DE102010055158A1 - Verfahren zur Druckregulierung in hydraulischen oder pneumatischen Systemen - Google Patents

Abstract

Wird in einem geschlossenen hydraulischem System ein Aggregat (Pumpe, Kompressor, Ventil) zur Druckerhöhung bzw. Druckminderung geschaltet, so verändert sich allein dadurch der Druck. Um gezielt auf einen Solldruck zu regeln, muss dieser„Strömungsdruck”kompensiert werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, beispielsweise zur Druckregulierung in geschlossenen hydraulischen Systemen, zu schaffen, welches sehr genau arbeitet und preiswert ist und sich den laufendenändernden Gegebenheiten selbstständig anpasst.Im beschriebenen Verfahren wird mittels Analyse von tatsächlicher Abweichung zu Solldruck (gewünschtes Ziel) nach Abschaltung eines Aggregates ein Korrekturwert ermittelt. Dieser (prozentualer Anteil) wird bei der nächsten Aggregataktivierung dazu genutzt, den eigentlichen Solldruck zu manipulieren, mit der Folge, dass das Aggregat früher (vorzeitig) bzw. später deaktiviert wird. Da bei jeder Aggregatabschaltung erneut ein Korrekturwert ermittelt wird, optimiert sich die Regelung ständig und der Solldruck wird nach Wegfall des Strömungsdruckes erzielt. Hydraulische Systeme, die sich bezüglich des Staudrucksändern (z. B. Sommer/Winterumschaltung), werden besser regelbar.Angewendet werden kann das Verfahren zur Druckhaltung in hydraulischen Anlagen (z. B. Heizungs- und Kühlanlagen), bei denen sich der Druckändern würde (Ausdehnung der Flüssigkeit durch Temperaturänderung). Dies gilt insbesondere auch dann, wenn Solldruckvorgaben geändert werden. Ferner sind ungünstig ausgelegte Systeme tolerierbar, so dass das Fachpersonal entlastet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckregulierung in hydraulischen oder pneumatischen Systemen, welches sich stetig selbstoptimiert zur präzisen Druckregelung in hydraulischen und pneumatischen Systemen.
• Eine aktive Regelung ist insbesondere in Heiz- und Kühlkreisläufen notwendig, wie beispielsweise in Wasserkreisläufen, wo sich das Medium durch Erwärmung ausdehnt bzw. zusammenzieht und sich dadurch der Systemdruck je Wassermenge stark ändert. Diese Druckänderung ist unerwünscht, insbesondere bei Flüssigkeiten, da nicht komprimierbar ist. Zur Anwendung kommen daher derzeitig pumpen- oder kompressorbasierte Druckhalteautomaten, die einen Solldruck durch Entnahme oder Hinzufügen stabil halten sollen. Gleichzeitig ändert sich jedoch durch die Aktivierung von Pumpen, Kompressoren und Ventilen der Systemdruck durch den dabei entstehenden Stoßwellen- und dem Strömungsdruck. Diese Störgrößen sind in ihrer Größe und Stärke nicht gleich, sondern variieren je nach dem Systemdruck, der hydraulischen Veränderung durch Wassermengen und Leistungslängen sowie der Temperatur. Dadurch müssen bei einer Vielzahl von Druckhalteautomaten hohe Druckabweichungen (Solldrucktoleranz) zugelassen werden, um Neigungen zum Schwingen zwischen Druckerhöhung und Druckverminderung auszugleichen, bei einem meist unbefriedigendem Gesamtergebnis.
• So werden neben den erhöhten Aufwendungen für hydraulische/pneumatische Abgleiche beispielsweise in derzeitig verwendeten Systemen mit Druckhalteautomaten extra Beistellbehälter mit Luftpolster eingebunden, um die beschriebenen Störgrößen zu minimieren. Der Nachteil ist erhöhter Kostenaufwand und Platzbedarf. Ferner bekannte Systeme, wie in der DE 2154900 C2 veröffentlicht, beschreiben eine Druckhalteeinrichtung für geschlossene Heizsysteme, bei denen das Heizmedium unter Überdruck steht, mit einem Niederdruckbehälter und mindestens einer Verbindungsleitung zwischen Niederdruckbehälter und Heizsystem in der eine Pumpe und mindestens ein druckgesteuertes Ventil angeordnet ist. Auch die EP 1855060 A3 beinhaltet ein Verfahren zur Entgasung und/oder Druckhaltung in einem geschlossenen Wasserkreislauf mit wenigstens einem Behälter zur Entgasung und/oder Druckhaltung, welchem über wenigstens einen Zulauf Wasser aus dem geschlossenen Wasserkreislauf zugeführt und aus welchem über wenigstens einen Ablauf Wasser in den geschlossenen Wasserkreislauf abgeführt wird, wobei die Förderung von Wasser aus dem Behälter in den Wasserkreislauf durch wenigstens eine im Ablauf angeordnete, mit einer Steuerung verbundene Pumpe erfolgt, wobei die Steuerung neben der wenigstens einen Pumpe ein im Zulauf vorgesehenes Ventil ansteuert.
