DE102015202624A1

DE102015202624A1 - Stelleinrichtung mit Steuerungsmodul

Info

Publication number: DE102015202624A1
Application number: DE102015202624.8A
Authority: DE
Inventors: Bernd Stöter; Siegfried Reck
Original assignee: ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Current assignee: ContiTech Luftfedersysteme GmbH
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2016-08-18

Abstract

Mit Fluiddruck betreibbare Stelleinrichtung, insbesondere pneumatische Stelleinrichtung, die einen mit einer Druckquelle verbundenen Luftfederbalg aufweist, wobei die Stelleinrichtung mindestens ein Regelventil zur Steuerung der Fluidzufuhr und -abfuhr sowie Sensoren zur Erfassung geometrischer und physikalischer Daten zur Darstellung des aktuellen Betriebszustandes der Stelleinrichtung aufweist sowie eine als Steuerungsmodul ausgebildete elektronische Schaltung, welche mindestens teilweise die Funktion eines Steuergerätes beinhaltet, wobei die Stelleinrichtung mit ihren Komponenten und dem Steuerungsmodul einen vollständigen Regelkreis bildet und die Stelleinrichtung eine elektronische Schnittstelle aufweist, mit deren Hilfe das Steuerungsmodul mit weiteren Steuergeräten oder -einrichtungen kommuniziert

