DE102012218146A1

DE102012218146A1 - Kalibrierungsverfahren für ein fluidsystem und fluidsystem

Info

Publication number: DE102012218146A1
Application number: DE201210218146
Authority: DE
Inventors: Ville Hopponen; Matti Välikylä; Arto Ikonen
Original assignee: Metso Paper Oy
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2014-04-10

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Kalibrierungsverfahren für ein Fluidsystem, insbesondere einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Zufuhrventilen und einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ablassventilen, die über eine gemeinsame Fluidleitung mit einer Druckkammer eines Fluidzylinders fluidverbunden sind. Das Kalibrierungsverfahren weist folgende Schritte auf: a) Öffnen eines Zufuhrventils und eines Ablassventils, so dass sich an beiden Ventilen der gleiche Volumenstrom einstellt, wobei die Druckdifferenz an jeweils dem Zufuhrventil und dem Ablassventil ermittelt wird, b1) Berechnen eines Durchflusskoeffizientenwerts des Ablassventils auf der Basis der ermittelten Druckdifferenzen und des Durchflusskoeffizienten des Zufuhrventils, der als bekannt angenommen wird, und/oder b2) Berechnen eines Durchflusskoeffizientenwerts des Zufuhrventils auf der Basis der ermittelten Druckdifferenzen und des Durchflusskoeffizienten des Ablassventils, der als bekannt angenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kalibrierungsverfahren für ein Fluidsystem sowie ein Fluidsystem, wobei das Fluidsystem bevorzugt ein Fluidsystem einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, wie beispielsweise eine Papier- oder Kartonmaschine ist.
In Papiermaschinen wird verbreitet Arbeitsfluid (beispielsweise Hydrauliköl, Luft, Wasser, unterschiedliche Gase oder Emulsionen bzw. Gemische dieser Fluide) als Betätigungs- und Steuerungsmittel eingesetzt; insbesondere werden Stellglieder hydraulisch angetrieben, mit denen große Kräfte mit hoher Genauigkeit eingestellt und ausgeübt werden können.
In der Regel wird ein Arbeitsfluid verwendet, das von einer Pumpe unter Druck gesetzt wird. Die Einleitung des unter Druck stehenden Arbeitsfluids in ein hydraulisches Stellglied, wie beispielsweise einen Fluidzylinder oder einen Fluidmotor (beispielsweise Hydraulikmotor) wird vor allem in jüngerer Zeit mittels digital gesteuerter Ventile, die einen Druckregler bilden, gesteuert.
Die Arbeitsweise eines digitalen Druckreglers ist beispielsweise in der Zeitschrift „Fluid", Nr. 7–8, 2008, Seiten 12–13 genauer beschrieben und wird nachfolgend nochmals sehr kurz zusammengefasst dargestellt:
Ein digital gesteuerter Druckregler besteht im einfachen Fall aus einer Reihe parallel geschalteter, digital gesteuerter Ventile, die lediglich eine AUF/ZU-Funktion besitzen und im Ruhezustand (ZU-Zustand) dicht sind. Es sind also einfache Ein-Aus-Schaltventile, die einen Durchfluss zulassen oder unterbrechen und in dieser Anmeldung durchgängig als Ventile bezeichnet werden können. Die Ventile sind alle mit einer gemeinsamen Zuführleitung einerseits und mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung andererseits verbunden. Die Ventile selbst können herkömmliche Solenoidventile, d.h. Ventile mit elektromagnetischem Antrieb sein. Natürlich können auch andere Antriebsformen gewählt werden.
Diese Ventile können unterschiedliche Durchflüsse haben, beispielsweise durch Anschluss oder Einbau von Drosselelementen. Bevorzugt stehen die Ventile in einem Reihenverhältnis von 1:2:4:8... zueinander, wobei sich die Länge der Reihe gemäß der Zahl der Ventile bestimmt.
Durch Öffnen und Schließen einzelner Ventile bzw. Ventilkombinationen, die auf der Basis von mathematischen Modellen von einem Rechner bestimmt und ausgewählt werden, kann nun eine sehr rasche und präzise Druckeinstellung in der Ausgangsleitung bzw. in dem daran angeschlossenen Stellglied erreicht werden. Dies wird erreicht, indem die analoge Regelkurve eines herkömmlichen proportionalen Steuerventils durch eine digital erstellte (angenäherte) Regelkurve ersetzt wird. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von Nichtlinearitäten und/oder Hysterese des analogen Proportionalventils eine stufenförmig angenäherte Gerade sein, die es erlaubt, einen Regelpunkt schnell und (nahezu) überschwingungsfrei anzufahren. Eine Verwendung von solchen Druckreglern ist beispielsweise in der WO 2009/077650 A1 beschrieben.
Um jedoch einen Druck in einem Fluidsystem mit digital gesteuerten Ventilen präzise einstellen zu können, müssen die Durchflussraten der Ventile bekannt sein bzw. muss das System kalibriert werden. Dazu werden herkömmlich Strömungsmesseinrichtungen wie ein Rotameter, Drucktransmitter, etc. verwendet, die zusätzliche Komponenten sind und damit einen erhöhten Kostenaufwand zur Folge haben.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Kalibrierungsverfahren für ein Fluidsystem mit digital gesteuerten Ventilen sowie ein Fluidsystem mit digital gesteuerten Ventilen vorzusehen, die eine Kalibrierung des Fluidsystems in einfacher und kostengünstiger Weise ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Kalibrierungsverfahren für ein Fluidsystem bzw. einem Fluidsystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Allgemeinen werden die Durchflussraten bzw. -koeffizienten von digital gesteuerten Ventilen, die eine Fluidzufuhr/-abfuhr zu/von einem Fluidzylinder regeln, durch Fahren des Fluidzylinders von einem Ende zu dem anderen Ende und Berechnen der Durchflussraten auf der Basis von Ausgaben von Drucktransmittern und Linearsensoren ermittelt. Alternativ können die Durchflussraten über einen Strömungsmesser bzw. -transmitter und Drucktransmitter ermittelt werden. Die letztere Möglichkeit wird in jüngster Zeit häufiger verwendet.
Diese beiden Bestimmungsmöglichkeiten haben jedoch die folgenden Nachteile:

– zusätzlich zu den Drucktransmittern ist auch ein teurer Strömungstransmitter oder ein teurer Linearsensor erfordert,
– es ist schwierig die Durchflussraten vor Ort, d.h. nach Einbau in die Papiermaschine, genau nachzumessen.

