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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung der Umlaufschmierung
in einer Papier- oder Kartonmaschine, die wenigstens eine Schmierstelle
in einem Schmierkreis aufweist, in dem der Schmiermitteldurchfluss
auf Grund einer gewählten Messgröße gesteuert
wird.
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In
der
finnischen Patentschrift 101100 (entspricht
EP 0728984 ) ist ein speziell
für eine Papiermaschine bestimmtes Umlaufschmiersystem
beschrieben, das steuerungsmäßig in drei hierarchische
Teile gegliedert ist. In der untersten Ebene sind die mehrere Schmierstellen
versorgenden Stellglieder-Tafeln angeordnet, deren je de eine autonome Regelvorrichtung,
einen Durchflussmesssensor sowie ein im Allgemeinen durch Schrittmotor
gesteuertes Ventil zur Durchführung der Steuerung hat.
Die Zahl der Schmierstellen beträgt typischerweise 400. Die
Stellgliedertafeln (60–120 Tafeln) sind an Stellgliederkoordinatoren,
von denen im Allgemeinen 8–15 Stück vorhanden
sind, angeschlossen, und diese wiederum sind auf der obersten Ebene
an die Steuer- und Anzeigeinheiten angeschlossen. Diese senden je
nach Betriebsstatus der Maschine die Sollwerte an die Stellgliederkoordinatoren,
die sie zu den Stellgliedertafeln, wo sich die eigentlichen Regelkreise
befinden, weiterleiten. An den Stellgliedertafeln dient als Mess-
und Regelgröße der Regelung die Schmieröl-Durchflussmenge,
die der Regler auf dem Sollwert zu halten sucht. Der Sollwert der
Schmieröl-Durchflussmenge wird von zahlreichen Parametern
mitbestimmt. Laut der besagten Schrift können u. a. die
Temperatur der Schmierstelle und/oder die Temperatur des Rücklauföls
den Sollwert der Öldurchflussmenge mitbestimmen.
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Nach
der Schrift FI101100 werden die Stellgliedertafeln in der Nähe
der Schmierstelle angeordnet. In der Praxis konnte allerdings nicht
so verfahren werden, weil die Durchflussmesser zu Blöcken
mit jeweils mehreren Durchflussmessern und Ventilen in einem gemeinsamen
Gehäuse zusammengefasst sind und es unpraktisch ist, einen
Einzeldurchflussmesser bzw. ein Einzelven til herzustellen. Temperaturmessung
wird in Verbindung mit der Durchflussregelung lediglich an Sonderstellen
durchgeführt, da sich ihre Verwirklichung zusammen mit
dem Regler wegen der komplizierteren Elektronik als kostspielig erwiesen
hat.
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Die
gegenwärtig übliche Technik basiert, was die Anordnung
betrifft, auf dem herkömmlichen Modell, bei dem sich die
Mess- und Regelvorrichtungen außerhalb der (eventuell vorhandenen
Haube) der Maschine befinden. Die traditionellen manuellen Systeme
erfordern Zugang zu den Regelventilen während des Betriebs,
und die gegenwärtigen regelnden Systeme erlauben wegen
der in ihnen enthaltenen Komponenten und Strukturen keine Anordnung
an heißen (bis zu 140°C) und feuchten Stellen.
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Auch
wenn, wie in der o. g. Schrift ausgeführt, der Regler (Hybridschaltung)
der Stellgliedertafeln auf dem Durchflussmesser, möglichst
nahe bei dem Ölbehälter angeordnet wird, so konnten
mit dieser Lösung in der Praxis lange Rohrleitungen nicht vermieden
werden, weil sich der Bau von Einzeldurchflussmessern unzweckmäßig
gestaltet. Größere Gruppen werden natürlich
außerhalb der Maschine/Haube angeordnet.
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Bei
den gegenwärtigen regelnden Systemen wird die Durchflussmenge
der Schmierstelle geregelt. Der Sollwert wird an Hand der Produktionsgeschwindigkeit
bei Maximallast und -temperatur bestimmt. Die Bestimmung von Last
und Temperatur geschieht auf Grund von Erfahrung und von Angaben des
Lagerherstellers.
