DE102013200857A1

DE102013200857A1 - Vorrichtung und verfahren zur ermittlung von stellgliedpositionen in einem hydrauliksystem, insbesondere in einer maschine zur herstellung einer faserstoffbahn

Info

Publication number: DE102013200857A1
Application number: DE201310200857
Authority: DE
Inventors: Ville Hopponen; Juhani Toppari; Matti Välikylä; Arto Ikonen
Original assignee: Valmet Technologies Oy
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einem Hydraulikelement, das ein hydraulisch verstellbares Stellglied hat, dessen Stellung zu ermitteln ist, einem digitalhydraulischen Druckregler, der eine Vielzahl von digital gesteuerten Ventilen hat, mittels denen ein Durchfluss eines Hydraulikfluids zu dem Hydraulikelement und/oder ein Druck des Hydraulikfluids in dem Hydraulikelement einstellbar sind/ist, und einer Steuerungseinrichtung zum Steuern von zumindest einem der digital gesteuerten Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers derart, dass durch das zumindest eine digital gesteuerte Ventil ein Druckimpuls in dem Hydraulikfluid erzeugt und in Richtung des Hydraulikelements abgegeben wird, einer Erfassungseinrichtung, die eine Impulsantwort des Stellglieds in Erwiderung auf den Druckimpuls erfasst, und einer Ermittlungseinrichtung, die auf Basis der Erfassung der Impulsantwort die Stellung des Stellglieds ermittelt. Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit den folgenden Schritten vorgesehen: Erzeugen eines Druckimpulses in einem Hydraulikfluid des Hydrauliksystems durch Steuern eines Schaltzustands von zumindest einem einer Vielzahl von digital gesteuerten Ventilen eines digitalhydraulischen Druckreglers, mittels denen ein Durchfluss des Hydraulikfluids zu einem Hydraulikelement, das ein hydraulisch verstellbares Stellglied hat, dessen Stellung zu ermitteln ist, und/oder ein Druck des Hydraulikfluids in dem Hydraulikelement einstellbar sind/ist, Abgeben des erzeugten Druckimpulses in Richtung des Hydraulikelements, Erfassen einer Impulsantwort des Stellglieds in Erwiderung auf den Druckimpuls, und Ermitteln der Stellung des Stellglieds auf Basis der Erfassung der Impulsantwort.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn.
Bei Systemen zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, werden üblicherweise sogenannte Lineargeber verwendet, mit deren Hilfe die Position eines Stellglieds (z.B. Hydraulikkolben in einem Stellgliedzylinder, etc.) bestimmt werden kann. Hierbei wird ein Lineargeber parallel zu einem Zylindergehäuse, in dem der Hydraulikkolben aufgenommen ist, oder direkt an dem Zylindergehäuse angebracht, um die Position des Hydraulikkolbens in dem Zylinder in Bezug zu einer Referenzposition mittels eines zu dem Lineargeber zugeordneten Datenverarbeitungsgeräts zu bestimmen.
Jedoch ist die Anbringung eines solchen Lineargebers parallel zu bzw. an dem Zylindergehäuse aufgrund von baulichen Einschränkungen in Hydrauliksystemen nicht immer möglich bzw. wird nur durch einen erhöhten Aufwand von Kosten (Umbaumaßnahmen, etc.) ermöglicht. Zudem erhöht sich durch die Verwendung des Lineargebers die Anzahl der Elemente innerhalb des Systems, wodurch sich auch die Kosten erhöhen.
Es besteht somit ein Bedarf bei Systemen zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, die Anzahl von Elementen, die zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in den Hydrauliksystemen dienen, zu optimieren und die Kosten solcher Systeme zu verringern. Ferner ist es gewünscht, eine zuverlässige Positionsbestimmung von Stellgliedern selbst bei solchen Systemen bereitzustellen, bei denen aufgrund der Form und Konstruktion der Anlagen, die Anbringung von Lineargebern aufgrund von Bauraummangel ausgeschlossen ist.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, bereitzustellen, die unabhängig von dem zur Verfügung gestellten Bauraum und kostengünstig eine zuverlässige Positionsbestimmung von Stellgliedern gewährleisten.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, bereitgestellt. Die Vorrichtung weist ein Hydraulikelement, das ein hydraulisch verstellbares Stellglied hat, dessen Stellung zu ermitteln ist, einen digitalhydraulischen Druckregler, der eine Vielzahl von digital gesteuerten Ventilen hat, mittels denen ein Durchfluss eines Hydraulikfluids zu dem Hydraulikelement und/oder ein Druck des Hydraulikfluids in dem Hydraulikelement einstellbar sind/ist, eine Steuerungseinrichtung zum Steuern von zumindest einem der digital gesteuerten Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers derart, dass durch das zumindest eine digital gesteuerte Ventil ein Druckimpuls in dem Hydraulikfluid erzeugt und in Richtung des Hydraulikelements abgegeben wird, eine Erfassungseinrichtung, die eine Impulsantwort des Stellglieds in Erwiderung auf den Druckimpuls erfasst, und eine Ermittlungseinrichtung auf, die auf Basis der Erfassung der Impulsantwort die Stellung des Stellglieds ermittelt.