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Fluiddruck betreibbare Stelleinrichtung, insbesondere pneumatische Stelleinrichtung in Form einer Luftfeder, die einen mit einer Druckquelle verbundenen Luftfederbalg aufweist, wobei die Stelleinrichtung mindestens ein Regelventil zur Steuerung der Fluidzufuhr und -abfuhr des Luftfederbalgs sowie Sensoren zur Erfassung geometrischer und physikalischer Daten zur Darstellung des aktuellen Betriebszustandes der Stelleinrichtung aufweist, sowie eine als Steuerungsmodul ausgebildete elektronische Schaltung, welche mindestens teilweise die Funktion eines Steuergerätes beinhaltet bzw. ausüben kann.
In verschiedenen industriellen und kraftfahrzeugtechnischen Anwendungen sind pneumatische und hydraulische Stellelemente verbreitet, die mit Sensoren für den Stellweg bzw. die Position und den pneumatischen bzw. hydraulischen Druck ausgestattet sind. Außerdem sind derartige Stellelemente mit integrierten Ventilen bekannt. Desweiteren sind Kombinationen aus Stellelement, Sensorik und Ventilen bekannt.
Sensoren und Stellelemente alleine können Regelungsaufgaben üblicherweise nicht eigenständig erfüllen. Dazu bedarf es in jedem Fall eines Steuergerätes, das die Sensorsignale auswertet und die Ventile betätigt. Zu diesem Zweck müssen die Parameter der beteiligten Elemente in das Steuergerät eingegeben werden und sind dadurch festgelegt und nur durch fachkundige Personen zu ändern. In der industriellen Steuerungstechnik hat sich in der Kommunikation zwischen Einzelsystemen die BUS (Binary Unit System) Kommunikation bereits durchgesetzt, bei der z.B. Messfühler (Sensoren) und Stellglieder zwecks Kommunikation mit einem Steuerungsgerät über dieselbe Leitung verbunden werden.
Auch im Kraftfahrzeug sind zur Verbindung verschiedener elektronischer Fahrzeugsysteme BUS-Anwendungen bekannt. Bei einzelnen Stellelementen, hier insbesondere in der Pneumatik sind Feldbus-Systeme noch nicht weit verbreitet. In diesen Anlagen erfolgt die Übertragung der Signale zwischen dem elektronischen Steuergerät und den Sensoren bzw. den Stellelementen auf dem physikalischen Layer, d.h. z. B. in Form einer wegproportionalen Spannung als Messwertsignal. Diese Hardware-Konfiguration ist aufwändig und erfordert separate Verbindungen aller Sensoren und Regelelemente mit dem Steuergerät.
Die US 4,798,369 offenbart hierzu ein Ultraschallsystem für eine Luftfederung, bei der ein Ultraschallkopf in der Deckelplatte der Luftfeder montiert ist und die Höhe der Luftfeder misst. Aufgrund dieser Abstandssignale wird eine im Fahrzeug vorhandene Steuerungseinrichtung angesprochen, welche wiederum die Luftzufuhr für die Luftfeder über einen Kompressor und über Regelventile ansteuert.
Die EP 1 845 278 A1 offenbart eine Luftfeder mit integrierter Höhenmessereinrichtung, bei der im Innenraum der Luftfeder ein Näherungssensor angeordnet ist und über ein außerhalb des Innenraums der Luftfeder angeordnetes Steuerungsmodul sowie über Ventileinrichtungen und Regeleinrichtungen die Befüllung der Luftfeder gesteuert wird.
Einzelne Verbesserungen dieser Situation sind bekannt. So offenbart die WO 2005/032863 A1 ein Luftfederungssystem für das Fahrwerk eines Fahrzeugs und zeigt dabei einen mit Druckluft gefüllten Luftfederbalg als Luftfeder, sowie einen in das Oberteil der Luftfederung integrierten Höhensensor und eine ebenfalls dort intergierte elektronische Steuerung. Die elektronische Steuerung steuert abhängig von der Höheninformation des Sensors entsprechende Regelventile an und steuert damit die Luftzufuhr im Luftfederbalg. Die einzelnen Luftfederungen der jeweiligen Räder können auf verschiedene Weise miteinander verbunden sein, Dämpfer beinhalten und auch auf Eingangs- oder Zustandsgrößen der Fahrzeugs reagieren, wie etwa Geschwindigkeit, Querbeschleunigung, Getriebestatus etc.
Für die Erfindung bestand daher die Aufgabe, eine mit Fluiddruck betriebene Stelleinrichtung, insbesondere pneumatische Stelleinrichtung in Form einer Luftfeder bereitzustellen, die in verbesserter Weise die Funktionen eines Steuergerätes und der Sensoren und Stellelemente in der Stelleinrichtung integriert und in einem Verbund mit BUS-Kommunikation verwendbar werden lässt.
Darüber hinaus bestand die Aufgabe darin, eine Stelleinrichtung ohne umfangreiche weitere Anpassung der kommunizierenden Elemente so auszubilden, dass Teilaufgaben in komplexen Regelungs- und Steuerungssystemen autonom ausgeführt werden können (Plug&Produce).
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Dabei bildet die Stelleinrichtung mit ihren Komponenten und dem Steuerungsmodul einen vollständigen Regelkreis und weist eine elektronische Schnittstelle auf, mit deren Hilfe das Steuerungsmodul mit weiteren Steuergeräten oder -einrichtungen oder mit gleichartigen Stelleinrichtungen kommuniziert, ggf. über BUS-Systeme.
Anhand der umfassenden Informationen aus den eigenen Sensoren und den Daten aus benachbarten Systemen, ergreift die intelligente Elektronik autonom alle Maßnahmen, die zur Erfüllung der komplexen Regelungs- und Steuerungsaufgaben notwendig sind, z. B. das Ausregeln der Stellung der Stelleinrichtung/der Luftfeder nach einer äußeren Störung oder nach der Änderung der Führungsgröße.
Die integrierten Sensoren erlauben es der intelligenten Elektronik, Betriebs- und Materialzustände der Stelleinrichtung zu überwachen, adäquat zu reagieren, und ggf. über die Schnittstelle nach außen zu melden
Dazu muss die Stelleinrichtung bzw. ihr Steuerungsmodul lern- und entscheidungsfähig sein, seinen aktuellen Zustand selbst diagnostizieren und sich selbst kalibrieren können. Um autonom agieren zu können, kommuniziert diese Stelleinrichtung mit weiteren Elementen seiner Art und/oder mit einem übergeordneten externen System.
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Sensoren zur Erfassung geometrischer und physikalischer Daten einen oder mehrere der Sensoren für

– die Neigung der Stelleinrichtung oder ihrer Anschlussflächen oder -elemente,
– den Druck des Fluids,
– die Temperatur des Fluids,
– die Höhe der Stelleinrichtung bzw. Abstand ihrer Anschlussflächen oder – elemente zueinander,
– die Durchflussmenge des Fluids und
– die Dichte des Fluids

Gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht die erfindungsgemäße Stelleinrichtung den Aufbau komplexer Systeme zur Lagerung oder Bewegung, weil der Aufwand für Verkabelung und Schlauchverbindungen der räumlich getrennten Einzelkomponenten (Sensoren, Ventile) entfällt. Desweiteren entfällt die Konfiguration des Regelungssystems auf der Basis der Einzelkomponenten.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Sensoren zur Erfassung geometrischer und physikalischer Daten einen oder mehrere der Sensoren zur Erfassung des Material- oder Schädigungszustandes der Stelleinrichtung umfassen. Durch eine solche integrierte Erfassung des Produktzustandes entfällt der Aufwand für eine externe Überwachung z.B. der Aufwand für visuelle oder manuell Kontrolle oder Kontrolle durch externe Sensoren. So ermöglichen Sensoren für den Materialzustand, z.B. die Verwendung eines Zustandssensors für den Elastomerkörper / für Gummi, eine zustandsabhängige Instandhaltung.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das Steuerungsmodul Datenspeicher aufweist, in denen die Daten von Kennlinien oder Kennlinien-Felder für die Steuerung der Stelleinrichtung abgelegt sind.
Mit Hilfe der Kennlinie der Luftfeder, die im Speicher der intelligenten Elektronik abgelegt ist, und den Messdaten der Druck-, Höhen-, und Temperaturmessung kann die Stelleinrichtung z.B. kraftgeregelt eingestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass Steuerungsmodul, Regelventile und Sensorik in einem Anschlussteil einer Stelleinrichtung, insbesondere in einem als Anschlussteil ausgebildeten Deckel eines Luftfederbalgs angeordnet sind. Eine solche Ausbildung vergrößert die Integration der einzelnen Bauteile und führt zu einer besonders platzsparenden Bauweise.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
1 eine Prinzipskizze einer als Luftfeder ausgebildeten erfindungsgemäßen pneumatischen Stelleinrichtung im Schnitt,
2 eine Prinzipskizze in Form einer Draufsicht auf die elektronischen Komponenten im unteren Deckel einer als Luftfederbalg ausgebildeten erfindungsgemäßen pneumatischen Stelleinrichtung nach 1.
Die 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze eine als Luftfeder 1 ausgebildete erfindungsgemäßen pneumatischen Stelleinrichtung im Schnitt, die einen von einer hier nicht näher dargestellten Druckquelle gespeisten Luftfederbalg 5 aufweist.
Der Luftfederbalg 5 hat zwei Anschlussenden 2 und 3 zum Anschluss des Luftfederbalges an ein Auflager und an eine zu tragende oder zu bewegende Anlage, hier eine nicht näher dargestellte Papierpresse. Am unteren Anschlussende 3 befindet sich eine Elektronik-Einheit 4. In der Zusammenschau mit der 2 erkannt man, dass die Elektronik-Einheit 4 als Komponenten einen Drucksensor 12, einen Temperatursensor 14, einen Neigungssensor 16 für mindestens zwei Raumachsen, drei Ultraschall-Sende-Empfänger 18a, 18b, 18c, ein als intelligente Mess- und Steuerungselektronik ausgebildetes Steuerungsmodul 24 und eine Bus-Interface 28 für den Datenaustausch und die Zufuhr elektrischer Energie aufweist.
Das Steuerungsmodul 24 aktiviert die Ventileinheit 6 mit den Funktionen „Belüften“, „Entlüften“ und „Halten“. Die Ventileinheit verfügt über einen Anschluss 30 für Druckluft und einen Auslass 32 für die Entlüftung des Luftfederbalgs 5 sowie mindestens einen Anschluss 34 an den Druckraum des Luftfederbalgs 5.
Mit Hilfe des Neigungssensors 16 wird innerhalb des Steuerungsmoduls 24 die räumliche Lage des Anschlussendes 3 bezüglich des umgebenden Gravitationsfeldes ermittelt.
Die relative Lage der beiden Anschlussenden 2, 3 ermittelt die Elektronik des Steuerungsmoduls 24 durch Ultraschall-Laufzeitmessungen mit den drei Ultraschall-Sende-Empfängern 18a, 18b und 18c. Die absolute Lage des Anschlussendes 2 ergibt sich dann durch den Bezug auf die Lagedaten, die durch den Neigungssensor 16 ermittelt worden sind.
Das Steuerungsmodul 24 erhält über das Bus-Interface 28 die einzustellende Führungsgröße (z. B. den Weg bzw. die Stellhöhe). Aus der Regelabweichung berechnet das Steuerungsmoduls 24 die erforderliche Stellgröße und betätigt die Ventileinheit entsprechend.
Mit Hilfe des Drucksensors 12 und des Temperatursensors 14 überwacht die Steuerungselektronik den allgemeinen Betriebszustand des Luftfederbalgs 5. Es kann z.B. automatisch ein Leckage-Test durchgeführt werden.
Das Steuerungsmodul 24 kann Zustandsdaten (Höhe, Neigung, Temperatur, Druck) des Stelleinrichtung über das Bus-Interface 28 an externe Systeme oder weitere Stelleinrichtungen übertragen, beispielsweise an die anderen Luftfederungen eines Fahrzeugs oder einer Fahrzeugachse. Desweiteren kann sie die Daten anderer Systeme empfangen, sinnvoll auswerten und entsprechend reagieren.
Für die Bestimmung der absoluten Position des Anschlussendes 3 kann an diesem Ende ein weiterer Neigungssensor eingesetzt werden. In diesem Fall ist nur ein Ultraschall-Sende-Empfänger für die Abstandsmessung erforderlich. Ein solcher weiterer Neigungssensor ist vorteilhafterweise als ein in der Nähe des Anschlussendes 3 angeordnetes externes Gerät ausgebildet, dass mittels Funk- oder Kabel die Daten an das Sensormodul 24 übermittelt.
Für die vereinfachte Programmierung kann die das Steuerungsmodul 24 über eine Teach-In-Funktion verfügen.
Zur Bearbeitung von Regelungsaufgaben kann das Steuerungsmodul 24 lernfähig sein. Hierzu werden anhand von definierten Störungs-Antwortszenarien die Parameter der Stellgrößen des individuellen Regelkreises bestimmt (beispielsweise durch Betätigung des Ventils 6 für den Zeitraum t und anschließender Bestimmung der dadurch verursachten Änderung der Betriebszustände). Dadurch kann eine automatische Anpassung des Reglers an den jeweiligen Regelkreis erfolgen.
Die Ventileinheit 6 ist in einer anderen Ausführungsform neben dem Druckraumanschluss 34 vorteilhafterweise mit weiteren pneumatischen Anschlüssen 36 zu Druckräumen weiterer Luftfederbälge ausrüstbar, über die ein oder mehrere weitere Stelleinrichtungen, z.B. weitere Luftfederbälge einer Achse, betrieben werden können.
Bezugszeichenliste