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Die
gegenwärtig übliche Technik eignet sich nicht
zum Einsatz unter schwierigsten Verhältnissen, weshalb
als einzige Möglichkeit geblieben ist, die Vorrichtungen
auf herkömmliche Weise anzuordnen. Das wiederum erfordert
zahlreiche Kleinverrohrungen von den Mess- und Regelvorrichtungen
zu den Schmierstellen.
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Die
Verrohrungen erhöhen den Preis des Systems und erfordern
einen hohen Installationsaufwand vor Ort. Es ist bislang auch nicht
gelungen, diese Verrohrungen vorzufertigen, so dass sie einen beträchtlichen
Teil der Kosten ausmachen.
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Das
den Schmierstellen zuzuführende Öl erwärmt
sich in den innerhalb der Haube angeordneten Kleinverrohrungen (und
gleichzeitig erfährt der Haubenraum durch die Rohrleitungen
eine Abkühlung), wodurch die Schmierfähigkeit
und die Kühleigenschaften des Öls beeinträchtigt
werden. Um diese Verschlechterung der Eigenschaften zu kompensieren,
muss mehr Schmieröl zugeführt werden. Das Kühlen
des Öls in der Zentrale und das Heizen der Haube wiederum
sind mit Energieverbrauch verbunden.
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Der Öldurchfluss
ist beim Schmieren eine sekundäre Größe,
wobei für die Schmierstelle eine bestimmte „Funktionsweise"
angenommen werden muss. Die tatsächliche Funktionsweise
kann jedoch von der angenommenen abweichen, so dass man beim Schmieren
die Öldurchflussmenge etwas überdimensioniert
hat.
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Dieser
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die schmierstellenspezifische
Regelung beizubehalten, aber das System beträchtlich zu
vereinfachen. Für das erfindungsgemäße
Verfahren ist kennzeichnend, was darüber in Patentanspruch
1 ausgeführt ist. Die kennzeichnenden Merkmale des das Verfahren
verwirklichenden erfindungsgemäßen Umlaufschmiersystems
gehen aus Patentanspruch 3 hervor. Von den Messungen wird die Durchflussmessung
weggelassen und durch Messung der Schmierstellentemperatur und/oder
der Rücklauföltemperatur ersetzt, so dass die
Regelung mehr auf einer primären Größe
basiert und die Regelanlage kompakter gestaltet werden kann. Die
Temperaturmessung ist eine probate, vorteilhafte Technik und kann
auch unter schwierigen Bedingungen zum Funktionieren gebracht werden.
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Bei
den Konstruktionen der Regelvorrichtungen werden die jeweiligen
Bedingungen berücksichtigt und das der Schmierstelle zuzuführende Öl
wird bei Bedarf zum Kühlen von Komponenten benutzt, was
nun bedeutend besser gelingt als in einem mit Durchflussmessung
arbeitenden Regelsystem.
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Bei
einer der Ausführungsformen werden die Regler selbst im
Maschinensteuerungssystem angeordnet und über Datenbus
an eine an der Schmierstelle befindliche I/O-Karte angeschlossen,
welche die Temperaturmessdaten von den Sensoren an den Regler und
den Steuerbefehl des Reglers an das Ventilstellglied übermittelt.
Eine solche I/O-Karte ist wesentlich einfacher als die frühere
Regelelektronik-Karte.
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Die
I/O-Karte wird in unmittelbarer Nähe der Schmierstelle
angeordnet oder sogar in diese integriert. Die Hauptleitung wird
in der Nähe einer Schmierstellenkonzentration (zum Beispiel
in der Trockenpartie an der Unterseite des oberen Arbeitsstegs)
angeordnet und an ihren innerhalb der Haube verlaufenden Abschnitten
isoliert.
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Die
Erfindung bietet zahlreiche direkte und indirekte Vorteile. Infolge
der Vereinfachung der Konstruktion ergeben sich Kosteneinsparungen
sowohl bei den Rohrleitungen als auch deren Installation. Die Schmieröl-Durchflussmengen
reduzieren sich im Durchschnitt, weil ja die Regelung die Öldurchflussmenge
unmittelbar passend für die Betriebsparameter der Maschine
(Produktionsgeschwindigkeit, Belastung und Umgebungstemperatur)
optimiert. Die Regelung reagiert auch auf Papiersor tenwechsel (Veränderung
der Belastung und der Temperatur), was gegenwärtig nicht
der Fall ist.