In Anbetracht dieser Nachteile betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Kalibrierungsverfahren für ein Fluidsystem, insbesondere einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Zufuhrventilen und einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ablassventilen, die über eine gemeinsame Fluidleitung mit einer Druckkammer eines Fluidzylinders fluidverbunden sind (die Zufuhr- und Ablassventile bilden einen Druckregler). Das Kalibrierungsverfahren weist folgende Schritte auf:

a) Öffnen eines Zufuhrventils und eines Ablassventils, so dass sich an beiden Ventilen der gleiche Volumenstrom einstellt, wobei die Druckdifferenz an jeweils dem Zufuhrventil und dem Ablassventil ermittelt wird, und
b1) Berechnen eines Durchflusskoeffizientenwerts des Ablassventils auf der Basis der ermittelten Druckdifferenzen und des Durchflusskoeffizienten des Zufuhrventils, der als bekannt angenommen wird, und/oder
b2) Berechnen eines Durchflusskoeffizientenwerts des Zufuhrventils auf der Basis der ermittelten Druckdifferenzen und des Durchflusskoeffizienten des Ablassventils, der als bekannt angenommen wird.

Grundsätzlich kann der ventilspezifische Durchflusskoeffizient K_V eines Ventils näherungsweise über die Gleichung Q = K_V ∆p berechnet werden, wobei Q der Volumenstrom und ∆p die Druckdifferenz an dem Ventil sind.
Stellt man nun an zwei Ventilen (Zufuhrventil und Ablassventil) den gleichen Volumenstrom ein (durch Öffnen dieser Ventile, während die restlichen Ventile geschlossen bleiben), dann erhält man durch Gleichsetzen der Volumenströme folgende Gleichung:
wobei K_V1 und ∆p₁ der Durchflusskoeffizient bzw. die Druckdifferenz des ersten Ventils (bspw. des Zufuhrventils) sind und K_V2 und ∆p₂ der Durchflusskoeffizient bzw. die Druckdifferenz des zweiten Ventils (bspw. des Ablassventils) sind.
Indem man nun den Durchflusskoeffizienten eines dieser Ventile als bekannt annimmt (d.h. man verwendet bspw. den Durchflusskoeffizienten gemäß der Ventilspezifikation vor Einbau oder den Wert, der in einer vorhergehenden Kalibrierungssequenz ermittelt worden ist), kann der Durchflusskoeffizient des anderen Ventils über die vorstehende Gleichung berechnet werden.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

– die teuren Strömungstransmitter bzw. Linearsensoren sind nicht mehr notwendig; weder im Testaufbau noch nach Einbau der Ventile in die Papiermaschine;
– es ist möglich, die Durchflusskoeffizienten sehr genau ohne Hilfskomponenten oder sich bewegende Stellglieder zu bestimmen.

Bevorzugt weist das vorstehend beschriebene Kalibrierungsverfahren des Weiteren die folgenden Schritte auf:

c1) Durchführen der Schritte a) und b1) für eine Kombination aus dem Zufuhrventil und jedem der Ablassventile, so dass für jedes der Ablassventile ein zugehöriger Durchflusskoeffizientenwert berechnet wird,
c2) Durchführen der Schritte a) und b2) für eine Kombination aus dem Ablassventil und jedem der Zufuhrventile, so dass für jedes der Zufuhrventile ein zugehöriger Durchflusskoeffizientenwert berechnet wird,
d1) Durchführen der Schritte a), b1), c1) für jedes der Zufuhrventile, so dass für jedes der Ablassventile eine Vielzahl von Durchflusskoeffizientenwerten entsprechend der Anzahl der Zufuhrventile berechnet wird,
d2) Durchführen der Schritte a), b2), c2) für jedes der Ablassventile, so dass für jedes der Zufuhrventile eine Vielzahl von Durchflusskoeffizientenwerten entsprechend der Anzahl der Ablassventile berechnet wird,
e1) Festlegen der Durchflusskoeffizienten der Zufuhrventile auf der Basis der berechneten zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerte, und
e2) Festlegen der Durchflusskoeffizienten der Ablassventile auf der Basis der berechneten zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerte.

