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Die Erfindung betrifft einen Positionsantrieb und ein Positionsantriebsystem zum Antrieb von Ventilen, insbesondere von Verdünnungswasserventilen, wie sie in Faserstoffbahnherstellungsmaschinen eingesetzt werden.
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Es ist bekannt, dass Faserbahnherstellungsmaschinen einen Stoffauflauf aufweisen, der über eine Vielzahl von Leitungen aus einem Verteiler mit Stoffsuspension versorgt wird, wobei die einzelnen Volumenströme durch einstellbare Ventile geregelt werden.
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Weiterhin ist bekannt, dass zur Regelung des Flächengewichtes eine weitere sektionale Stoffzuführung in den Stoffauflauf erfolgt. Eine derartige Mischeinrichtung ist Beispielsweise aus der Patentanmeldung
DE 40 19 593 bekannt. Hier wird eine Mischeinrichtung vorgestellt, die dazu dient, mehrere Teilvolumenströme derart zu mischen, dass ein konstanter Gemischvolumenstrom entsteht. Hierzu werden Teilvolumenströme in Mischer geführt und durch Anwendung einer aufwendigen Ventilsteuerung in Abhängigkeit voneinander mittels Positionierantrieben geregelt.
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Ziel ist es, das Flächengewicht der Faserstoffbahn derart zu regeln, dass das Flächengewicht in Querrichtung möglichst konstant ist. Dies geschieht mit Hilfe einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Ventilen, einem sogenannten Array.
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Alle Ventile verfügen über einen Aktuator oder Positionsantrieb, durch den die Zugabe von Verdünnungswasser geregelt wird.
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Ein bekannter Positionsantrieb ist in einem mehrteiligen, verschraubten Antriebsgehäuse aus Edelstahl untergebracht. Zur Überwachung der Schubstangenposition ist im Gehäuse ein Encoder eingebaut.
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Zudem beinhaltet der Positionierantriebe eine eigene Steuerungselektronik, wobei ein Array von Positionierantrieben in Reihe miteinander verschaltet ist. Fällt also ein Positionierantrieb aus, ist der ganze Array funktionslos.
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Durch die mehrteilige Ausführung des Gehäuses kommt es aufgrund der extremen Umwelteinflüsse wie Wasser, Vibration, Temperatur und/oder Chemikalien über die Zeit relativ häufig zu Undichtigkeiten, wodurch Maschinenstörungen verursacht werden.
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Um vorbeugende Maßnahmen der Wartung zu erfüllen, müssen heutzutage die Positionierantriebe in regelmäßigen Abständen geprüft werden. Dies ist, durch die große Anzahl der Positionierantriebe, eine CD Profilierungseinrichtung besteht aus bis zu 200 Positionierantrieben, eine sehr aufwendige Prozedur.
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Aufgabe der Erfindung ist es einen Positionierantrieb und ein Positionierantriebsystem bereitzustellen, welcher (s) eine erhöhte Betriebsicherheit und Standzeit aufweißt und zudem den Wartungsaufwand reduziert.
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Diese Aufgabe wird mit einem Positionsantrieb zum Antrieb von Ventilen der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Antriebsmotor ein Schrittmotor bzw. ein Synchronmotor verwendet wird, der von einer außerhalb des Antriebsgehäuses angeordneten Steuereinheit aus regelbar ist, wobei der Verschiebeweg der Schubstange über die Zählung der Vollschritte des Schrittmotors bestimmt wird.
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Somit enthält der Positionierantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich weniger Bauteile, gegenüber einem Antrieb gemäß dem Stand der Technik, wodurch die Betriebssicherheit wesentlich erhöht wird.
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Der Schrittmotor ist dabei so bemessen, dass sein Haltemoment (auch Schleichfahrt) die maximal vorkommende Kraft bewältigt, ohne einen Vollschritt zu verlieren.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, an den Endpositionen der Schubstange Endschalter zu positionieren, mit denen die Endpositionen der Schubstange bestimmbar sind.
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Die Endschalter können wechselweise angefahren und dabei die Anzahl der Vollschritte mitgezählt werden, die notwendig sind, um die Schubstange vollständig von einer Endposition zur Anderen zu verschieben. Dies erfolgt vorzugsweise mit der kleinsten Geschwindigkeit, um einen Wegfehler auszuschließen.