Erfindungsgemäß ist der digitalhydraulische Druckregler aus der Vielzahl von digital gesteuerten Ventilen, sogenannte Digitalventile, gebildet, die einen Durchfluss des Hydraulikfluids zu dem Hydraulikelement und/oder einen Druck des Hydraulikfluids in dem Hydraulikelement einstellen.
Als diese digital gesteuerten Ventile werden insbesondere solche Digitalventile verwendet, die eine AUF/ZU-Funktion besitzen; d.h. einfache EIN/AUS-Schaltventile, die einen Hydraulikfluiddurchfluss zulassen oder unterbrechen können und in dieser Anmeldung nachstehend als digital gesteuerte Ventile, Digitalventile oder Ventile bezeichnet sind. Die Ventile selbst können herkömmliche Solenoidventile, d.h. Ventile mit elektromagnetischem Antrieb sein. Ein derartiges elektromagnetisch betätigbares Ventil ist z.B. in EP 1 052 441 A2 beschrieben. Natürlich können auch andere Antriebsformen gewählt werden.
Durch Öffnen und Schließen einzelner Ventile bzw. Ventilkombinationen, die auf der Basis von Modellen von einem Rechner bestimmt und ausgewählt werden, kann nun eine sehr rasche und präzise Durchströmung des Druckreglers erreicht werden, indem eine analoge Regelkurve eines üblichen Proportionalventils durch eine digital erstellte (d.h. angenäherte) Regelkurve ersetzt wird. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von Nichtlinearitäten und/oder Hystereseschleifen des analogen Proportionalventils eine stufenförmig angenäherte Gerade sein, die es erlaubt, den gewünschten Regelpunkt schnell und nahezu überschwingungsfrei einzustellen (anzufahren).
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von solchen Digitalventilen liegt darin, dass die Ventile entweder (vollständig) offen oder geschlossen sein können, d.h. wenn die Ventile einfach geschlossen sind, gibt es keine Leckageströme im Inneren der Ventile. Damit besteht ein deutlicher Unterschied zu einem herkömmlichen Proportionalventil, das stets von einem Hydraulikfluidstrom durchflossen ist. Dies kostet ständig Energie für die Hydraulikpumpen zur Förderung von Hydraulikfluid, z.B. in einer Papiermaschine. Somit ist zu erkennen, dass es der Einsatz von Digitalventilen auch gestattet, diese Hydraulikpumpen weniger oft und/oder kürzer zu betreiben, wodurch Energie eingespart werden kann.
Ferner liegt ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von solchen Digitalventilen darin, dass deren Bauweise gegenüber dem Proportionalventil erheblich vereinfacht ist und die Größe und das Gewicht solcher Digitalventile verkleinert bzw. verringert ist. Zudem ist, da die Ventile lediglich zwischen einer vollständig offenen Stellung und einer vollständig geschlossenen Stellung schaltbar sind, deren Steuerung einfach und es gibt keine Leckageströmung.
Gemäß dem Gesichtspunkt der Erfindung kann die Steuerungsrichtung (z.B. ein bereits vorhandener Steuerungsrechner des digitalhydraulischen Druckreglers) durch z.B. entsprechendes Öffnen und/oder Schließen von zumindest einem der Vielzahl von digital gesteuerten Ventilen des digitalhydraulischen Druckreglers einen Druckimpuls (Druckstoß, Druckwellenstoß) in dem Hydraulikfluid erzeugen. Ein solcher Druckimpuls umfasst die dynamische Druckänderung des Hydraulikfluids. Erfindungsgemäß wird in dem Hydrauliksystem der physikalische Sachverhalt ausgenützt, dass Druckstöße in Systemen, in denen Hydraulikfluid strömt, weitaus höhere Druckanstiege als in Systemen, in denen Gase strömen, verursachen, weil Fluide im Vergleich zu Gasen nahezu inkompressibel sind. Der Druckimpuls wird daher durch longitudinale Druckwellen in dem Hydraulikfluid übertragen, die (d.h. der Druckimpuls) sich in Richtung des Hydraulikelements in dem Hydraulikfluid ausbreiten. Dann kann die Erfassungseinrichtung die Impulsantwort des Stellglieds (z.B. bei einem Auftreffen des abgegebenen Druckimpulses (Druckwellen) auf dem Stellglied oder ein von dem Stellglied reflektiertes Signal des abgegebenen Druckimpulses) entsprechend erfasst werden.
Somit kann erfindungsgemäß die Erfassungseinrichtung die Impulsantwort des Stellglieds in Erwiderung auf den Druckimpuls erfassen und die Ermittlungseinrichtung auf Basis der erfassten Impulsantwort die Stellung des Stellglieds ermitteln.