Gemäß dieser bevorzugten Weiterbildung wird also bspw. zunächst der Durchflusskoeffizient eines ersten druck- oder pumpenseitigen Ventils (Zufuhrventil) als bekannt angenommen und auf der Basis dieses als bekannt angenommenen Durchflusskoeffizienten wird nacheinander ein Durchflusskoeffizientenwert für jedes der tankseitigen Ventile (Ablassventile) berechnet, indem das druckseitige Ventil und jeweils eines der tankseitigen Ventile gemeinsam geöffnet werden, so dass sich der gleiche Volumenstrom an den beiden Ventilen einstellt. Dieser Ablauf wird wiederholt, bis für jedes der tankseitigen Ventile ein Durchflusskoeffizientenwert bestimmt worden ist. In gleicher Weise kann dann der Durchflusskoeffizient eines ersten tankseitigen Ventils (Ablassventil) als bekannt angenommen und auf der Basis dieses als bekannt angenommenen Durchflusskoeffizienten nacheinander ein Durchflusskoeffizientenwert für alle druckseitigen Ventile (Zufuhrventile) berechnet werden.
Anschließend wird der Durchflusskoeffizient eines zweiten druck- oder pumpenseitigen Ventils (Zufuhrventil) als bekannt angenommen und auf der Basis dieses als bekannt angenommenen Durchflusskoeffizienten wird nacheinander für jedes der tankseitigen Ventile (Ablassventile) ein weiterer Durchflusskoeffizientenwert berechnet. Dann wird der Durchflusskoeffizient eines zweiten tankseitigen Ventils (Ablassventil) als bekannt angenommen und auf der Basis dieses als bekannt angenommenen Durchflusskoeffizienten wird nacheinander ein Durchflusskoeffizientenwert für jedes der druckseitigen Ventile (Zufuhrventile) berechnet. Dieser Ablauf wird für jedes der pumpenseitigen Ventile und für jedes der tankseitigen Ventile durchgeführt, bis alle Ventile einmal untersucht worden sind (d.h. bis für jedes pumpenseitige/tankseitige Ventil der Durchflusskoeffizient als bekannt angenommen worden ist und als Berechungsgrundlage für den Durchflusskoeffizientenwert jedes tankseitigen/pumpenseitigen Ventils gedient hat; dies entspricht einer Messsequenz).
Somit wird für jedes Ventil eine Vielzahl von Durchflusskoeffizientenwerten entsprechend der Anzahl der tankseitigen bzw. pumpenseitigen Ventile und dementsprechend, wie oft die vorstehende Messsequenz durchgeführt wird (bevorzugt wird die vorstehende Messsequenz für eine Neukalibrierung einmal durchgeführt), erhalten.
Für jedes Ventil kann dann auf der Basis der ermittelten zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerte der Durchflusskoeffizient bestimmt werden. Der bestimmte Durchflusskoeffizient kann dann bei einer nachfolgenden Kalibrierungssequenz als der als bekannt angenommene Durchflusskoeffizient verwendet werden.
Die vorstehend beschriebenen Schritte können dabei in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Bspw. kann zuerst der Durchflusskoeffizient aller druckseitigen Ventile als bekannt angenommen werden, um Durchflusskoeffizientenwerte für die tankseitigen Ventile zu berechnen, und anschließend der aller tankseitigen Ventile, um Durchflusskoeffizientenwerte für die druckseitigen Ventile zu berechnen oder umgekehrt. Bspw. ist es aber auch möglich, den Durchflusskoeffizienten der druckseitigen und pumpenseitigen Ventile im Wechsel anzunehmen etc.
Bevorzugt wird für jedes der Ventile der Durchflusskoeffizient durch Mitteln zugehöriger Durchflusskoeffizientenwerte bestimmt.
Bevorzugt bleiben für das Mitteln diejenigen von den zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerten unberücksichtigt, die sich von den anderen der zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerte stark unterscheiden.
Bevorzugt werden für das Mitteln nur diejenigen von den zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerten verwendet, die innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen.
Bevorzugt ist die Anzahl der Zufuhrventile und der Ablassventile gleich und/oder bevorzugt sind die Zufuhrventile und die Ablassventile über eine gemeinsame zu der Druckkammer führende Fluidleitung verbunden, wobei die Fluidleitung gegenüber der Druckkammer absperrbar ist.
Das vorstehend beschriebene Kalibrierungsverfahren wird bevorzugt anstelle einer normalen Strömungsmessung mit Strömungsmessern durchgeführt.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhöht sich die Sequenzzeit nicht, jedoch wird die Berechnung im Digitalregler, der die Ventile steuert, aufwändiger. Vom Standpunkt der Leistungsfähigkeit her, ist dies jedoch nicht relevant, weil die Berechnung nur einmal am Ende der Sequenz durchgeführt wird.
Bei vielen Kalibrierungsverfahren besteht das Problem, dass diese nur anwendbar sind, falls die digital gesteuerten Zufuhr- und Ablassventile eines Ventilsatzes, mit dem der Druck in der Druckkammer eines Fluidzylinders gesteuert wird, in derselben Größenordnung liegen. Falls bspw. die druckseitigen Zufuhrventile sehr klein sind, d.h. einen geringen Durchflusskoeffizienten haben, während die tankseitigen Ablassventile sehr groß sind, d.h. einen großen Durchflusskoeffizienten haben, ist es schwierig bzw. nicht möglich, den Durchflusskoeffizienten der Ablassventile zu messen, da, unabhängig davon welches Zufuhrventil geöffnet wird, praktisch kein Druckverlust an den Ablassventilen erzeugt wird und die Druckmessung in der Druckkammer in der Praxis somit Null ergibt.
Folglich weisen bestehende Fluidsysteme die folgenden Nachteile auf:

– die Zufuhrventile und Ablassventile eines Ventilsatzes müssen in derselben Größenordnung liegen, und
– falls die Zufuhr- und Ablassventile eines Ventilsatzes dennoch stark unterschiedliche Größen haben, führen die herkömmlichen Kalibrierungsverfahren nicht zum Erfolg.

