DE102009025707B4

DE102009025707B4 - Vorrichtung zur Steuerung einer Anlage mit Hydraulikkreisen

Info

Publication number: DE102009025707B4
Application number: DE102009025707.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Köckemann Albert; Gerold Liebler; Christian Lebert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-06-20
Filing date: 2009-06-20
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2029-06-21
Also published as: IT1401092B1; ITMI20101103A1; CN101929492A; CN101929492B; DE102009025707A1

Abstract

Vorrichtung zur Steuerung einer Anlage, die Hydraulikkreise aufweist, wobei den Hydraulikkreisen (2) Hydraulikpumpen (3) zugeordnet sind, und wobei jede der Hydraulikpumpen (3) mit jeweils einer Steuereinheit (6, 7) für einen Druck und einen Volumenstrom mindestens eines Hydraulikkreises (2) zusammenwirkt, und wobei die Hydraulikpumpen (3) in Serie an eine Antriebswelle (4) eines einzigen Elektromotors (5) angeschlossen sind, und wobei eine der Hydraulikpumpen (3) als Führungspumpe (31) mit einer Führungssteuereinheit (6) zusammenwirkt, die einen Sollwert (ns) für die Drehzahl (n) des einzigen Elektromotors (5) ermittelt, und wobei in der Führungssteuereinheit (6) zeitvariable Drehzahlen (n) für den Elektromotor (5) berechnet werden und bei der Berechnung der Drehzahlen (n) unterschiedliche Druckwerte (p1bis pn) und/oder Volumenstromwerte (Q1bis Qn) zur Versorgung der Hydraulikkreise (2) verglichen und berücksichtigt werden, wobei die Vorrichtung Kupplungen (10, 11) aufweist, über welche die einzelnen Hydraulikpumpen (3) mit der Abtriebswelle (4) des einzigen Elektromotors (5) seriell koppelbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung einer Anlage, die Hydraulikkreise und mehr als eine einzige Hydraulikpumpe aufweist, wobei optional auch mehrere Hydraulikkreise sequenziell nacheinander einer Pumpe zugeordnet sein können. Jede der Hydraulikpumpen wirkt mit jeweils einer Steuereinheit für Druck und Volumenstrom von mindestens einem Hydraulikkreis zusammen.
Zur Regelung der Druckmittelzufuhr zu einem Hydraulikkreis ist aus der Druckschrift EP 1 236 558 B1 ein hydraulisch betätigbarer Aktor bekannt, wobei zur Druck- und Volumenstromregelung in einem einzelnen Hydraulikkreis ein Elektromotor mit variabler Drehzahl eine Pumpe antreibt, die dem Aktor hydraulisches Druckmittel entsprechend einem von einer übergeordneten Steuerung vorgegebenen Druck/Volumenstrom-Profil zuführt. Dabei ergeben sich innerhalb eines Fertigungszyklus Zeitspannen oder Bereiche, in denen eine Regelung des Volumenstroms erfolgt, und Zeitspannen oder Bereiche, in denen eine Druckregelung erfolgt.