Die Erfassungseinrichtung kann z.B. ein bereits in dem System vorhandener Drucksensor, eine Drucksensoranordnung, ein Druckmessgerät, etc., der eine durch die Impulsantwort des Stellglieds erzeugte Druckerhöhung (z.B. mittels einer Schallpegelmessung, Schallintensitätsmessung, etc.) erfasst (misst), sein. Durch die anschließende Auswertung der erfassten Impulsantwort (des gemessenen Sensorsignals) in der Ermittlungseinrichtung, die ebenfalls durch den Steuerungsrechner des digitalhydraulischen Druckreglers bereitgestellt werden kann, kann die Stellung (Position) des Stellglieds genau ermittelt werden.
Erfindungsgemäß ist somit kein zusätzlicher Sensor oder eine Sensoranordnung bei der Ermittlung der Stellung des Stellglieds in dem Hydrauliksystem erforderlich. Dadurch kann auch ein vorhandenes System, das einen digitalhydraulischen Druckregler gemäß der Erfindung umfasst, durch entsprechende Steuerungsmaßnahmen (z. B. Umprogrammierungsmaßnahmen, Änderungen des Steuerungsprogramms, etc.) zum Erzeugen eines Druckimpulses durch zumindest ein digital gesteuertes Ventil des digitalhydraulischen Druckreglers bereitgestellt werden, um die Stellung des Stellglieds auf Basis der Erfassung der Impulsantwort ermitteln zu können.
Bevorzugt erfasst die Erfassungseinrichtung ein Eintreffen des abgegebenen Druckimpulses in dem Hydraulikelement, ein Auftreffen des abgegebenen Druckimpulses auf dem Stellglied und/oder ein von dem Stellglied reflektiertes Signal des abgegebenen Druckimpulses, und ermittelt die Ermittlungseinrichtung auf Basis der Erfassung des Eintreffens, des Auftreffens und/oder des reflektierten Signals die Stellung des Stellglieds. Somit kann die Ermittlungseinrichtung auf Basis einer Erfassung des Eintreffens, des Auftreffens und/oder des reflektierten Signals die Stellung des Stellglieds ermitteln. Dies erfolgt durch die vorstehend beschriebenen Ausgänge (Signale), d.h. auf Basis der Erfassung der Impulsantwort, der vorstehend beschriebenen Erfassungseinrichtung (Sensoren und Sensoranordnungen), die durch die Ermittlungseinrichtung entsprechend verarbeitet werden.
Die Impulsantwort kann z.B. ein sogenanntes Echosignal des Druckimpulses sein, der durch das Steuern des zumindest einen Digitalventils des digitalhydraulischen Druckreglers erzeugt worden ist, wobei das Echosignal durch die Reflexion des Signal des abgegebenen Druckimpulses an dem Stellglied entsteht.
Bevorzugt hat das Stellglied eine zur Ermittlung der Stellung des Stellglieds dienende Stellgliedfläche, auf der der abgegebene Druckimpuls auftrifft und/oder an dem der abgegebene Druckimpuls reflektiert wird. Das Stellglied, das die entsprechende Stellgliedfläche hat, die zur Ermittlung der Stellung des Stellglieds dient, (d.h. auf der der abgegebene Druckimpuls auftritt und/oder an dem der abgegebene Druckimpuls reflektiert wird) ist bevorzugt in der Nähe der Erfassungseinrichtung (Sensor/Sensoranordnung) angeordnet, um ein Signal genau erfassen zu können und einen Messfehler verringern zu können.
Bevorzugt weist die Erfassungseinrichtung zumindest einen Sensor auf, der eine Frequenz des abgegebenen Druckimpulses und/oder eine Intensität des abgegebenen Druckimpulses erfasst, und ermittelt die Ermittlungseinrichtung die Stellung des Stellglieds auf Basis der Erfassungsergebnisse der Frequenz und/oder Intensität. Bevorzugt kann der Sensor bzw. die Sensoranordnung der Erfassungseinrichtung eine Frequenz des abgegebenen Druckimpulses oder eine Intensität des abgegebenen Druckimpulses erfassen, um somit die Stellung des Stellglieds auf Basis dieses Erfassungsergebnisses ermitteln zu können. Ferner kann auch eine Zeit, die der Druckimpuls zum Zurücklegen eines Druckimpulswegs zwischen dem zumindest einem digital gesteuerten Ventil und der zur Ermittlung des Stellglieds dienenden Fläche in dem Hydrauliksystem (d.h. in dem Hydraulikfluid zwischen dem digital gesteuerten Ventil und der Fläche, die zur Ermittlung der Stellung des Stellglieds dient) benötigt, in dem Hydraulikfluid zurückgelegt werden.
Bevorzugt weist die Erfassungseinrichtung eine Zeiterfassungseinrichtung zum Erfassen einer Zeit auf, die der Druckimpuls zum Zurücklegen eines Druckimpulswegs zwischen dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil und der zur Ermittlung der Stellung des Stellglieds dienenden Fläche benötigt.
Weiter bevorzugt erfasst die Zeiterfassungseinrichtung Zeitpunkte der Abgabe des Druckimpulses von dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil, des Eintreffens des abgegebenen Druckimpulses in dem Hydraulikelement, des Auftreffens des Druckimpulses auf dem Stellglied und/oder des Eingangs des reflektierten Druckimpulses an einer Reflektionseingangsfläche. Die Reflektionseingangsfläche kann einstückig an dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil oder dem Hydraulikelement ausgebildet sein.
