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Gegenstand der Erfindung ist ein Umlaufschmiersystem in einer Papier- oder Kartonmaschine.
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Die
DE 36 37 851 A1 beschreibt ein Regelgerät zur versorgungsdruckunabhängigen Schmierstoffdosierung für wenigstens eine Schmierstelle, indem in einem Gehäuse in einer Strömungsverbindung zwischen einem Versorgungsanschluss und einem Schmierstellenanschluss in Reihe wenigstens eine erste Festdrossel und eine Druckwaage mit einer Stelldrossel angeordnet sind.
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Aus der
DE 10 2006 034 043 A1 ist eine Presswalze einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredlung einer Papier-, Karton-, Tissue- oder einer anderen Faserstoffbahn mit einem rotierenden, zylindrischen Walzenmantel bekannt, welcher sich auf einem Stützelement eines stationären Trägers abstützt, wobei die mit der Innenseite des Walzenmantels in Kontakt kommende Lauffläche des Stützelementes mit einem flüssigen Schmiermittel geschmiert wird und das Schmiermittel von der Innenseite des Walzenmantels mit Hilfe eines Abstreifelementes abgestreift wird. In Rotationsrichtung nach dem Abstreifelement wird kühleres Schmiermittel auf die Innenseite des Walzenmantels aufgebracht.
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DE 11 2007 001 123 T5 beschreibt eine Anordnung in einer Bahnausbildungs- oder Fertigbearbeitungsmaschine zum Messen von Betriebsbedingungen einer sich drehenden Walze, die mit Dünnfilmsensoreinrichtungen zum Messen der Betriebsbedingungen ausgerüstet ist. Dabei kann eine Verarbeitungseinheitseinrichtung zum Regulieren des Schmierölstromes von Lagereinrichtungen der Walze auf der Grundlage der mit den Dünnfilmsensoreinrichtungen ausgeführten Messungen vorgesehen sein.
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In der
DE 600 18 670 T2 ist eine Vorrichtung zur Steuerung einer Papiermaschine beschrieben, bei der ein Maschinensteuermodul vorgesehen ist, das unter anderem die Schmierung relevanter Bauteile der Papiermaschine steuert.
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In der finnischen Patentschrift
FI 101 100 B (entspricht
EP 0 728 984 A1 ) 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 jede 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
FI 101 100 B 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 Einzelventil 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.
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Die kennzeichnenden Merkmale des erfindungsgemäßen Umlaufschmiersystems gehen aus den Patentansprüchen 1 und 2 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 Papiersortenwechsel (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:
- 1 ein dem Stand der Technik entsprechendes, d.h. vom Typ her bekanntes Umlaufschmiersystem in schematischer Darstellung;
- 2 ein erfindungsgemäßes System schematisch dargestellt;
- 3 die Verwirklichung eines erfindungsgemäßen Systems unter anspruchsvollen Bedingungen;
- 4 das Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Systems;
- 5 ein in ein Lager integriertes Schmiermittel-Regelsystem;
- 6 eine Variante des in 2 gezeigten Systems in schematischer Darstellung;
- 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.