Aus der Druckschrift US 2006 / 0 182 636 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Hydrauliksystems, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, mit mindestens einer Brennkraftmaschine, die wenigstens eine Hydraulikpumpe mit verstellbarem Fördervolumen sowie ggf. weitere hydraulische Konstantpumpen antreibt, bekannt. Die Druckschrift DE 603 15 307 T2 beschreibt eine Pumpeneinheit, die von einer Steuereinheit in eine erste Betriebsart geschaltet wird, wobei das Schaltventil in einen Zustand geschaltet wird, in der die erste Entladlinie und die zweite Entladlinie voneinander getrennt sind, was die Pumpe mit fester Kapazität entlädt. Die Druckschrift beschreibt einen hydraulische Steuerungsschaltung für eine Baumaschine. Die Druckschrift DE 23 31 617 A1 beschreibt eine Regeleinrichtung zum Begrenzen des Druckes und des Drehmoments wenigstens zweier, von einer gemeinsamen Antriebsmaschine angetriebener, gekoppelter und verstellbarer Pumpen. Die Druckschrift US 5 527 156 A betrifft hydraulische Baumaschinen wie Bagger, Lader, Bulldozer und dergleichen und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Motors und der Pumpen solcher hydraulischer
Um eine Anlage mit einem Hydraulikkreis energiesparend und wirtschaftlich zu betreiben, ist sowohl eine Steuerung der Drehzahl des Elektromotors als auch eine Steuerung des Fördervolumens der Pumpe vorgesehen. Der Volumenstrom des von der Pumpe geförderten Druckmittels ergibt sich dabei multiplikativ aus der Drehzahl, mit der die Pumpe angetrieben wird, und dem Fördervolumen der Pumpe pro Umdrehung. Für Bereiche eines Fertigungszyklus, in denen eine Volumenstromregelung erfolgt, lassen sich eine Vielzahl von Wertepaaren von Drehzahl und Fördervolumen für einen einzelnen Hydraulikkreis mittels eines Elektromotors und einer verstellbaren Hydraulikpumpe realisieren.
Zur Steuerung einer Anlage, die mehrere Hydraulikkreise aufweist, sind somit zur Steuerung der Druck/VolumenstromProfile der Hydraulikkreise mehrere Elektromotoren mit regelbarer variabler Drehzahl entsprechend der Anzahl der Hydraulikkreise und eine entsprechende Anzahl von Hydraulikpumpen erforderlich, um ein vorgegebenes Druck/Volumenstrom-Profil für jeden Hydraulikkreis zu gewährleisten. Eine derartige Vorrichtung zur Steuerung der Anlage hat den Nachteil, dass eine Mehrzahl von drehzahlvariablen Elektromotoren mit entsprechenden Frequenzumformern, die mit einer Mehrzahl von entsprechenden Hydraulikpumpen zusammenwirken, vorzusehen sind, was erhebliche Anlagekosten verursacht.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Anlage, die Hydraulikkreise aufweist, anzugeben, mit der die Anlagekosten deutlich reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird mit dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Steuerung einer Anlage, die Hydraulikkreise aufweist, geschaffen. Den Hydraulikkreisen sind eine Hydraulikpumpen zugeordnet. Jede der Hydraulikpumpen wirkt mit jeweils einer Steuereinheit für Druck und Volumenstrom mindestens eins Hydraulikkreises zusammen. Die Hydraulikpumpen sind in Serie an eine Antriebswelle eines einzigen Elektromotors angeschlossen. Eine der Hydraulikpumpen wirkt als Führungspumpe mit einer Führungssteuereinheit zusammen, die einen Sollwert für die Drehzahl des einzigen Elektromotors ermittelt. In der Führungssteuereinheit werden dazu zeitvariable Drehzahlen für den Elektromotor berechnet. Bei der Berechnung der Drehzahlen werden unterschiedliche Druckwerte und/oder Volumenstromwerte zur Versorgung der Hydraulikkreise verglichen und berücksichtigt.
Eine derartige Vorrichtung zur Steuerung einer Anlage hat den Vorteil, dass drehzahlvariable Elektromotoren mit entsprechenden kostenintensiven Frequenzumformern eingespart werden können, ohne dass sich die Reglungsgüte gegenüber dem Einsatz von mehreren drehzahlvariablen Elektromotoren für die Hydraulikkreise vermindert. Auch der einzige Elektromotor zum Antrieb einer Mehrzahl von Hydraulikpumpen wird in seiner Drehzahl variabel an die erforderlichen Druck/VolumenstromProfile angepasst, so dass ein energiesparender Betrieb der Anlage mit mehreren Hydraulikkreisen möglich ist. Es wird jeweils nur die Drehzahl an dem Elektromotor eingestellt, die sich in einem entsprechenden Zeitfenster vergleichsweise als höchste erforderliche Drehzahl aus dem vorgegebenen Druck/Volumenstrom-Profilen der Hydraulikkreise ergibt. Diese Steuerung ist damit gleichzeitig auch energiesparend, da die Drehzahl entsprechend den Anforderungen der angeschlossenen Hydraulikkreise optimal angepasst ist.