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Mit
dem neuen System wird das Niveau der Zustandsüberwachung
beträchtlich verbessert, denn die Temperaturüberwachung
erstreckt sich nun auf sämtliche Schmierstellen und bietet
die Möglichkeit, Störungen an den Lagern bereits
zu erkennen ehe es zu Schäden kommt. Außerdem
spart das System Energie und seine Planung wird, was Platzierung
und Verrohrung betrifft, vereinfacht. Als Nachteile können ein
Mehr an Verkabelung und die schwierigere Wartung der innerhalb der
Haube befindlichen Regler in Störungssituationen genannt
werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe von Beispielen und unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 ein
dem Stand der Technik entsprechendes, d. h. vom Typ her bekanntes
Umlaufschmiersystem in schematischer Darstellung;
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2 ein
erfindungsgemäßes System schematisch dargestellt;
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3 die
Verwirklichung eines erfindungsgemäßen Systems
unter anspruchsvollen Bedingungen;
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4 das
Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Systems;
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5 ein
in ein Lager integriertes Schmiermittel-Regelsystem;
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6 eine
Variante des in 2 gezeigten Systems in schematischer
Darstellung;
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7 die
Q/k-Diagramme beim alten und beim neuen System.
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In 1, 2, 3 und 6 ist
die Schmierstelle (wie z. B. ein Walzenlager oder ein Getriebe)
mit der Bezugszahl 10 belegt. Die Haube der Papiermaschine
trägt die Bezugszahl 12. Von dem Umlaufschmiersystem
sind die Zuführungsleitung 14, das Regelventil 15,
der Durchflussmesser 16, die Schmierstelle 10 und
die Rücklaufleitung 17 gezeigt. In den bekannten
Systemen (1) sind das Regelventil 15 einschließlich
Stellglied 15.1, der Durchflussmesser 16 und die
Regelvorrichtung 20'' außerhalb der Haube (oder
des entsprechenden Raums) angeordnet. Die Regelvorrichtung 20'' ist
bestrebt, die Schmieröl-Durchflussmenge auf dem Sollwert
zu halten. Die Host-Einheit 26, d. h. das Maschinensteuerungssystem,
ist über den Datenbus RS485 mit der Regelvorrichtung 20'' verbunden.
Das Regeln und das Messen der Öldurchflussmenge geschehen
außerhalb der Haube oder allgemein weit entfernt von der
Schmierstelle, oft im Keller. Die Regelvorrichtung 20'' ist
bestrebt, die Schmieröl-Durchflussmenge auf dem Sollwert
zu halten. Die Host-Vorrichtung 26 liefert den Sollwert
für die Durchflussmenge, die dann von der Regelvorrichtung 20'' örtlich
geregelt wird. Dieses bekannte System ist mit den oben angeführten
Problemen behaftet.
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2 zeigt
ein erfindungsgemäßes System, bei dem die Schmierölregelung
auf Grund von Temperaturmessung der Schmierstelle erfolgt und die Regelanlage 20 einen
Teil des Maschinensteuerungssystems 26 bildet. Das Maschinensteuerungssystem
enthält die Regelkreise für zahlreiche Regler. Von
dem Umlaufschmiersystem sind die Zuführungsleitung 14,
das Regelventil 15, die Schmierstelle 10 und die
Rücklaufleitung 17 gezeigt. Abweichend von den
bekannten Systemen basiert die Regelung nun auf direkter Regelung
der Temperatur der Schmierstelle. Alternativ (etwa bei Getrieben)
kann die Temperatur des Rücklauföls geregelt werden.
So ist also in 2 sowohl der die Temperatur
der Schmierstelle 10, hier eines Lagers, messende Sensor 22 als
auch der die Temperatur des Rücklauföls messende
Sensor 23 (der hier zur Alarmmeldung oder für
Kaskadenregelung benutzt werden kann) eingezeichnet. Die Temperatursensoren 22 und 23 (z.