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Durch ein einteilig ausgeführtes Antriebsgehäuse bzw. die Ausführung des Antriebsgehäuses aus mind. zwei Gehäusekomponenten, die durch eine Hybrid-Füge-Technik dauerhaft einteilig miteinander verbundnen sind, aus dem nur die bewegliche Schubstange herausragt und das Steuerkabel durchgeführt wird, ist sichergestellt, dass keine unnötige Verbindungsstelle vorhanden ist, die eine Undichtigkeit verursachen kann.
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Vorzugsweise besteht das Antriebsgehäuse aus eloxiertem Aluminium, welches sich besonders gut durch die Hybrid-Füge-Technik verbinden lässt und zudem einen ausreichenden Schutz vor den aggressiven äußeren Einflüssen gewährleistet.
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Das erfindungsgemäße Positionsantriebssystem für den Einsatz in einer CD Profilierungseinrichtung, mit Positionsantrieben, die eine der oben angegebenen Merkmalskombination aufweisen, löst die Aufgabe dadurch, dass die Steuerung zur Regelung der Schrittmotoren bzw. Synchronmotoren der Positionsantriebe der Ventile über eine zentrale Steuereinheit erfolgt, die an einem zentralen Platz positioniert und mit dem Positionsantrieben verkabelt ist.
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Die Schrittmotoren von der Steuereinheit aus unabhängig voneinander gesteuert werden, sodass beim Ausfall eines Positionsantriebes dieser direkt und eindeutig identifiziert werden kann, es aber nicht zu einem Ausfall der gesamten CD Profilierungseinrichtung kommt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, zur Ermittlung des Verfahrweges jedes Positionsantriebes die Endschalter, jedes Positionsantriebes, anzufahren und dabei die Vollschritte zu zählen: Dies sollte vorzugsweise beim ersten Einschalten geschehen und kann bei jedem Stillstand, sofern es der Prozess zulässt, wiederholt werden.
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Vorzugsweise werden die Endschalter, bei der Ermittlung des Verfahrweges, mit der kleinsten Motordrehzahl und dem größten Motormoment angefahren. So ist sichergestellt, dass alle Vollschritte erfasst werden und es im Betrieb zu einer sehr genauen Positionierung der Schubstange und damit der Ventilstellung kommt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, die Schrittmotoren bzw. Synchronmotoren dynamisch zu regeln, indem z. B. vor jeder Fahrt eine Berechnung einer Beschleunigungsrampe, der Verfahrgeschwindigkeit und der Verzögerungsrampe erfolgt. Ein Verfahren der Achse erfolgt unter dem Gesichtspunkt, dass jeder Schrittimpuls exakt ausgeführt wird und nicht durch zu geringes Drehmoment blockiert oder durch Überschwingen beeinflusst wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert und ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Figuren zeigen beispielhaft:
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1 ein Positionierantrieb mit Ventil sprechend dem Stand der Technik
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2 ein erfindungsgemäßen Positionierantrieb
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3 eine schematische Übersicht von einer CD Regeleinrichtung
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In 1 ist ein Positionierantrieb 7, mit Ventil 6, sprechend dem Stand der Technik gezeigt. Im Positionierantriebsgehäuse 9 ist eine Schubstange 10, die aus dem Positionierantriebgehäuse 9 herausragt und in diesem axial verschiebbar gelagert ist, ein Spindelantrieb 11 zur axialen Verschiebung des Schubgestänges 10, ein Antriebsmotor 12 sowie die Steuerelektronik 13 und eine Encoder 14, zur genauen Ermittlung der Position der Schubstange 10, untergebracht.
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Um all diese Komponenten in einem Gehäuse 9 unterzubringen, ist ein sehr aufwendiger Aufbau des Gehäuses 9 notwendig. Zudem ist es erforderlich das Gehäuse 9 mittels mehrerer Schraubverbindungen lösbar zu verschließen, um zu Wartungszwecken dieses öffnen zu können.