Bevorzugt weist die Ermittlungseinrichtung eine Berechungseinrichtung auf, die auf Basis der erfassten Zeit und einer Wellenfortschrittgeschwindigkeit des Druckimpulses in dem Hydraulikfluid die Stellung des Stellglieds berechnet.
Somit kann die Ermittlungseinrichtung anhand ihrer Berechnungseinrichtung auf Basis der erfassten Zeit und einer Wellenfortschrittsgeschwindigkeit des Druckimpulses in dem Hydraulikfluid des Systems die Stellung des Stellglieds berechnen. Die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit c [m/s] kann z.B. gemäß nachstehender Gleichung berechnet werden:
wobei ρ die Dichte des Hydraulikfluids [kg/m³], K_f das Kompressionsmodul des Fluids [N/m²], E_R das Elastizitätsmodul des Hydraulikelements [N/m²], d_i den Innendurchmesser des Hydraulikelements [m], s die Wanddicke des Hydraulikelements [m], und µ die Querkontraktionszahl des Materials darstellt, aus dem das Hydraulikelement hergestellt ist.
Die erfasste Zeit beschreibt die Reflektionszeit, die erforderlich ist, damit die durch den Druckimpuls erzeugte Druckänderung von dem digital gesteuerten Ventil bis zu dem Stellglied und wieder zum Ventil zurück weitergegeben wird. Diese Reflektionszeit kann auf Basis der Erfassung eines Aussendens des abgegebenen Druckimpulses durch das digital gesteuerte Ventil in dem Hydraulikelement, dann durch Erfassen eines Auftretens des abgegebenen Druckimpulses auf dem Stellglied, und durch Erfassen des von dem Stellglied reflektierten Signals des abgegebenen Druckimpulses bestimmt werden. Ferner kann die Reflektionszeit T_R [s] auch gemäß der nachstehenden Gleichung auf Basis der Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit und der Geometrie (Abmessungen) des Hydraulikelements berechnet werden: Tr = 2·L / c wobei: L die einfache Länge der Distanz zwischen dem Ventil und dem Stellglied in dem Hydrauliksystem [m] und c die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit [m/s] ist.
Des Weiteren kann die Vorrichtung einen Drucksensor zum Erfassen des Hydraulikfluiddrucks aufweisen, der in dem Hydraulikelement wirkt. Beispielsweise ist der Drucksensor stromabwärtig der digital gesteuerten Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers und direkt an dem Hydraulikelement oder an dem Stellglied angebracht. Somit kann eine einfache Anbringung/Demontage des Sensors in dem System und eine kompakte Bauweise der Vorrichtung bereitgestellt werden.
Der digitalhydraulische Druckregler kann direkt an dem Hydraulikelement angeordnet sein. Zum Beispiel kann das zumindest eine digital gesteuerte Ventil des digitalhydraulischen Druckreglers, das den Druckimpuls erzeugt, mit einer Gehäusestruktur des Hydraulikelements integriert ausgebildet sein. Bei dieser Bauweise können die Ventile an/in der Gehäusestruktur des Hydraulikelements derart angebracht werden, dass sie einfach von außen zugänglich sind, wodurch sich deren Wartung, etc. vereinfacht. Zudem wird dadurch eine kompakte Bauweise ermöglicht.
Das Hydraulikelement ist bevorzugt ein Hydraulikzylinder mit Kolben, der als Stellglied eingesetzt wird. Der Hydraulikzylinder kann ein Belastungszylinder sein, dessen Kolben für die Beaufschlagung einer Walze eines Walzensystems in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, bevorzugt in einem Kalander einer Papiermaschine, mit einer gewissen Belastungskraft eingesetzt wird.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Aufbau durch Einstellen einer Bypass-Strömung in dem digitalhydraulischen Druckregler, d.h. eine Strömung parallel zu den Digitalventilen, die Einstellgenauigkeit von dem digitalhydraulischen Druckregler bei Durchflusseinstellungen erhöhen werden, bei der nur eine geringe Anzahl von digital gesteuerten Ventilen geschaltet ist (durchströmt wird), jedoch erhöht sich gleichzeitig der Energieverlust durch die Bypass-Strömung. Somit kann man zwischen zwei unterschiedlichen Antriebsmodi des digitalhydraulischen Druckreglers entscheiden. Man kann man das System hinsichtlich einer Genauigkeit einer Drucksteuerung bzw. Durchflusssteuerung optimieren (durch Bereistellen und/oder Erhöhen der Bypass-Strömung) oder man kann den Energieverbrauch minimieren, indem man keine Bypass-Strömung oder nur eine ganz geringe Bypass-Strömung vorsieht. Dadurch wird jedoch die Einstellgenauigkeit des digitalhydraulischen Druckreglers. wenn nur ein oder nur wenige Digitalventile geschaltet ist/sind, ein wenig verschlechtert. Die Entscheidung welche Option (Modus) gewählt wird kann unter Berücksichtigung der Qualität der herzustellenden Faserstoffbahn, einem Lastniveau des Stellglieds, etc. erfolgen. Dadurch kann die Steuerungsgenauigkeit bei niedrigen Druckniveaus der digital gesteuerten Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers erhöht werden, der Energieverbrauch minimiert werden und der Anwender kann selbst wählen, welcher von den Antriebsmodi benötigt wird und welcher somit eingestellt werden soll.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit den folgenden Schritten bereitgestellt: Erzeugen eines Druckimpulses in einem Hydraulikfluid des Hydrauliksystems durch Steuern eines Schaltzustands von zumindest einem einer Vielzahl von digital gesteuerten Ventilen eines digitalhydraulischen Druckreglers, mittels denen ein Durchfluss des Hydraulikfluids zu einem Hydraulikelement, das ein hydraulisch verstellbares Stellglied hat, dessen Stellung zu ermitteln ist, und/oder ein Druck des Hydraulikfluids in dem Hydraulikelement einstellbar sind/ist; Abgeben des erzeugten Druckimpulses in Richtung des Hydraulikelements; Erfassen einer Impulsantwort des Stellglieds in Erwiderung auf den Druckimpuls; und Ermitteln der Stellung des Stellglieds auf Basis der Erfassung der Impulsantwort.