In dem entsprechenden Zeitfenster, in dem eine Drehzahl vorherrscht werden entsprechend dieser Drehzahl, die von einer Führungssteuerung ermittelt wird, in entsprechenden Nebensteuerungen für die übrigen Hydraulikkreise eine Druck/Volumenstrom-Regelung durchgeführt, die den Druck und den Volumenstrom der nachgeschalteten Hydraulikpumpe an die vorherrschende Drehzahl des Elektromotors für dieses Zeitfenster anpasst.
Die Vorrichtung weist dabei Kupplungen auf, über welche die einzelnen Hydraulikpumpen mit der Antriebswelle des einzigen Elektromotors seriell koppelbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ermittelt zur Regelung eines zeitvariablen Sollwertes der Drehzahl des einzigen Elektromotors die Führungssteuereinheit der Führungspumpe einen Drehzahlsollwert aus übermittelten erforderlichen Druckwerten und/oder erforderlichen Volumenstromwerten und führt diesen Drehzahlsollwert einem Frequenzumformer zu, der mit dem einzigen Elektromotor elektrisch in Verbindung steht, zu.
Um individuell in das Druck/Volumenstrom-Profil der Hydraulikpumpen die vorherrschende Drehzahl innerhalb eines Zeitfensters anzupassen, wirken die Hydraulikpumpen mit jeweils einem Pilotventil zusammen, das den Hydraulikdruck- und die Hydraulikvolumenstromversorgung des einzelnen Hydraulikkreises zeitabhängig und variabel in Abhängigkeit von der aktuellen Solldrehzahl des Elektromotors regelt.
Dazu wirkt das Pilotventil mit einem Schwenkwinkelregler der Hydraulikpumpe und einem Druckventil zusammen. Dazu werden die von der Führungssteuereinheit ermittelten Werte für den Sollwert zur Steuerung der Drehzahl des Elektromotors sowohl dem Frequenzumrichter als auch an die weiteren Nebensteuereinheiten der weiteren Hydraulikkreise transferiert.
Eine speicherprogrammierbare Steuereinheit gibt die erforderlichen zeitabhängigen Druck- und Volumenstromsollwerte für die Führungssteuereinheit und jede Nebensteuereinheit vor. Für eine eigenständige Regelung des Drucks und Volumenstromes der angeschlossenen Hydraulikkreise stehen somit die Sollwerte für Druck und Volumenstrom und die aktuelle Drehzahl des Elektromotors in jeder Nebensteuereinheit zur Verfügung, wobei jede Nebensteuereinheit wie oben bereits erwähnt einen Schwenkwinkelregler und ein Druckregler als Pilotventileinheit zur Regelung des Hydraulikdruck- und Hydraulikvolumenstrombedarfs des Hydraulikkreises aufweist. Somit umfasst die Führungssteuereinheit mindestens einen Drehzahlsollwertgeber, einen Druck- und Volumenstromregler und ein Pilotventil, während die Nebensteuereinheiten mindestens einen Druck- und Volumenstromregler und ein Pilotventil aufweisen.
Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Figur näher erläutert.