In Anbetracht dessen ist gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Fluidsystem, insbesondere einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Zufuhrventilen und einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ablassventilen vorgesehen, die über eine gemeinsame Fluidleitung mit einer Druckkammer eines Fluidzylinders fluidverbunden sind. Dabei umfasst die Vielzahl der Zufuhrventile ein Kalibrierungsventil, das einen höheren Durchflusskoeffizienten als jedes der restlichen Zufuhrventile hat. Die Vielzahl der Ablassventile weist wenigstens ein Ablassventil auf, das einen höheren Durchflusskoeffizienten hat als jedes der restlichen Zufuhrventile, und das Kalibrierungsventil wird ausschließlich zur Kalibrierung des Fluidsystems eingesetzt.
Mit dem Fluidsystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann aufgrund des Vorsehens des Kalibrierungsventils jedes Ventil mit den herkömmlichen Kalibrierungsverfahren kalibriert werden, selbst falls die Zufuhr- und Ablassventile eines Ventilsatzes stark unterschiedliche Größen haben, d.h. stark asymmetrisch sind.
Bevorzugt wird bei der Kalibrierung des Fluidsystems der Durchflusskoeffizient des wenigstens einen Ablassventils durch Öffnen des Kalibrierungsventils und des wenigstens einen Ablassventils, während die restlichen Ventile geschlossen sind, und Erfassen der Druckdifferenz an jeweils dem Kalibrierungsventil und dem wenigstens einen Ablassventil bestimmt.
Falls die Kalibrierung von digital gesteuerten Zufuhr- und Ablassventilen eines Fluidsystems auf der Basis einer Strömungsmessung durchgeführt wird, muss die Größe des Strömungssensors sorgfältig ausgewählt werden, weil kleine Sensoren zwar kleine Volumenströme sehr genau messen und damit zur genauen Bestimmung kleiner Durchflusskoeffizienten geeignet sind, bei großen Volumenströmen kann der Sensor jedoch beschädigt werden oder brechen. Mit großen Sensoren können dagegen kleine Volumenströme nur ungenau bzw. gar nicht erfasst werden, wodurch sie zur Kalibrierung von Ventilen mit kleinem Durchflusskoeffizienten nicht geeignet sind.
Daher ist es bei Fluidsystemen, die einen Satz digital gesteuerter Ventile (Zufuhr- und Ablassventile) mit stark unterschiedlicher Größe aufweisen, nicht möglich, den Durchflusskoeffizienten aller Ventile mit einem herkömmlichen, auf Strömungsmessung basierten Verfahren genau zu messen.
In Anbetracht dessen ist gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ein Fluidsystem, insbesondere einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Zufuhrventilen und einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ablassventilen vorgesehen, die über eine gemeinsame Fluidleitung mit einer Druckkammer eines Fluidzylinders fluidverbunden sind. Dabei wird mit Druck beaufschlagtes Fluid über eine Speisedruckleitung zu den Zufuhrventilen zugeführt. Die Speisedruckleitung ist mit einem Diagnoseventilblock versehen, der in einen Diagnosemodus geschaltet werden kann, in dem der Diagnoseventilblock den Durchfluss durch die Speisedruckleitung erfasst.
Mittels des Diagnoseventilblocks kann jedes Ventil kalibriert werden, selbst wenn der Ventilsatz sehr kleine und sehr große Ventile umfasst.
Bevorzugt kann der Diagnoseventilblock in dem Diagnosemodus wahlweise zwischen einem ersten Erfassungsbereich, in dem der Durchfluss innerhalb eines ersten vorbestimmten Durchflussbereichs erfasst wird, und einem zweiten Erfassungsbereich umgeschaltet werden, in dem der Durchfluss innerhalb eines zweiten vorbestimmten Durchflussbereichs erfasst wird, der sich von dem ersten vorbestimmten Durchflussbereich unterscheidet.
Bevorzugt ist die Obergrenze des ersten vorbestimmten Durchflussbereichs höher als die Obergrenze des zweiten vorbestimmten Durchflussbereichs.
Bevorzugt umfasst der Diagnoseventilblock eine Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ventilen und in dem Diagnosemodus wird wahlweise ein erstes Ventil mit einem Strömungssensor, der einen Messbereich entsprechend dem ersten vorbestimmten Durchflussbereich hat, oder ein zweites Ventil mit einem Strömungssensor geöffnet, der einen Messbereich entsprechend dem zweiten vorbestimmten Durchflussbereich hat.
Da jeder Strömungssensor einen anderen Messbereich umfasst, kann insgesamt ein sehr großer Messbereich abgedeckt werden. Es können auch mehr als zwei Ventile mit Strömungssensoren mit unterschiedlichen Messbereichen vorgesehen sein.
Bevorzugt kann der Ventilblock wahlweise zwischen dem Diagnosemodus und einem normalen Modus umgeschaltet werden, in dem der Ventilblock ein Durchströmen von Fluid im Wesentlichen ohne Druckverlust gestattet und ein Durchfluss nicht erfasst wird. Dieser normale Modus kann über ein digital gesteuertes Ventil ohne Strömungssensor realisiert sein, das einen entsprechenden Durchflusskoeffizienten hat.
Bevorzugt umfassen die Vielzahl von Zufuhrventilen und/oder die Vielzahl von Ablassventilen jeweils Ventile mit unterschiedlichen Durchflussraten.
Bei vielen Fluidsystemen sind kritische Drucktransmitter redundant vorgesehen, um mögliche Systemfehler zu vermeiden, die durch Signalfehler oder Nullpunktverschiebungen verursacht werden. In einigen Systemen ist ein gemeinsamer Referenzdrucktransmitter hinzugefügt worden, um mit diesem überprüfen zu können, ob die anderen Drucktransmitter in dem System ordnungsgemäß funktionieren. Das Vorsehen eines solchen Referenzdrucktransmitters erfordert jedoch zusätzliche Komponenten wie bspw. Diagnoseventile, zusätzliche Bohrungen oder Leitungen der Ventilblöcke, etc.
Zusammenfassend haben diese Fluidsysteme daher folgende Nachteile:

– falls Transmitterfehler ausgeschlossen werden sollen, müssen kritische Drucktransmitter redundant vorgesehen werden,
– im Fall des gemeinsamen Referenzdrucktransmitters müssen zusätzlich zu dem Referenzdrucktransmitter weitere Komponenten vorgesehen werden.

