basic supply price for the electrical energy with the maximum deliverable power of the system rise, it is desirable the maximum connected load of such systems as far as possible as low as possible to keep.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen, mit denen sich die elektrische Anschlussleistung beim Betrieb einer Heizeinrichtung mit einer Vielzahl von Heizregelkreisen verringern lässt.Accordingly, it is an object of the present invention, a method and a Control device for implementation to create such a method with which the electric Connected load when operating a heater with a variety from heating circuits.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine zugehörige Steuerungseinrichtung nach Anspruch 10 gelöst.These The object is achieved by a Method according to Claim 1 and an associated control device solved according to claim 10.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, bzw. durch die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung ergibt sich der Vorteil, dass insbesondere die Heizeinrichtungen von Großanlagen, wie sie zur Verarbeitung von Kunststoffen oder auch zur Vliesherstellung, bzw. zur Folienerzeugung zum Einsatz gelangen, mit einer erheblich geringeren elektrischen Anschlussleistung betrieben werden können, als dies bisher der Fall ist.By the inventive method, or by the control device according to the invention There is the advantage that in particular the heaters of large plants, as used for the processing of plastics or for nonwoven production, or used for film production, with a considerable lower electrical connection power can be operated as this is the case so far.
Zudem ergibt sich der Vorteil, dass bei der gesamten Auslegung der Anlage beispielsweise die Querschnitte der Kabel für die Zuführung der elektrischen Energie deutlich verringert werden können, wodurch sich die Bau- und auch Betriebskosten einer solchen Anlage reduzieren.In addition, there is the advantage that in the For example, the overall design of the system, the cross-sections of the cables for the supply of electrical energy can be significantly reduced, thereby reducing the construction and operating costs of such a system.
In gleicher Weise besteht die Möglichkeit, bestehende Anlagen um weitere Heizeinrichtungen mit einer Vielzahl von Heizregelkreisen zu erweitern, ohne dass hierzu die maximale elektrische Anschlussleistung der zugehörigen Trafostation erhöht werden muss, was üblicherweise mit vergleichsweise großen Kosten verbunden ist.In same way there is the possibility of existing Systems with additional heating devices with a large number of heating control loops expand, without for this the maximum electrical connection performance the associated Transformer station can be increased must, as usual with comparatively large Costs associated.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Betrieb einer Heizeinrichtung mit mehreren Heizregelkreisen, wie sie insbesondere in Anlagen zur Verarbeitung von Kunststoffen zum Einsatz gelangt, jeder der Heizregelkreise über einen zugeordneten Temperaturregler und ein diesem nachgeordnetes Stellglied mit einer zur Erreichung eines vorgegebenen Temperatur-Sollwertes erforderlichen elektrischen Heizleistung beaufschlagt. Die Größe der elektrischen Leistung ist dabei über einen vom Temperaturregler bestimmten und dem Stellglied zugeführten Stellgrad-Wert veränderbar, der vom Stellglied in aufeinander folgende elektrische Pulse mit einer festgelegten Pulsdauer umgewandelt wird, welche anschließend dem jeweiligen Heizregelkreis zugeführt werden.According to the inventive method is for operating a heating device with several heating control circuits, as in particular in equipment for processing plastics is used, each of the heating control circuits via an associated temperature controller and a subordinate actuator with one to achieve a predetermined temperature setpoint required electrical Heating power applied. The size of the electrical power is over a specified by the temperature controller and the actuator supplied output level value variable, from the actuator in successive electrical pulses with a fixed pulse duration is converted, which then the supplied to each heating control circuit become.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrischen Pulse in der Weise zeitlich versetzt nacheinander erzeugt werden, dass die Summe der den Heizregelkreisen zugeführten elektrischen Leistungen zum einen stets geringer als ein vorgegebener Leistungs-Vorgabewert ist, und zum anderen das Verhältnis der den jeweiligen Heizregelkreisen zugeführten elektrischen Heizleistungen über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg, z. B. einem Zeitraum von 1 oder 2 Sekunden, im Wesentlichen dem Verhältnis der Stellgrad-Werte der Heizregelkreise entspricht.The inventive method is characterized by the fact that the electrical pulses in the way be generated one after the other in time, that the sum of the fed to the heating control circuits electrical services on the one hand always less than a predetermined Is the default power value, and secondly, the ratio of the respective heating control circuits supplied electrical heating power via a predetermined period, z. B. a period of 1 or 2 Seconds, essentially the ratio of the output values of the Heating control circuits corresponds.