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Die Steuerelektroniken 13 der einzelnen Positionierantriebe 7 sind mittels einer Reihenschaltung miteinander verbunden, sodass die Signale der CD Regelungseinrichtung 1 der Reihe nach durch alle Elektroniken der Positionierantriebe geleitet werden muss. Der Ausfall einer Steuerelektronik verursacht somit den Ausfall des ganzen Arrays, sodass keine CD Regelung mehr erfolgen kann.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Positionierantrieb 7, der aus wesentlich weniger Komponenten besteht. Das im Wesentlichen zylindrische Antriebsgehäuse 9 ist mit einem Anschlussflansch versehen, mit dem der Positionierantrieb an dem Ventil 6 befestigt wird.
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Die Schubstange 10 ist wie gehabt, im Antriebsgehäuse 9 verschiebbar gelagert und ragt aus dem Gehäuse heraus.
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Im Gehäuse befinden sich im Wesentlichen nur ein Schrittmotor 17, ein Spindelantrieb 11 sowie zwei Endschalter 15, 16. Wobei ein Anschlusskabel 19 vorgesehen ist welches den Schrittmotor 17 und die Endschalter 15, 16 mit der Steuerungseinheit 4 verbindet.
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Bauartenbedingt ist der Weg zwischen den Endschaltern 15, 16 bekannt oder kann bei der Erstinbetriebnahme-Messung, durch die Zählung der Vollschritte, genau ermittelt werden.
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Das Antriebsgehäuse 9 besteht aus mehreren Teilen, die aus Aluminiumvollmaterial gefertigt sind. Die einzelnen Teile werden nach der Montage der Antriebsbauteile 10, 11, 15, 16, 17 und 19 durch eine Hybrid-Füge-Technik (kleben und formveränderndes Pressen) dauerhaft, dicht und nicht mehr lösbar miteinander verbunden.
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Die Standzeit des Positionsantriebs 7 wird zudem erhöhen, da die notwendige Steuerelektronik 13 nicht mehr in dem Antriebsgehäuse 9 eingebaut ist, sondern in einer abgesetzten Elektronikbox, die bis zu 8 Positionsantriebe steuern und in einem entsprechend geschützten Schrank eingebaut sein kann. Die Entfernung zwischen Steuerelektronik und Positionsantrieb kann bis zu 15 m betragen.
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In der 3 ist eine schematische Übersicht einer CD Regeleinrichtung 1 dargestellt. Die CD Regeleinrichtung 1 besteht aus einer CD Profilierungseinrichtung 2, einer Steuereinheit 4 sowie einem Messrahmen, mit dem das Flächengewichts- und Feuchtequerprofil gemessen wird. Wobei die CD Profilierungseinrichtung 2 aus bis zu 200 Ventileinheiten 6 besteht, mit denen das Flächengewicht in Querrichtung (CD), durch Zugabe von Verdünnungswasser 8, geregelt wird. Jede Ventileinheit besteht aus einem Ventil 6, welche von einem Positionierantrieb 7 angesteuert wird.
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Die CD Profilierungseinheit kann aus mehreren Steuereinheiten 4 bestehen, wobei an jeder Steuereinheit 4 mehrere Positionierantriebe 7 angeschlossen sind. Vorzugsweise werden acht Positioniereinheiten 7 an einer Steuereinheit 4 angeschlossen.
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Vorteile der vorliegenden Erfindung sind:
- – kostengünstiger und robuster Aufbau der Positionierantriebe
- – einfache Lokalisierung von Fehlerquellen
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Bezugszeichenliste
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- 1
- CD Regeleinrichtung
- 2
- CD Profilierungseinrichtung
- 3
- Messrahmen
- 4
- Steuereinheit
- 5
- Stoffauflauf
- 6
- Ventil
- 7
- Positionsantrieb
- 8
- Verdünnungswasser
- 9
- Antriebsgehäuse
- 10
- Schubstange
- 11
- Spindelantrieb
- 12
- Antriebsmotor
- 13
- Steuerelektronik
- 14
- Encoder
- 15
- erster Endschalter
- 16
- zweiter Endschalter
- 17
- Schrittmotor
- 18
- Gehäuseverbindung
- 19
- Anschlusskabel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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