Mit diesem Verfahren können die gleichen Wirkungen und Vorteile erreicht werden wie mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung gemäß dem Gesichtspunkt der Erfindung.
Bevorzugt weist das Verfahren des Weiteren die Schritte zum Erfassen eines Eintreffens des abgegebenen Druckimpulses in dem Hydraulikelement, eines Auftreffens des abgegebenen Druckimpulses auf dem Stellglied und/oder eines von dem Hydraulikelement reflektierten Signals des abgegebenen Druckimpulses, und Ermitteln der Stellung des Stellglieds auf Basis der Erfassung des Eintreffens, des Auftreffens und/oder des reflektierten Signals auf.
Bevorzugt weist das Verfahren des Weiteren die Schritte zum Erfassen einer Frequenz des abgegebenen Druckimpulses und/oder einer Intensität des abgegebenen Druckimpulses, und Ermitteln der Stellung des Stellglieds auf Basis der Erfassungsergebnisse der Frequenz und/oder Intensität auf.
Bevorzugt weist das Verfahren des Weiteren den Schritt zum Erfassen einer Zeit auf, die der Druckimpuls zum Zurücklegen eines Druckimpulswegs zwischen dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil und einer zur Ermittlung der Stellung des Stellglieds dienenden Fläche des Stellglieds benötigt.
Bevorzugt weist das Verfahren des Weiteren den Schritt zum Berechnen der Stellung des Stellglieds auf Basis der erfassten Zeit und einer Wellenfortschrittsgeschwindigkeit des Druckimpulses in dem Hydraulikfluid auf.
Bevorzugt werden Zeitpunkte der Abgabe des Druckimpulses von dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil, des Eintreffens des abgegebenen Druckimpulses in dem Hydraulikelement, des Auftreffens des Druckimpulses auf dem Stellglied und/oder des Eingangs des reflektierten Druckimpulses an einer Reflektionseingangsfläche erfasst.
Bei dem Schritt zum Erzeugen des Druckimpulses kann das zumindest eine der digital gesteuerten Ventile in einer vorbestimmten Zeit, die zum Erzeugen des Druckstoßes erforderlich ist, geschlossen werden.
Die vorstehend genannten bevorzugten Weiterbildungen des Verfahrens der Erfindung weisen die gleichen Vorteile und Wirkungen wie die den Verfahrensmerkmalen entsprechenden bevorzugten Weiterbildungen der Vorrichtung gemäß dem Gesichtspunkt der Erfindung auf.
Die Erfindung ist nachstehend hinsichtlich ihrer verschiedenen Gesichtspunkte, Merkmale und Vorteile anhand einer beispielhaften Ausgestaltung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, in denen Folgendes gezeigt ist:
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn.
In der nachstehenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
Das in 1 gezeigte Hydrauliksystem in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn (nicht gezeigt) hat einen Zufuhrabschnitt 1, einen digitalhydraulischen Druckregler 2 (nachstehend auch als „Druckregler“ bezeichnet), digital gesteuerte Absperrventile 4, einen Hydraulikzylinder 5 (der in diesem Beispiel das Hydraulikelement 5 mit einem Kolben 7, der als Stellglied eingesetzt wird, im Sinne der Ansprüche ist) zur Verstellung (Beaufschlagung) eines Walzensystems, eines Walze, etc. in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn (nicht gezeigt) sowie Drucksensoren (Erfassungseinrichtung) 6. Der Hydraulikzylinder 5 ist somit ein Belastungszylinder, dessen Kolben 7 für die Beaufschlagung der Walze mit einer gewissen Belastungskraft eingesetzt wird.