Hiezu ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass einer oder mehrere der wenigstens einem der Heizregelkreise zugeführten elektrischen Pulse während des Zeitraums ausgelassen werden, was dazu führt, dass der für den betreffenden Heizregelkreis vom Temperaturregler vorgegebene Temperatur-Sollwert zwar erst später erreicht wird, jedoch die Summe der momentan allen Heizregelkreisen zugeführten elektrischen Leistungen unterhalb des vorgegebenen Leistungs-Vorgabewertes gehalten werden kann, der z. B. lediglich 30% der Summe der Anschlussleistungen aller Heizregelkreise beträgt.Hiezu is it according to one preferred embodiment the invention provides that one or more of the at least one of the heating control circuits supplied electrical pulses during of the period are omitted, which leads to that for the concerned Heating control loop temperature setpoint specified by the temperature controller although later is reached, but the sum of the moment all heating control loops supplied electrical power below the specified power default value can be kept, the z. B. only 30% of the sum of the connection services all heating control circuits is.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken kann es hierbei zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, einen oder bevorzugt auch mehrere der einem ersten der Heizregelkreise zugeführten elektrischen Pulse in freie Lücken einer Pulsfolge zu verschieben, die während des zuvor erwähnten Zeitraums einem zweiten Heizregelkreis zugeführt wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch bei großen Unterschieden in der elektrischen Heizleistung in den gleichzeitig versorgten Heizregelkreisen das Verhältnis der zum Erreichen der gewünschten Temperatur-Sollwerte erforderlichen elektrischen Heizleistungen vergleichsweise genau eingehalten werden kann, so dass es nicht zu einer Bevorzugung eines Heizregelkreises kommt, der entsprechend schneller auf die gewünschte Temperatur geregelt wird, als die übrigen Heizregelkreise, die aufgrund der insgesamt auf den Leistungs-Vorgabewert begrenzte Summe der elektrischen Heizleistungen kurzzeitig mit einer entsprechend reduzierten Leistung betrieben werden müssen.To Another idea underlying the invention may be here additionally or Alternatively be provided, one or preferably also several of the a first of the heating control loops supplied electrical pulses in free gaps one To shift pulse sequence during of the aforementioned Period is supplied to a second heating control loop. This results itself the advantage that even with large differences in the electrical Heating power in the simultaneously supplied heating control circuits the relationship to achieve the desired Temperature setpoints required electrical heating can be met comparatively accurately, so it does not to a preference of a Heizregelkreises comes, according to faster to the desired Temperature is regulated than the other heating control loops, the due to the sum total limited to the performance target value the electric heating power for a short time with a corresponding reduced power must be operated.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken wird der von einem Stellglied erzeugten elektrischen Pulsfolge für einen jeden Heizregelkreis ein effektiver Stellgrad-Wert zugeordnet, der im Wesentlichen der reduzierten elektrischen Heizleistung entspricht, welche dem jeweiligen Heizregelkreis momentan oder innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums zugeführt wird. Hierbei wird der effektive Stellgrad-Wert in vorteilhafter Weise auf den Eingang des zugehörigen Temperaturreglers rückgekoppelt, um das Regelverhalten des zugehörigen Temperaturreglers entsprechend in Hinblick auf die dem Heizregelkreis zugeführte verringerte elektrische Leistung zu verändern.To Another idea underlying the invention is the generated by an actuator electrical pulse train for a associated with each heating loop an effective output level value, the essentially corresponds to the reduced electric heating power, which the current heating control circuit currently or within a supplied for a predetermined period becomes. Here, the effective output value becomes more advantageous Way to the entrance of the associated Temperature controller fed back, to the control behavior of the associated temperature controller Accordingly, in terms of the heating loop supplied reduced to change electrical power.
Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der effektive Stellgrad-Wert durch eine Veränderung insbesondere der P, I und D Parameter des Temperaturreglers in der Weise auf den Eingang des Temperaturreglers rückgekoppelt wird, dass die Regelgüte für den zugehörigen Heizregelkreis im Wesentlichen beibehalten wird.in this connection It has proved to be particularly advantageous when the effective Throughput value a change in particular the P, I and D parameters of the temperature controller in the Way is fed back to the input of the temperature controller that the control quality for the associated Heating loop is substantially maintained.