1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Steuerung einer Anlage, die Hydraulikkreise 2₁ bis 2_n aufweist. Jedem Hydraulikkreis 2₁ bis 2_n ist eine Hydraulikpumpe 3₁ bis 3_n zugeordnet, die mit dem Hydraulikkreis 2₁ bis 2_n über jeweils eine Hydraulikleitung 15₁ bis 15_n verbunden ist. Die Hydraulikpumpen 3₁ bis 3_n , die den Volumenstrom erzeugen, weisen einen Schwenkwinkelregler auf, mit dem der Volumenstrom zwischen Null und einem Maximalwert, der von der Drehzahl eines Antriebsmotors abhängt, einstellbar ist. Die Hydraulikpumpen 3.1 bis 3.n werden von einer gemeinsamen Antriebswelle 4 eines Elektromotors 5 betrieben. Zum Ankoppeln der Hydraulikpumpen 3 sind Kupplungen 10₁ bis 10_n in dem Antriebsstrang vorgesehen. Damit können die Hydraulikpumpen 3₁ bis 3_n in Serie an die Antriebswelle 4 des einzigen Elektromotors 5 angekoppelt werden.
Eine der Hydraulikpumpen 3 wirkt als Führungspumpe 3₁ mit einer Führungssteuereinheit 6 zusammen. Die übrigen Hydraulikpumpen 3₂ bis 3_n wirken jeweils mit einer Nebensteuereinheit 7 zusammen. Die Führungssteuereinheit 6 weist einen Drehzahlsollwertgeber 13 auf, der in Abhängigkeit von einem Druck/Volumenstrom-Profil Drehzahlsollwerte n_s berechnet und ausgibt. Dazu werden Drucksollwerte p_s1 bis p_sn und Volumenstromsollwerte Q_s1 bis Q_sn über die Steuerleitung 16 von einer speicherprogrammierbaren Steuereinheit 12 vorgegeben und der Vorrichtung 1 zur Steuerung einer Anlage mit Hydraulikkreisen 2₁ bis 2_n zur Verfügung gestellt.
In der Führungssteuereinheit 6 wird mit dem Drehzahlgeber 13 aus den von der speicherprogrammierbaren Steuerung 12 vorgegebenen variablen Werten für die Druckprofile p_s1 bis p_sn und Volumenstromprofile Q_S1 bis Q_sn abhängig von den Druckistwerten p_i1 bis pin sowie von den Volumenstromistwerten Q_i1 bis Qin der Hydraulikkreise 2₁ bis 2_n für eine vorgegebene Zeitspanne entsprechend zeitvariable Drehzahlsollwerte n_s einerseits an einen Frequenzumformer 8 zur Drehzahleinstellung des Elektromotors 5 über die Steuerleitung 17 und andererseits an jeden der Nebensteuereinheiten 7 über die Steuerleitung 18 ausgegeben. Somit kann für eine vorgegebene Zeitspanne der Elektromotor mit einer Solldrehzahl n_s die Hydraulikpumpen 3₁ bis 3_n antreiben und jede der Hydraulikpumpen 3₁ bis 3_n kann über die in den Steuereinheiten 6 und 7 enthaltenen Druck/Volumenstrom-Regler 14 in Zusammenwirken mit einer Pilotventileinheit 9 einen für dieses Zeitintervall vorgegebenen Solldruck p_s und Volumenstrom Q_s einhalten, die jeweils über eine Signalleitung 19 von den Nebensteuereinheiten 7 an die Führungssteuereinheit 6 übertragen werden.