Die digital gesteuerten Absperrventile 4 sowie der Zufuhrabschnitt 1 sind optionale Elemente, die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht zwangsweise umfasst sein müssen.
Der Zufuhrabschnitt 1 umfasst einen Druckspeicher, einen Pumpenanschluss sowie einen Tank (alle nicht gezeigt) und versorgt den Druckregler 2 zum Betrieb des Hydraulikzylinders 5 mit Hydraulikfluid. Der Druckregler 2 besteht aus zwei Sätzen von parallel geschalteten, digital gesteuerten Ventilen (Digitalventile), die einen Durchfluss des Hydraulikfluids zu dem Hydraulikzylinder 5 und/oder einen Druck des Hydraulikfluids in dem Hydraulikzylinder 5 einstellen. Als diese digital gesteuerten Ventile werden bevorzugt solche Digitalventile verwendet, die eine AUF/ZU-Funktion besitzen; d.h. einfache EIN/AUS-Schaltventile. Die Digitalventile weisen unterschiedliche Durchflussraten auf. Genauer gesagt ist jeweils ein Satz bestehend aus sechs pumpenseitigen Zufuhrventilen Z1 bis Z6 und sechs tankseitigen Ablassventilen A1 bis A6 über eine gemeinsame Hydraulikfluidleitung mit einer der Druckkammern des Hydraulikzylinders 5 verbunden, so dass Füllmenge und Druck in den Druckkammern des Hydraulikzylinders 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 Hydraulikfluidleitungen bzw. den Druckkammern des Hydraulikzylinders 5.
Die genaue Arbeitsweise eines solchen Druckreglers ist z.B. in der WO 2009/077650 A1 oder DE 10 2009 026 605 A1 beschrieben und wird hier nicht näher erläutert.
Erfindungsgemäß ist mindestens ein Drucksensor (Erfassungseinrichtung) 6 vorzusehen, der den Hydraulikfluiddruck erfasst, der in dem Hydraulikzylinder 5 wirkt. Der Drucksensor 6 kann wie dargestellt stromaufwärtig oder alternativ stromabwärtig der digital gesteuerten Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers 2 und direkt an dem Hydraulikzylinder 5 oder an dem Kolben (Stellglied) 7 angeordnet sein.
Ferner kann der gesamte digitalhydraulische Druckregler 2 einschließlich seiner Digitalventile direkt an dem Hydraulikzylinder 5 (z.B. an einem Zylindergehäuse davon) angeordnet (angebracht) sein.
Die Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel weist den Hydraulikzylinder (Hydraulikelement) 5, der (das) den hydraulisch verstellbaren Kolben (Stellglied) 7 hat, dessen Stellung zu ermitteln ist, und den digitalhydraulischen Druckregler 2 auf, der die Vielzahl von digital gesteuerten Ventilen A1 bis A6 und Z1 bis Z6 hat, mittels denen ein Durchfluss eines Hydraulikfluids zu dem Hydraulikzylinder 5 und/oder ein Druck des Hydraulikfluids in dem Hydraulikzylinder 5 einstellbar sind/ist (siehe z.B. WO 2009/077650 A1 oder DE 10 2009 026 605 A1 ). Ferner umfasst die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung (nicht gezeigt) zum Steuern von zumindest einem der digital gesteuerten Ventile (z.B. Digitalventil Z1) des digitalhydraulischen Druckreglers derart, dass durch das zumindest eine digital gesteuerte Ventil ein Druckimpuls in dem Hydraulikfluid erzeugt und in Richtung des Hydraulikzylinders 5 (über die jeweilige Hydraulikfluidleitung) abgegeben wird, und eine Ermittlungseinrichtung (nicht gezeigt) auf, die auf Basis einer Erfassung einer Impulsantwort die Stellung des Kolbens 7 ermittelt. Zur Erfassung der Impulsantwort dient zumindest einer der Sensoren 6 (Erfassungseinrichtung), der (die) die Impulsantwort des Kolbens in Erwiderung auf den erzeugten Druckimpuls erfasst.
Die Steuerungsrichtung und die eine Ermittlungseinrichtung werden durch einen Steuerungsrechner des digitalhydraulischen Druckreglers 1 bereitgestellt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird zumindest das Digitalventil Z1 derart geschaltet (z.B. durch rasches Öffnen und/oder Schließen des Ventils), um einen Druckimpuls (Druckstoß, Druckwellenstoß) in dem Hydraulikfluid zu erzeugen. Dieser erzeugte Druckimpuls wird dann durch longitudinale Druckwellen in dem Hydraulikfluid übertragen, die sich in Richtung des Hydraulikzylinders in der oberen Hydraulikfluidleitung (siehe 1), die zu der oberen Zylinderkammer führt, in dem Hydraulikfluid ausbreiten. Wenn der Druckimpuls in der Zylinderkammer auf eine obere, wirksame Kolbenfläche des Kolbens 7 auftrifft, wird eine Impulsantwort in Erwiderung auf den Druckimpuls erzeugt. Diese Impulsantwort ist gemäß dem Ausführungsbeispiel ein von dem Kolben reflektiertes Signal des durch das Digitalventil Z1 abgegebenen Druckimpulses, welches von dem Sensor (oberen Sensor in der 1) 6 erfasst wird. Schließlich ermittelt der Steuerungsrechner des digitalhydraulischen Druckreglers 1 (Ermittlungseinrichtung) auf Basis dieser Erfassung durch den Sensor 6 die Stellung des Kolbens 7 innerhalb des Gehäuses des Hydraulikzylinders 5.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Erfassung der Impulsantwort des Kolbens 7 in Erwiderung auf den erzeugten Druckimpuls und die Ermittlung der Stellung des Kolbes 7 auf Basis der Erfassung der Impulsantwort anhand der Merkmale des/der eingangs in dieser Beschreibung beschriebenen Verfahrens/Vorrichtung erfolgen.