Gemäß einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken ist der Leistungs-Vorgabewert kleiner als die Summe der elektrischen Anschlussleistungen aller angeschlossenen elektrischen Heizregelkreise und größer als die Summe der minimalen elektrischen Heizleistungen, die zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Produktionstemperatur in jedem der elektrischen Heizkreise erforderlich ist. Durch letzteres wird sichergestellt, dass trotz eines geringeren Wertes für die benötigte Gesamt-Anschlussleistung aller Heizregelkreise die vorgegebenen Temperatursollwerte beim Produktionsprozess zuverlässig gehalten werden können, und lediglich der Aufheizvorgang beim Hochfahren einer Anlage verlängert wird. Da das Aufheizen jedoch in der Regel über Nacht erfolgen kann, und die Anlagen anschließend für einen längeren Zeitraum, z. B. über mehrere Tage oder gar Wochen durchgehend im Betrieb sind, ergeben sich hieraus keinerlei Nachteile, selbst dann, wenn der Leistungs-Vorgabewert z. B. lediglich 30% der Gesamt-Anschlussleistung aller Heizregelkreise beträgt.According to another idea underlying the invention, the power setpoint is less than the sum of the electrical connection powers of all connected electric heating control loops and greater than the sum of the minimum electrical heating powers required to maintain a given production temperature in each of the electrical heating circuits. The latter ensures that, despite a lower value for the required total connected load of all heating control loops, the predetermined temperature setpoints can be reliably maintained in the production process, and only the heating process during startup of a system is extended. However, since the heating can usually be done overnight, and the facilities then for a longer period, eg. B. over several days or even weeks continuously in operation, this results in no disadvantages, even if the power default value z. B. only 30% of the total connected load of all heating control circuits.
In diesem Zusammenhang kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass der Leistungs-Vorgabewert im Falle von mehreren Heizregelkreisen mit unterschiedlichen elektrischen Heizleistungen größer gewählt wird, als die maximale Heizleistung desjenigen Heizregelkreises, der die höchste elektrische Heizleistung, bzw. elektrische Anschlussleistung besitzt.In In this context, it may according to a another embodiment be provided of the invention that the power default value in Trap of several heating circuits with different electrical Heating capacity is chosen to be larger, as the maximum heating power of that heating control loop, the highest electrical heating power, or has electrical connection power.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann für den in der Praxis häufig auftretenden Fall, dass den elektrischen Heizregelkreisen mehrere elektrische Phasen zugeordnet sind, der Leistungs-Vorgabewert für jede einzelne elektrische Phase vorzugsweise separat verändert werden. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Gesamt-Anschlussleistung einer mehrphasigen Anlage auf einen gewünschten Wert zu begrenzen, um z. B. weitere Anlagen an dieselbe Trafostation anschließen zu können, ohne dass die zulässige Gesamt-Anschlussleistung beim Betrieb aller Anlagen überschritten wird.According to one another embodiment the invention can for often in practice occurring case that the electric heating control circuits several electrical phases are assigned, the power default value for each one electrical phase preferably be changed separately. This will the possibility created the total connected load of a multi-phase plant on a desired one Limit value to z. B. other systems to the same transformer station connect to be able to without the permissible Total connected load exceeded during operation of all systems becomes.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist jeder elektrischen Phase wenigstens ein Stellglied zugeordnet, und die aufeinander folgenden elektrische Pulse werden durch die Stellglieder zweier unterschiedlicher elektrischer Phasen im Wesentlichen gleichzeitig erzeugt, wodurch die Gefahr einer zusätzlichen Verschiebung von Strom und/oder Spannung zwischen den elektrischen Phasen so gering wie möglich gehalten werden kann.at this embodiment According to the invention, at least one actuator is associated with each electrical phase. and the successive electrical pulses are passed through the Actuators of two different electrical phases substantially simultaneously generates, which increases the risk of additional displacement of electricity and / or voltage between the electrical phases as low as possible can be held.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird, nachfolgend mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens anhand der Zeichnung beschrieben, in derThe inventive method will, hereinafter with reference to a control device according to the invention to carry out of the method described with reference to the drawing, in which
Wie
in
Wie
hierbei durch die Linie
Hierzu
ist bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung jedes der Stellglieder
Nach
einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken kann die
Steuerungseinrichtung
Bei
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist jedes Stellglied
Wie
die Anmelderin in diesem Zusammenhang gefunden hat, ergibt sich
durch die zuvor beschriebene Rückkopplung
in überraschender
Weise die Möglichkeit,
die Regelgüte,
bzw. das Regelverhalten des Temperaturreglers
Die
erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung
Um
die Pulsfolgen PA, PB,
PC für
jeden Heizregelkreis
Obgleich
in
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