Der jeweilige in den Hydraulikkreisen 2₁ bis 2_n herrschende Ist-Zustand in Form von Druck p_i und Volumenstrom Q_i wird über entsprechende Signalleitungen 20 an die jeweiligen Steuereinheiten 6 bzw. 7 und an die dort angeordneten Druck- und Volumenstromregler 14 transferiert. Diese Vorrichtung 1 zur Steuerung einer Anlage mit Hydraulikkreisen 2₁ bis 2_n ermöglicht somit, trotz nur eines einzigen Elektromotors mit variabler Drehzahl, die über den Frequenzumformer 8 zeitvariabel eingestellt wird, dass jeder Hydraulikkreis 2₁ bis 2_n und die in den Hydraulikkreisen angeordneten Aktoren mit unterschiedlichen angepassten Druckwerten und Volumenstromwerten über die variablen Hydraulikpumpen 3₁ bis 3_n versorgt werden.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung einer Anlage, die Hydraulikkreise aufweist, wobei den Hydraulikkreisen (2) Hydraulikpumpen (3) zugeordnet sind, und wobei jede der Hydraulikpumpen (3) mit jeweils einer Steuereinheit (6, 7) für einen Druck und einen Volumenstrom mindestens eines Hydraulikkreises (2) zusammenwirkt, und wobei die Hydraulikpumpen (3) in Serie an eine Antriebswelle (4) eines einzigen Elektromotors (5) angeschlossen sind, und wobei eine der Hydraulikpumpen (3) als Führungspumpe (3₁) mit einer Führungssteuereinheit (6) zusammenwirkt, die einen Sollwert (n_s) für die Drehzahl (n) des einzigen Elektromotors (5) ermittelt, und wobei in der Führungssteuereinheit (6) zeitvariable Drehzahlen (n) für den Elektromotor (5) berechnet werden und bei der Berechnung der Drehzahlen (n) unterschiedliche Druckwerte (p₁ bis p_n) und/oder Volumenstromwerte (Q₁ bis Q_n) zur Versorgung der Hydraulikkreise (2) verglichen und berücksichtigt werden, wobei die Vorrichtung Kupplungen (10, 11) aufweist, über welche die einzelnen Hydraulikpumpen (3) mit der Abtriebswelle (4) des einzigen Elektromotors (5) seriell koppelbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung eines zeitvariablen Sollwerts (n_s) der Drehzahl (n) des einzigen Elektromotors (5) eine Führungssteuereinheit (6) der Führungspumpe (3₁) einen Drehzahlsollwert (n_s) aus übermittelten erforderlichen Druckwerten (p₁ bis p_n) und/oder erforderlichen Volumenstromwerten (Q₁ bis Q_n) aller Hydraulikkreise (2₁ bis 2_n) ermittelt und einem Frequenzumformer (8), der mit dem einzigen Elektromotor (5) elektrisch in Verbindung steht, zuführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Hydraulikpumpen (3) mit jeweils einer Steuereinheit zusammenwirkt, das den Hydraulikdruck- und die Hydraulikvolumenstromversorgung des einzelnen Hydraulikkreises (2) zeitabhängig und variabel in Abhängigkeit von der aktuellen Solldrehzahl (n_s) regelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Führungssteuereinheit (6) ermittelten Werte für den Sollwert (n_s) zur Steuerung der Drehzahl (n) des Elektromotors (5) sowohl dem Frequenzumrichter (8) als auch an die weiteren Nebensteuereinheiten (7) der weiteren Hydraulikkreise (2) transferiert werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine speicherprogrammierbare Steuereinheit (12) die erforderlichen zeitabhängigen Druck- (p_s1 bis p_sn) und Volumenstromsollwerte (Q_s1 bis Q_sn) für die Führungssteuereinheit (6) und jede Nebensteuereinheit (7) vorgibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine eigenständige Regelung des Drucks (p) und Volumenstromes (Q) der angeschlossenen Hydraulikkreise (2) die Sollwerte für Druck (p_s1 bis p_sn) und Volumenstrom (Q_S1 bis Q_sn) und die aktuelle Drehzahl (n_s) des Elektromotors (5) in jeder Nebensteuereinheit (7) zur Verfügung stehen und jede Nebensteuereinheit (7) einen Schwenkwinkelregler und einen Druckregler als Pilotventileinheit (9) zur Regelung des Hydraulikdruck- und Hydraulikvolumenstrombedarfs des Hydraulikkreises (2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungssteuereinheit (6) mindestens einen Drehzahlsollwertgeber (13), einen Druck- und Volumenstromregler (14) und ein Pilotventil (9) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebensteuereinheit (7) mindestens einen Druck- und Volumenstromregler (13) und ein Pilotventil (9) aufweist.