B. Typ PT-100) sind direkt an die I/O-Karte 20' geschaltet, die
die Messinformation über den Datenbus RS485 an die Regelvorrichtung 20 des
Maschinensteuerungssystems 26 leitet (ein separater Temperatur-Messgeber
ist nicht erforderlich). Die I/O-Karte hat hier somit folgende Funktionen:
- – Abwicklung der seriellen Übertragung
zur Host-Einheit, und diese hat eine Adresse im RS485-Bus
- – Umformen des Steuersignals in eine für das Ventilstellglied
passende Form
- – Fungieren als „Endgerät" der Temperatursensoren
und Umformen der Sensorsignale in serielle Übertragungsform.
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Die
Regelvorrichtung 20 regelt direkt die Temperatur der Schmierstelle 10 und überträgt
den Steuerbefehl über den gleichen Datenbus RS485 wie vorangehend.
An sich kann hier jeder beliebige Industrie-Datenbus verwendet werden.
Die Host-Einheit 26 bestimmt für die Regelvorrichtung 20 den Sollwert
der der jeweiligen Betriebssituation entsprechenden Temperatur.
Die Regelvorrichtung ist entweder analog (P-, PI-, PID-Typ) oder
digital. Auf Grund der Differenz zwischen Sollwert und Messwert
steuert die Regelvorrichtung 20 mit Hilfe des Ventilstellgliedes 15.1 (z.
B. eines Schrittmotors) das Ventil 15. Das Ventil einschließlich
Stellglied kann an sich ein schon früher eingesetzter Typ
sein.
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Am
vorteilhaftesten verwirklicht wird die Regelung mit der zum Maschinensteuerungssystem
gehörenden Regelvorrichtung 20, die dann den Temperatur-Sollwert
benötigt. Dieser bestimmt sich aus Eigenschaften der Schmierstelle, Öldurchfluss
und -temperatur sowie Produktionsparametern der Maschine.
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3 zeigt
schematisch eine genauere Ausgestaltung für anspruchsvolle
Objekte. Funktionell gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszahlen
wie in den vorangehenden Zeichnungen belegt. Die Regelvorrichtungen,
d. h. das mit Stellglied versehene Ventil 15 und die I/O-Karte 20,
sind hier in der Nähe der Schmierstelle 10 angeordnet,
bei der die Umgebungstemperatur bis zu 140°C beträgt.
Die Idee ist hier, die Vorrichtungen innerhalb der Haube 12 in
einem gekühlten und am besten auch wärmeisolierten Raum 25,
der mit dem Schmieröl selbst gekühlt wird, anzuordnen.
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4 zeigt
das Ablaufschema zur Verwirklichung der Regelung. Die Host-Einheit,
d. h. das Maschinensteuerungssystem, sucht zuerst die Betriebsparameter
der Maschine und berechnet den Temperatur-Sollwert für
die Schmierstelle. Dieser Sollwert wird an die Regelvorrichtung übermittelt
mit dem Befehl, zu regeln. Beim Regeln wird in festgesetzten Zeitabständen
(30 s–10 min) der Messwert mit dem Sollwert verglichen.
Mit der so erhaltenen Differenzgröße wird das
Ventilstellglied folgendermaßen gesteuert: Ist die absolute
Differenz gering (z. B. kleiner als 2°C), so wird nichts
getan. Ist die Differenz größer als ΔtFeinregelung, aber kleiner als ΔtGrobregelung, so wird Feinregelung z. B.
um einen Schritt in korrigierender Richtung vorgenommen. Ist die
Differenz größer als ΔtGrobregelung,
so erfolgt eine Grobregelung, z. B. um zehn Schritte in korrigierender
Richtung. Dieser Regelalgorithmus bietet den Vorteil, dass die Anfangssituation
nicht bekannt zu sein braucht. Dieser Algorithmus endet automatisch
in einem stabilen Zustand. Die eingestellte Verzögerungszeit
hängt ab von der Schmierstelle und deren Umgebung; im Allgemeinen beträgt
sie 30 s–10 min. Bei dem meisten Schmierstellen erhält
man innerhalb einer Minute eine deutliche Antwort (Response) auf
die bei der Temperatur vorgenommene Regelmaßnahme, d. h.
die Veränderung des Durchflusses.