• D. h. auch bei diesen Veröffentlichungen wird durch einen hydraulischen/pneumatischen Abgleich mit Blenden, Beipässen und durch Verlangsamung von Öffnungs- und Schließprozessen an Ventilen oder ähnlichem die Störungsminimierung bzw. -kompensation erreicht. Voraussetzungen hierfür sind zusätzliche Aufwendungen und der Einsatz hochwertiger Materialien und Ventile, da der Verschleiß maßgeblich durch die Druckhöhe bestimmt wird. Für die Erzielung eines festen, stabilen Systemsolldrucks sind fachgerechte hydraulische Einstellungen durch geschultes Personal nötig. Auch eine selbstständige Reaktion des Druckhalteautomaten auf sich verändernde hydraulische bzw. pneumatische Bedingungen z. B. Sommer- und Winterbetrieb ist nicht oder sehr begrenzt möglich.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren beispielsweise zur Druckregulierung in geschlossenen hydraulischen Systemen, zu schaffen, welches sehr genau arbeitet und preiswert ist und sich den laufenden ändernden Gegebenheiten selbstständig anpasst.
• Die Aufgabe wird erfinungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 sowie den Unteransprüchen gelöst.
• Durch das Verfahren, wie beispielsweise für die Druckregelung in hydraulischen System, wird erreicht, dass sich mit jedem Schaltzyklus auftretende Abweichungen von System-Soll- und System-Ist-Druck innerhalb weniger Folgen (Schaltzyklen) stark minimieren und sich die Genauigkeiten stetig erhöhen. Exakte hydraulische oder pneumatische Abgleiche sowie andere Maßnahmen zur Minderung von Störgrößen, können weitestgehend entfallen. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn Solldruckvorgaben geändert werden. Ferner sind ungünstig ausgelegte Systeme tolerierbar, so dass Fachpersonal entlastet wird. Zusammenfassend ergeben sich somit folgende Vorteile:
• – Durch das Verfahren werden Stoßwellen- und Strömungsdruck sowie sich ändernde Systembedingungen selbstpräzisierend kompensiert und auf einen beliebigen Sollsystemdruck exakt geregelt trotz eventuell auftretender Störeinflüsse und weitgehend ohne erneutem hydraulischem oder pneumatischem Abgleich oder anderer sonst verwendeter Mittel.
• – Das Verfahren ist von höchstem Nutzen, wenn es in elektronische Druckhalteautomaten implementiert wird, denn Aggregate zur Druckhaltung und Entgasung sind erst dann preiswert, wenn Ventile, Pumpen, Kompressoren einfache digitale Ansteuerungen, beispielsweise mit Relais oder Schütze, Verwendung finden.
• – In Systemen, deren Hydraulik oder Pneumatik als schwierig regelbar gelten, ermöglicht das Verfahren eine wesentliche genauere und stabilere Druckregelung.
• – Das Verfahren ist auch für andere Regelungen wie Temperatur, Luftstrom, Geschwindigkeiten, Drehzahlen u. a. m. anwendbar.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert:
  Die Druckkurve zeigt unter 1 den gemessenen (vom Solldruck abweichenden) Messwert-Ist-Druck, unmittelbar vor Aktivierung eines Aggregates. Der gemessene Messwert-Ist-Druck 6 ist unmittelbar nach Deaktivierung ablesbar. Es ist dabei das Ziel, dass die Werte System-Soll-Druck 7 und Messwert-System-Ist-Druck 6 sich in idealer Weise annähern, was bedeutet, dass der Systemsolldruck nach Wegfall von Stoßwellen-, Strömungsdruck exakt erreicht ist.
• Erster Zyklus: Zunächst ist der Wert 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates – nicht bekannt, da es noch keine Ausschaltung eines Aggregates gab. Dieser ist aber notwendig, um die gewollte Kompensation zu erreichen. Daher wird zunächst der Wert 3 – Messwertdifferenz = Stoßwellendruck/Strömungsdruck – in schon bekannter Form ermittelt, in dem unmittelbar vor und nach Aktivierung eines Aggregates der Druck-Ist-Wert gemessen und die Differenz errechnet wird. Zur Ausblendung der durch das Schalten entstandenen Spike artigen Störungen wird eine Zeit 2 – Spike durch Aktivierung des Aggregates – zwischen beiden Messwerten eingehalten. Zusätzlich zu dieser Zeit 2 können noch Schließzeiten, von beispielsweise Ventilen, hinzukommen. Jetzt wird der Wert 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates – gleich dem Wert 3 – Messwertdifferenz = Stoßwellendruck/Strömungsdruck – gesetzt. Da, je größer die Differenz von 1 – Messwert-System-Ist-Druck – zu 6 – Messwert-System-Ist-Druck –, desto unterschiedlicher die Größen 3 Messwertdifferenz = Stoßwellendruck/Strömungsdruck – zu dem Wegfall des Wertes 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates – sind, ist die Vorgehensweise eine erste Annäherung an das Ziel. Die Abschaltung des Aggregates erfolgt, wenn der Wert 4 – Messwert Druckanstieg durch entsprechende Laufzeit des Aggregates – minus 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates – gleich 7 – System-Soll-Druck (Ziel) – ist. Nach Ablauf einer Zeit (Spike-Ausblendung wie 2) wird der Fehlerwert 8 – Fehlerwert (Differenz von Soll und Ist) – aus der Differenz von Wert 6 – Messwert-System-Ist-Druck – und 7 – System-Soll-Druck (Ziel) – errechnet wird. Dieser ist im Idealfall Null. Die Summe aus dem Wert 8 – Fehlerwert (Differenz von Soll und Ist) und 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregatesbilden jetzt den neuen Korrekturwert, wobei der Wert 8 – Fehlerwert (Differenz von Soll und Ist) – prozentual gewertet wird und den ersten Wert für die spätere „Laufende Mitteilung” darstellt. Dabei entsteht ein eigenständiger Wert 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates –, der dauerhaft gespeichert werden kann.
• Folgezyklus: Im Gegensatz zum ersten Zyklus wird der Wert 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates – normalerweise nicht mit dem Wert 3 – Messwertdifferenz = Stoßwellendruck/Strömungsdruck – gleichgesetzt. Weicht aber der neu ermittelte Wert 3 – Messwertdifferenz = Stoßwellendruck/Strömungsdruck – über ein festgelegtes Maß von 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates – ab, kann eingeschätzt werden, ob der gespeicherte Wert 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates – doch gleichgesetzt wird oder ob später der entstehende Wert 8 – Fehlerwert (Differenz von Soll und Ist) – in diesem Zyklus ingnoriert wird. Zusammen mit anderen größeneinschränkenden Maßnahmen kann verhindert werden, dass kein falscher Korrekturwert entsteht, dass wäre beispielsweise bereits bei einem geschlossenen Hahn in der Leitung der Fall. Der Abschaltdruck für das Aggregat wird aus dem Wert 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates – minus dem Wert 7 – System-Soll-Druck (Ziel) – errechnet. Ist die Abschaltung erfolgt, wird ein neuer Fehlerwert 8 – Fehlerwert (Differenz von Soll und Ist) – anhand der Differenz aus dem Wert 6 – Messwert System-Ist-Druck – und dem Wert 7 – System-Soll-Druck Ziel – ermittelt. Dieser geht wiederum mit einem prozentualen Anteil in die „Laufende Mitteilung” in den Wert 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungdruckes nach Deaktivierung des Aggregates – ein und es entsteht so der neue Korrekturwert für den nächsten Zyklus. Analog kann dieser wieder dauerhaft gespeichert werden, um bei Spannungsunterbrechung nicht mit dem ersten Zyklus beginnen zu müssen. Die Vorzeichen der Berechnung sind bei Druckerhöhung und Druckminderung gegensätzlich. Für jedes Aggregat ist ein eigenständiger Wert 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates – nötig. Mehrere mathematische Möglichkeiten sind selbstverständlich zur Errechnung desselben Ergebnisses möglich. Werden Systemdruckänderungen automatisch verändert, beispielsweise um Wasser gezielt aus dem System zu entnehmen oder hinzuzufügen, so ist für diese Drucklagen ebenfalls pro Aggregate ein eigenständiger Wert 5 – Wegfall des Stoßwellendruckes/Strömungsdruckes durch Deaktivierung des Aggregates – notwendig.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 2154900 C2 [0003]
• EP 1855060 A3 [0003]

Claims (1)

1. Verfahren zur Druckregelung in hydraulischen und pneumatischen Systemen dadurch gekennzeichnet, dass mittels Analyse von tatsächlicher Abweichung zum Solldruck nach Abschaltung beispielsweise eines Aggregates ein Korrekturwert so ermittelt wird, indem dieser als prozentualer Anteil bei der nächsten Aggregataktivierung dazu genutzt wird den eigentlichen Solldruck so zu manipulieren, dass das Aggregat früher (vorzeitig) oder später deaktiviert wird, wobei sich bei jeder Aggregatabschaltung erneut ein Korrekturwert ergibt, der sich in der Regel ständig optimiert, so dass so der Solldruck nach Wegfall des Strömungsdruckes erzielt bzw. einstellbar ist.

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