Um diese Nachteile zu vermeiden, kann das nachfolgende Kalibrierungsverfahren vorgesehen werden. Dieses ist ein Kalibrierungsverfahren für ein Fluidsystem, insbesondere einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit mindestens einem Ventilblock mit einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Zufuhrventilen, und einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ablassventilen, die über eine gemeinsame Fluidleitung mit einer Druckkammer fluidverbunden sind. Die Fluidleitung kann mittels eines Schließventils (Standardkomponente in dem Fluidsystem) gegenüber der Druckkammer abgesperrt werden. Das Fluidsystem weist des Weiteren einen Drucktransmitter auf, der einen Druck in der Fluidleitung misst. Das Kalibrierungsverfahren weist folgende Schritte auf:
Absperren der Fluidleitung gegenüber der Druckkammer und Schließen aller Ablassventile,
anschließendes Öffnen aller Zufuhrventile (ein Druck in der Fluidleitung erhöht sich aufgrund der Absperrung gegenüber der Druckkammer, d.h. aufgrund des kleinen Volumens, sehr schnell; der volle Speisedruck wird typischerweise in weniger als 20 ms erhalten),
Messen des sich einstellenden Speisedrucks (der Speisedruck wird gewöhnlich immer gemessen) und Messen des sich einstellenden Fluidleitungsdrucks mittels des Drucktransmitters, und
Bestimmung des Drucktransmitters als fehlerhaft, falls sein Messwert um mehr als einen vorbestimmten Wert von dem Speisedruckmesswert abweicht.
Dieses Verfahren ist natürlich auch auf Ventilsysteme anwendbar, die mehrere Ventilblöcke mit entsprechenden Drucktransmittern aufweisen. Dabei wird dann jeder Drucktransmitter als fehlerhaft bestimmt, dessen Messwert um mehr als den vorbestimmten Wert von dem Speisedruckmesswert abweicht.
Selbst bei einem Drucktransmitter von guter Qualität kann sich nach längerer Zeit der Nullpunkt verschieben. Mit dem vorstehenden Kalibrierungsverfahren können auch die Nullpunkte aller Drucktransmitter automatisch korrigiert werden. Zum Beispiel derart, dass, wenn die zu den Drucktransmittern zugehörigen Druckmesswerte erhalten werden, der Mittelwert dieser Druckmesswerte als fehlerfrei angenommen und auf der Basis dieses Mittelwerts die Nullpunkteinstellung vorgenommen wird.
Falls der Speisedruck des Fluidsystem variiert, d. h. falls das System einen Druckspeicher hat und die Pumpe periodisch eingeschaltet wird, kann das vorstehende Kalibrierungsverfahren bei zwei unterschiedlichen Speisedrücken durchgeführt werden (mit dem Druckreglersystem ist es möglich, die Speichermenge des Druckspeichers zu verringern, indem Öl bzw. Fluid von dem Druckspeicher durch den Druckregler (Ventilblock) direkt in den Tank abgegeben wird, wodurch der Speisedruck abnimmt), wodurch zwei Messdrücke für jeden Drucktransmitter erhalten werden. Mittels der zwei Messdrücke ist es möglich, die Verstärkungscharakteristik jedes Drucktransmitters genau einzustellen, derart, dass der Druckmesswert jedes Drucktransmitters der gleiche bei beiden Messdrücken ist (obwohl die Verstärkungscharakteristik eines Drucktransmitters von guter Qualität selten von der Spezifizierten abweicht).
Das vorstehende Kalibrierungsverfahren bietet folgende Vorteile:

– der Zustand der Drucktransmitter kann leicht und schnell überprüft werden,
– die Zustandsüberwachung erfordert keine zusätzlichen Komponenten,
– Nullpunkte können automatisch korrigiert werden, und
– die Verstärkungscharakteristiken können automatisch korrigiert werden.

Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau eines Fluidsystems einer Papiermaschine, auf das die Erfindung anwendbar ist; und
2 zeigt schematisch den Aufbau eines Diagnoseventilblocks gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung.
Das in 1 gezeigte Fluidsystem eines Kalanders einer Papiermaschine hat einen Versorgungsabschnitt 1, einen digital gesteuerten Druckregler 2, digital gesteuerte Absperrventile 4, einen Differenzialfluidzylinder 5 (der in diesem Beispiel der Fluidzylinder im Sinne der Ansprüche ist) zur Verstellung einer Walze in der Papiermaschine sowie Drucksensoren 6.
Der Versorgungsabschnitt 1 umfasst einen Druckspeicher, einen Pumpenanschluss sowie einen Tank (alle nicht gezeigt) und versorgt den digital gesteuerten Druckregler 2 zum Betrieb des Fluidzylinders 5. Der Druckregler 2 besteht aus zwei Sätzen von parallel geschalteten, digital gesteuerten Zufuhr- und Ablassventilen mit unterschiedlichen Durchflussraten. Im Speziellen ist jeweils ein Satz bestehend aus sechs pumpenseitigen Zufuhrventilen Z1 bis Z6 und sechs tankseitigen Ablassventilen A1 bis A6 über eine gemeinsame Fluidleitung mit einer der Druckkammern des Fluidzylinders 5 verbunden, so dass Füllmenge und Druck in den Druckkammern des Fluidzylinders 5 eingestellt werden können (die Anzahl der Zufuhrventile und der Ablassventile kann erfindungsgemäß geändert und unterschiedlich sein). Die Druckkammern sind gegenüber den Ventilsätzen mittels der Absperrventile 4 absperrbar. Die Drucksensoren 6 erfassen den Druck in den gemeinsamen Fluidleitungen bzw. den Druckkammern des Fluidzylinders 5.
Die genaue Arbeitsweise eines solchen Druckreglers ist bspw. in der WO 2009/077650 A1 oder der deutschen Patentanmeldung 10 2009 026 605.4 beschrieben und wird hier nicht näher erläutert.
Ausführungsbeispiel betreffend den ersten Aspekt der Erfindung
Nachfolgend wird nun ein Ausführungsbeispiel gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mit Bezug auf das in 1 dargestellte Fluidsystem beschrieben, d.h. ein Kalibrierungsverfahren, das auf das in 1 gezeigte Fluidsystem angewendet wird.
Das Kalibrierungsverfahren wird bspw. als folgende Sequenz durchgeführt:
Zuerst werden bspw. das Zufuhrventil Z1, dessen Durchflusskoeffizient als bekannt angenommen wird (d.h. es wird bspw. der Durchflusskoeffizient gemäß Spezifikation oder der während einer vorangegangenen Kalibrierung ermittelte Durchflusskoeffizient verwendet), und das Ablassventil A1 geöffnet, so dass sich an beiden Ventilen der gleiche Volumenstrom einstellt. Dann wird über die Formel
(wobei K_Z1 der angenommene Durchflusskoeffizient ist, ∆p₁ die am Ventil Z1 über bspw. entsprechende Drucktransmitter erfasste Druckdifferenz ist und ∆p₂ die am Ventil A1 über bspw. entsprechende Drucktransmitter erfasste Druckdifferenz ist) der Durchflusskoeffizientenwert K_A1 des Ablassventils A1 berechnet. Dann wird zusammen mit dem Ventil Z1 das Ventil A2 geöffnet und der Durchflusskoeffizientenwert K_A2 des Ablassventils A2 wird in gleicher Weise berechnet. Diese Abfolge wird wiederholt, bis auf der Basis des angenommen Durchflusskoeffizienten K_Z1 die Durchflusskoeffizientenwerte für die restlichen Ablassventile A3 bis A6 berechnet worden sind. Somit ist nun jedem Ablassventil A1 bis A6 ein berechneter Durchflusskoeffizientenwert zugeordnet.
Anschließend wird der Durchflusskoeffizient bspw. des Ablassventils A1 als bekannt angenommen, wobei hier auch bspw. der Durchflusskoeffizient gemäß Spezifikation oder der während einer vorangegangenen Kalibrierung ermittelte Durchflusskoeffizient verwendet wird. Auf der Grundlage dieses als bekannt angenommen Durchflusskoeffizienten werden dann, in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben ist, Durchflusskoeffizientenwerte für die Zufuhrventile Z1 bis Z6 berechnet, wodurch dann jedem Zufuhrventil Z1 bis Z6 ein berechneter Durchflusskoeffizientenwert zugeordnet ist.
Als Nächstes wird der Durchflusskoeffizient bspw. des Zufuhrventils Z2 als bekannt angenommen und auf der Basis davon wird für jedes der Ablassventile A1 bis A6 ein weiterer Durchflusskoeffizientenwert berechnet. Somit sind nun jedem Ablassventil A1 bis A6 zwei berechnete Durchflusskoeffizientenwerte zugeordnet.
Dann wird der Durchflusskoeffizient bspw. des Ablassventils A2 als bekannt angenommen und auf der Basis davon wird für jedes der Zufuhrventile Z1 bis Z6 ein weiterer Durchflusskoeffizientenwert berechnet. Somit sind nun jedem Zufuhrventil Z1 bis Z6 zwei berechnete Durchflusskoeffizientenwerte zugeordnet.
Die oben beschrieben Schritte werden dann für die restlichen Zufuhrventile Z3 bis Z6 und die restlichen Ablassventile A3 bis A6 in gleicher Weise durchgeführt, so dass am Ende der Sequenz jedem der Zufuhrventile Z1 bis Z6 und jedem der Ablassventile A1 bis A6 sechs berechnete Durchflusskoeffizientenwerte zugeordnet sind.
Dann wird der Durchflusskoeffizient für jedes Ventil auf der Basis der zugehörigen sechs berechneten Durchflusskoeffizientenwerte festgelegt, der dann zur Verwendung im Digitalregler gespeichert wird. Die Festlegung erfolgt bspw. durch Mitteln der Durchflusskoeffizientenwerte. Dabei können Durchflusskoeffizientenwerte, die stark von den anderen abweichen oder außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen, für die Mittelung ausgeschlossen werden, um die Genauigkeit der Bestimmung zu erhöhen.