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In 5 ist
das erfindungsgemäße System in das Lager 10 einer
Papiermaschinenwalze integriert. Das Lager umfasst ein Lagergehäuse 10.1 und in
diesem die Schmierung erfordernden Wälzkörper. In
das Gehäuse 10.1 gelangt das Schmieröl über eine
Steuervorrichtung, welche, im gleichen Gehäuse 25 verkapselt,
eine I/O-Karte 20' und das Regelventil 15 einschließlich
Stellglied umfasst. Der kühlende Ölstrom hält
die Temperatur im Inneren des Gehäuses 25 innerhalb
der zulässigen Grenzen, und das Gehäuse ist auf
zweckmäßige Weise wärmeisoliert. An die
Regelvorrichtung 15 sind über die Kabel 22.1 und 23.1 die
Temperatursensoren 22 und 23 angeschlossen. Als
Sensoren 22 und 23 kommen z. B. solche vom Typ
PT-100 in Frage. Als eigentliche Regelgröße fungiert
die Lagertemperatur (Sensor 22), als Überwachungsgröße
die Rücklauföltemperatur (Sensor 23).
Bei dem in 5 gezeigten Konzept bleibt die
Gesamtlänge der Ölrohrleitungen viel kleiner als
bei den gegenwärtigen Lösungen.
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6 zeigt
eine Variante des Systems von 2. Die Regelanlage
ist nun in ihrer Gesamtheit innerhalb der Haube angeordnet, wobei
die Elektronikkarte zwar komplizierter, aber auch autonomer als die
bloße I/O-Karte ist. Von dem Umlaufschmiersystem sind die
Zuführungsleitung 14, das Regelventil 15,
die Schmierstelle 10 und die Rücklaufleitung 17 gezeigt.
Auch hier basiert die Regelung auf direkter Regelung der Temperatur
der Schmierstelle 10. In 2 ist sowohl
der die Temperatur der Schmierstelle, hier eines Lagers, messende
Sensor 22 als auch der die Temperatur des Rücklauföls
messende Sensor 23 (der hier zur Alarmmeldung genutzt werden kann)
eingezeichnet. Die Temperatursensoren 22 und 23 sind
an die Regelvorrichtung 20 geschaltet, die die Temperatur
der Schmierstelle direkt regelt. Um dies zu ermöglichen,
schickt die Host-Einheit 26, d. h. das Maschinensteuerungssystem,
den der jeweiligen Betriebssituation entsprechenden Temperatur-Sollwert
an die Regelvorrichtung 20. Das System kann, wie oben ausgeführt,
auf viele verschiedene Weise modifiziert werden.
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7 zeigt
die Korrelation zwischen der Durchflussmenge (Q) und der von den
Betriebsparametern an der Schmierstelle bewirkten Belastung (k) in
der Praxis beim alten und beim neuen System. Das alte System ist
durch die Kurve FC charakterisiert. Das Regelventil war so eingestellt,
dass es in Tiefstellung der Regelung einen beträchtlichen
Nulldurchfluss hat. Das den obigen Beispielen entsprechende neue
System ist durch die Kurve TC charakterisiert. Die Durchflussmengen
sind nun beträchtlich kleiner, ausgenommen bei Spitzenlast
entsprechender Maximaltemperatur.
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Die
Kurve TCd repräsentiert mit einem
konkreten Ventilblock verwirklichte Regelung. Ein solcher Ventilblock
hat hier vier Spindeln, die lediglich AUF- und ZU-Stellung haben,
zum Beispiel mit Solenoidsteuerung. Die Durchflussmenge wächst,
wenn sich die Ventilspindeln eine nach der anderen öffnen. Eine
solche ungenaue Regelung kann unter Umständen die praktischste
Lösung sein. Auch können dabei die Spindeln leicht
durch eine einfache externe (nicht dargestellte) Notsteuerung in
hohem Maße unabhängig vom übrigen Regelsystem
gesteuert werden, wenn zum Beispiel die I/O-Karte defekt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - FI 101100 [0002]
- - EP 0728984 [0002]