Zum Beispiel kann die Erfassungseinrichtung (Sensor, Sensoranordnung) ein Eintreffen des abgegebenen Druckimpulses in dem Hydraulikzylinder 5, ein Auftreffen des abgegebenen Druckimpulses auf dem Kolben und/oder ein von dem Kolben 7 reflektiertes Signal des abgegebenen Druckimpulses erfassen, und kann die Ermittlungseinrichtung auf Basis der Erfassung des Eintreffens, des Auftreffens und/oder des reflektierten Signals die Stellung des Kolbens 7 ermitteln.
Der Kolben 7 kann eine zur Ermittlung der Stellung des Kolbens 7 dienende Stellgliedfläche haben, auf der der abgegebene Druckimpuls auftrifft und/oder an dem der abgegebene Druckimpuls reflektiert wird.
Die Sensoren 6 können eine Frequenz des abgegebenen Druckimpulses und/oder eine Intensität des abgegebenen Druckimpulses erfassen, und die Ermittlungseinrichtung kann die Stellung des Kolbens 7 auf Basis der Erfassungsergebnisse der Frequenz und/oder Intensität ermitteln.
Alternativ können die Sensoren 6 eine Zeit erfassen, die der Druckimpuls zum Zurücklegen des Druckimpulswegs zwischen dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil (hier: Z1), das den Druckimpuls erzeugt, und der zur Ermittlung der Stellung des Kolbens 7 dienenden Fläche benötigt. In diesem Fall kann die Ermittlungseinrichtung eine Berechungseinrichtung aufweisen, die auch durch den Steuerungsrechner des digitalhydraulischen Druckreglers 1 bereitgestellt wird und die auf Basis der erfassten Zeit und einer Wellenfortschrittgeschwindigkeit des Druckimpulses in dem Hydraulikfluid die Stellung des Kolbens 7 berechnen kann.
Vorstehend ist beschrieben, dass das Digitalventil Z1 gesteuert wird, um den Druckimpuls in dem Hydrauliksystem zu erzeugen. Es kann jedoch jedes beliebige Digitalventil der Vielzahl von Digitalventilen (hier: 24) des digitalhydraulischen Druckreglers 1 zur Erzeugung des Druckimpulses verwendet werden. Es können auch mehr als ein Ventil der Vielzahl von Digitalventilen hierzu verwendet werden.
Auch ist die Anzahl der Digitalventile nicht auf 24 beschränkt, sondern es kann die Anzahl der Digitalventile beliebig geändert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1052441 A2 [0010]
WO 2009/077650 A1 [0046, 0049]
DE 102009026605 A1 [0046, 0049]

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit einem Hydraulikelement, das ein hydraulisch verstellbares Stellglied hat, dessen Stellung zu ermitteln ist, einem digitalhydraulischen Druckregler, der eine Vielzahl von digital gesteuerten Ventilen hat, mittels denen ein Durchfluss eines Hydraulikfluids zu dem Hydraulikelement und/oder ein Druck des Hydraulikfluids in dem Hydraulikelement einstellbar sind/ist, einer Steuerungseinrichtung zum Steuern von zumindest einem der digital gesteuerten Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers derart, dass durch das zumindest eine digital gesteuerte Ventil ein Druckimpuls in dem Hydraulikfluid erzeugt und in Richtung des Hydraulikelements abgegeben wird, einer Erfassungseinrichtung, die eine Impulsantwort des Stellglieds in Erwiderung auf den Druckimpuls erfasst, und einer Ermittlungseinrichtung, die auf Basis der Erfassung der Impulsantwort die Stellung des Stellglieds ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Erfassungseinrichtung ein Eintreffen des abgegebenen Druckimpulses in dem Hydraulikelement, ein Auftreffen des abgegebenen Druckimpulses auf dem Stellglied und/oder ein von dem Stellglied reflektiertes Signal des abgegebenen Druckimpulses erfasst, und die Ermittlungseinrichtung auf Basis der Erfassung des Eintreffens, des Auftreffens und/oder des reflektierten Signals die Stellung des Stellglieds ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Stellglied eine zur Ermittlung der Stellung des Stellglieds dienende Stellgliedfläche hat, auf der der abgegebene Druckimpuls auftrifft und/oder an dem der abgegebene Druckimpuls reflektiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung zumindest einen Sensor aufweist, der eine Frequenz des abgegebenen Druckimpulses und/oder eine Intensität des abgegebenen Druckimpulses erfasst, und die Ermittlungseinrichtung die Stellung des Stellglieds auf Basis der Erfassungsergebnisse der Frequenz und/oder Intensität ermittelt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung eine Zeiterfassungseinrichtung zum Erfassen einer Zeit aufweist, die der Druckimpuls zum Zurücklegen eines Druckimpulswegs zwischen dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil und der zur Ermittlung der Stellung des Stellglieds dienenden Fläche benötigt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Ermittlungseinrichtung eine Berechungseinrichtung aufweist, die auf Basis der erfassten Zeit und einer Wellenfortschrittgeschwindigkeit des Druckimpulses in dem Hydraulikfluid die Stellung des Stellglieds berechnet.