Die Abfolge der vorstehend beschrieben Schritte, insbesondere die Reihenfolge, in der die Zufuhr- und Ablassventile geöffnet werden, bzw. die Abfolge der zu öffnenden Ventilkombinationen kann beliebig geändert werden. Auch kann die Anzahl der Ablass- und Zufuhrventile beliebig geändert sein.
Ausführungsbeispiel betreffend den zweiten Aspekt der Erfindung
In Abweichung von dem oben beschriebenen Fluidsystem wird für dieses Ausführungsbeispiel von einem Fluidsystem ausgegangen, in dem als Zufuhrventile eines Ventilsatzes bspw. sechs NS5-Ventile vorgesehen sind und als Ablassventile des Ventilsatzes drei NS5-Ventile, zwei NS10-Ventile und zwei NS16-Ventile vorgesehen sind (NS5, NS10 bzw. NS16 steht dabei für die Größe des Durchflusskoeffizienten, d.h. der Durchflusskoeffizient des NS10-Ventils ist doppelt so groß wie der Durchflusskoeffizient des NS5-Ventils). Ansonsten kann der Aufbau des Fluidsystems der in 1 dargestellte sein. Der höhere Gesamtdurchflusskoeffizient an der Ablassseite ist aufgrund der Schnellöffnungsfunktion der Maschine bzw. des Kalanders erfordert.
Bei dieser Ventilanordnung kann der Durchflusskoeffizient der beiden NS16-Ventile mit den herkömmlichen Kalibrierungsverfahren, die den Durchflusskoeffizienten auf der Basis eines Druckverlusts an dem Ventil bestimmen, nicht kalibriert werden, weil praktisch kein Druck in der Druckkammer des Fluidzylinders 5 erfassbar ist, selbst wenn alle Zufuhrventile geöffnet sind.
Erfindungsgemäß wird zu dem vorstehend genannten Ventilsatz ein NS10-Kalibrierungsventil auf der Zufuhrventilseite hinzugefügt, das mit einer geeigneten projektspezifischen Düse versehen ist. Zur Kalibrierung der NS16-Ventile wird dann dieses Kalibrierungsventil geöffnet, wodurch sich ein Volumenstrom und damit der Druck in der Druckkammer erhöht, so dass ein Druckverlust an den NS16-Ventilen erfasst und damit deren Durchflusskoeffizient berechnet werden kann. Das Kalibrierungsventil ist zu groß, um zur tatsächlichen Bewegungs- bzw. Lageeinstellung des Fluidzylinders 5 verwendet zu werden, ist aber zur Kalibrierung notwendig.
Ausführungsbeispiel betreffend den dritten Aspekt der Erfindung Als ein Ausführungsbeispiel gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist die Speisedruckleitung des in 1 gezeigten Fluidsystems mit einem Diagnoseventilblock versehen, der in 2 dargestellt und mit einer Strichpunktlinie umfasst ist. Der Diagnoseventilblock umfasst dabei in diesem Ausführungsbeispiel drei parallel geschaltete, digital gesteuerte Ventile GSV1, GSV2, GSV3. Das erste Ventil GSV1 ist ein NS25-Ventil ohne Strömungssensor, das zweite Ventil GSV2 ist ein NS10-Ventil mit Strömungssensor und das dritte Ventil GSV3 ist ein NS25-Ventil mit Strömungssensor (NS25 bzw. NS10 steht dabei für die Größe des Durchflusskoeffizienten, d.h. der Durchflusskoeffizient der NS25-Ventile ist um das 2,5-fache höher als der Durchflusskoeffizient des NS10-Ventils). Darüber hinaus sind noch zwei Drosseln Fl1 und Fl2 vorgesehen. Die Drossel Fl1 begrenzt den Durchfluss durch das Ventil GSV2 auf einen Bereich von 0 bis 40 l/min und die Drossel Fl2 begrenzt den Durchfluss durch das Ventil GSV3 auf einen Bereich von 0 bis 300 l/min. Der Strömungssensor des Ventils GSV2 ist zur Messung kleinerer Ventile ausgelegt (Durchflussraten im Bereich von 0 bis 40 l/min, während der Strömungssensor des Ventils GSV3 zur Messung größerer Ventile ausgelegt ist (Strömungsraten von 40 bis 300 l/min). Ferner sind in dem Diagnoseventilblock noch ein Rückschlagventil FVV1 sowie ein Absperrventil HV1 vorgesehen.
Ist der Diagnoseventilblock in den normalen Modus geschaltet, ist das Ventil GSV1 geöffnet, während die beiden anderen Ventile GSV2 und GSV3 sowie das Absperrventil HV1 geschlossen sind. Dadurch strömt Fluid im Wesentlichen ohne Druckverlust durch den Diagnoseventilblock hindurch (von der Pumpe P zu der Druckkammer des Fluidzylinders 5). Wird der Diagnoseventilblock zur Kalibrierung der Zufuhr- bzw. Ablassventile des Fluidsystems in den Diagnosemodus geschaltet, wird je nach Größe des zu kalibrierenden Ventils entweder das Ventil GSV2 oder das Ventil GSV3 geöffnet. Im Speziellen wird zur Kalibrierung eines Ventils, dessen Durchflussrate im Bereich von 0 bis 40 l/min liegt, das Ventil GSV2 geöffnet und die Durchflussrate über dessen Strömungssensor gemessen. Zur Kalibrierung eines Ventils, dessen Durchflussrate im Bereich von 40 bis 300 l/min liegt, wird dagegen das Ventil GSV3 geöffnet und die Durchflussrate mit dessen Strömungssensor gemessen. Somit können mit dem Strömungssensor des Ventils GSV2 kleine Strömungsraten, d.h. kleine Ventile, sehr genau gemessen werden, während mit dem Strömungssensor des Ventils GSV3 große Strömungsraten, d.h. große Ventile, sehr genau gemessen werden. Darüber hinaus wird durch Umschalten auf das Ventil GSV3 verhindert, dass der kleinere Strömungssensor des Ventils GSV2 beschädigt wird bzw. bricht.
Nach der Strömungsmessung wird der Diagnoseventilblock durch Abschalten aller Ventile wieder in den normalen Modus geschaltet, in dem das Fluid nur durch das Ventil GSV1 strömt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/077650 A1 [0006, 0058]
DE 102009026605 [0058]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Fluid“, Nr. 7–8, 2008, Seiten 12–13 [0004]