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, des Weiteren mit einem Drucksensor zum Erfassen des Hydraulikfluiddrucks, der in dem Hydraulikelement wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Drucksensor stromabwärtig der digital gesteuerten Ventile des digitalhydraulischen Druckreglers und an dem Hydraulikelement oder an dem Stellglied angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Zeiterfassungseinrichtung Zeitpunkte der Abgabe des Druckimpulses von dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil, des Eintreffens des abgegebenen Druckimpulses in dem Hydraulikelement, des Auftreffens des Druckimpulses auf dem Stellglied und/oder des Eingangs des reflektierten Druckimpulses an einer Reflektionseingangsfläche erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Reflektionseingangsfläche an dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil oder dem Hydraulikelement ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der digitalhydraulische Druckregler direkt an dem Hydraulikelement angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das zumindest eine digital gesteuerte Ventil des digitalhydraulischen Druckreglers, das den Druckimpuls erzeugt, mit einer Gehäusestruktur des Hydraulikelements integriert ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Hydraulikelement ein Hydraulikzylinder mit Kolben ist, der als Stellglied eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Hydraulikzylinder ein Belastungszylinder ist, dessen Kolben für die Beaufschlagung einer Walze eines Walzensystems in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, bevorzugt in einem Kalander einer Papiermaschine, mit einer gewissen Belastungskraft eingesetzt wird.
Verfahren zur Ermittlung von Stellgliedpositionen in einem Hydrauliksystem, insbesondere in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines Druckimpulses in einem Hydraulikfluid des Hydrauliksystems durch Steuern eines Schaltzustands von zumindest einem einer Vielzahl von digital gesteuerten Ventilen eines digitalhydraulischen Druckreglers, mittels denen ein Durchfluss des Hydraulikfluids zu einem Hydraulikelement, das ein hydraulisch verstellbares Stellglied hat, dessen Stellung zu ermitteln ist, und/oder ein Druck des Hydraulikfluids in dem Hydraulikelement einstellbar sind/ist, Abgeben des erzeugten Druckimpulses in Richtung des Hydraulikelements, Erfassen einer Impulsantwort des Stellglieds in Erwiderung auf den Druckimpuls, und Ermitteln der Stellung des Stellglieds auf Basis der Erfassung der Impulsantwort.
Verfahren nach Anspruch 15, mit den folgenden Schritten: Erfassen eines Eintreffens des abgegebenen Druckimpulses in dem Hydraulikelement, eines Auftreffens des abgegebenen Druckimpulses auf dem Stellglied und/oder eines von dem Hydraulikelement reflektierten Signals des abgegebenen Druckimpulses, und Ermitteln der Stellung des Stellglieds auf Basis der Erfassung des Eintreffens, des Auftreffens und/oder des reflektierten Signals.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, des Weiteren mit den folgenden Schritten: Erfassen einer Frequenz des abgegebenen Druckimpulses und/oder einer Intensität des abgegebenen Druckimpulses, und Ermitteln der Stellung des Stellglieds auf Basis der Erfassungsergebnisse der Frequenz und/oder Intensität.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, des Weiteren mit dem Schritt: Erfassen einer Zeit, die der Druckimpuls zum Zurücklegen eines Druckimpulswegs zwischen dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil und einer zur Ermittlung der Stellung des Stellglieds dienenden Fläche des Stellglieds benötigt.
Verfahren nach Anspruch 18, des Weiteren mit dem Schritt: Berechnen der Stellung des Stellglieds auf Basis der erfassten Zeit und einer Wellenfortschrittgeschwindigkeit des Druckimpulses in dem Hydraulikfluid.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei Zeitpunkte der Abgabe des Druckimpulses von dem zumindest einen digital gesteuerten Ventil, des Eintreffens des abgegebenen Druckimpulses in dem Hydraulikelement, des Auftreffens des Druckimpulses auf dem Stellglied und/oder des Eingangs des reflektierten Druckimpulses an einer Reflektionseingangsfläche erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei bei dem Schritt zum Erzeugen des Druckimpulses das zumindest eine der digital gesteuerten Ventile in einer vorbestimmten Zeit, die zum Erzeugen des Druckstoßes erforderlich ist, geschlossen wird.