Claims

Kalibrierungsverfahren für ein Fluidsystem, insbesondere einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Zufuhrventilen und einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ablassventilen, die über eine gemeinsame Fluidleitung mit einer Druckkammer eines Fluidzylinders fluidverbunden sind, wobei das Kalibrierungsverfahren folgende Schritte aufweist: a) Öffnen eines Zufuhrventils und eines Ablassventils, so dass sich an beiden Ventilen der gleiche Volumenstrom einstellt, wobei die Druckdifferenz an jeweils dem Zufuhrventil und dem Ablassventil ermittelt wird, b1) Berechnen eines Durchflusskoeffizientenwerts des Ablassventils auf der Basis der ermittelten Druckdifferenzen und des Durchflusskoeffizienten des Zufuhrventils, der als bekannt angenommen wird, und/oder b2) Berechnen eines Durchflusskoeffizientenwerts des Zufuhrventils auf der Basis der ermittelten Druckdifferenzen und des Durchflusskoeffizienten des Ablassventils, der als bekannt angenommen wird.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Kalibrierungsverfahren des Weiteren folgende Schritte aufweist: c1) Durchführen der Schritte a) und b1) für eine Kombination aus dem Zufuhrventil und jedem der Ablassventile, so dass für jedes der Ablassventile ein zugehöriger Durchflusskoeffizientenwert berechnet wird, c2) Durchführen der Schritte a) und b2) für eine Kombination aus dem Ablassventil und jedem der Zufuhrventile, so dass für jedes der Zufuhrventile ein zugehöriger Durchflusskoeffizientenwert berechnet wird, d1) Durchführen der Schritte a), b1), c1) für jedes der Zufuhrventile, so dass für jedes der Ablassventile eine Vielzahl von Durchflusskoeffizientenwerten entsprechend der Anzahl der Zufuhrventile berechnet wird, d2) Durchführen der Schritte a), b2), c2) für jedes der Ablassventile, so dass für jedes der Zufuhrventile eine Vielzahl von Durchflusskoeffizientenwerten entsprechend der Anzahl der Ablassventile berechnet wird, e1) Festlegen der Durchflusskoeffizienten der Zufuhrventile auf der Basis der berechneten zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerte, und e2) Festlegen der Durchflusskoeffizienten der Ablassventile auf der Basis der berechneten zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerte.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für jedes der Ventile der Durchflusskoeffizient durch Mitteln zugehöriger Durchflusskoeffizientenwerte bestimmt wird, wobei bevorzugt für das Mitteln diejenigen von den zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerten unberücksichtigt bleiben, die sich von den anderen der zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerte stark unterscheiden.
Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 3, wobei für das Mitteln nur diejenigen von den zugehörigen Durchflusskoeffizientenwerten verwendet werden, die innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen.
Fluidsystem, insbesondere einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Zufuhrventilen und einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ablassventilen, die über eine gemeinsame Fluidleitung mit einer Druckkammer eines Fluidzylinders fluidverbunden sind, wobei die Vielzahl der Zufuhrventile ein Kalibrierungsventil umfasst, das einen höheren Durchflusskoeffizienten als jedes der restlichen Zufuhrventile hat, die Vielzahl der Ablassventile wenigstens ein Ablassventil aufweist, das einen höheren Durchflusskoeffizienten hat als jedes der restlichen Zufuhrventile, und das Kalibrierungsventil ausschließlich zur Kalibrierung des Fluidsystems eingesetzt wird.
Fluidsystem nach Anspruch 5, wobei bei der Kalibrierung des Fluidsystems der Durchflusskoeffizient des wenigstens einen Ablassventils durch Öffnen des Kalibrierungsventils und des wenigstens einen Ablassventils, während die restlichen Ventile geschlossen sind, und Erfassen der Druckdifferenz an jeweils dem Kalibrierungsventil und dem wenigstens einen Ablassventil bestimmt wird.
Fluidsystem, insbesondere einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Zufuhrventilen und einer Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ablassventilen, die über eine gemeinsame Fluidleitung mit einer Druckkammer eines Fluidzylinders fluidverbunden sind, wobei mit Druck beaufschlagtes Fluid über eine Speisedruckleitung zu den Zufuhrventilen zugeführt wird, und die Speisedruckleitung mit einem Diagnoseventilblock versehen ist, der in einen Diagnosemodus geschaltet werden kann, in dem der Diagnoseventilblock den Durchfluss durch die Speisedruckleitung erfasst.
Fluidsystem nach Anspruch 7, wobei der Diagnoseventilblock in dem Diagnosemodus wahlweise zwischen einem ersten Erfassungsbereich, in dem der Durchfluss innerhalb eines ersten vorbestimmten Durchflussbereichs erfasst wird, und einem zweiten Erfassungsbereich umgeschaltet werden kann, in dem der Durchfluss innerhalb eines zweiten vorbestimmten Durchflussbereichs erfasst wird, der sich von dem ersten vorbestimmten Durchflussbereich unterscheidet, wobei bevorzugt die Obergrenze des ersten vorbestimmten Durchflussbereichs höher ist als die Obergrenze des zweiten vorbestimmten Durchflussbereichs.
Fluidsystem nach Anspruch 8, wobei der Diagnoseventilblock eine Vielzahl von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ventilen umfasst, und in dem Diagnosemodus wahlweise ein erstes Ventil mit einem Strömungssensor, der einen Messbereich entsprechend dem ersten vorbestimmten Durchflussbereich hat, oder ein zweites Ventil mit einem Strömungssensor geöffnet wird, der einen Messbereich entsprechend dem zweiten vorbestimmten Durchflussbereich hat.
Fluidsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Ventilblock wahlweise zwischen dem Diagnosemodus und einem normalen Modus umgeschaltet werden kann, in dem der Ventilblock ein Durchströmen von Fluid im Wesentlichen ohne Druckverlust gestattet und ein Durchfluss nicht erfasst wird, und wobei bevorzugt die Vielzahl von Zufuhrventilen und/oder die Vielzahl von Ablassventilen jeweils Ventile mit unterschiedlichen Durchflussraten umfassen.