1: Luftfeder
2: Anschlussende
3: Anschlussende
4: Elektronik-Einheit
5: Luftfederbalg
6: Ventileinheit
12: Drucksensor
14: Temperatursensor
16: Neigungssensor
18a: Ultraschall-Sende-Empfänger
18b: Ultraschall-Sende-Empfänger
18c: Ultraschall-Sende-Empfänger
24: Steuerungsmodul
28: BUS-Interface
30: Druckluftanschluss
32: Entlüftungsauslass
34: Druckraumanschluss
36: pneumatischer Anschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4798369 [0005]
EP 1845278 A1 [0006]
WO 2005/032863 [0007]

Claims

Mit Fluiddruck betreibbare Stelleinrichtung, insbesondere pneumatische Stelleinrichtung in Form einer Luftfeder (1), die einen mit einer Druckquelle verbundenen Luftfederbalg (5) aufweist, wobei die Stelleinrichtung mindestens ein Regelventil (6) zur Steuerung der Fluidzufuhr und -abfuhr des Luftfederbalgs sowie Sensoren (12, 14, 16, 18) zur Erfassung geometrischer und physikalischer Daten zur Darstellung des aktuellen Betriebszustandes der Stelleinrichtung aufweist sowie eine als Steuerungsmodul (24) ausgebildete elektronische Schaltung, welche mindestens teilweise die Funktion eines Steuergerätes beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung mit ihren Komponenten und dem Steuerungsmodul (24) einen vollständigen Regelkreis bildet und die Stelleinrichtung eine elektronische Schnittstelle aufweist, mit deren Hilfe das Steuerungsmodul (24) mit weiteren Steuergeräten oder -einrichtungen oder gleichartigen Stelleinrichtungen kommuniziert.
Stelleinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Sensoren zur Erfassung geometrischer und physikalischer Daten einen oder mehrere der Sensoren für – Neigung der Stelleinrichtung oder ihrer Anschlussflächen oder -elemente, – Druck des Fluids, – Temperatur des Fluids, – Höhe der Stelleinrichtung bzw. Abstand ihrer Anschlussflächen oder -elemente zueinander, – Durchflussmenge des Fluids, – Dichte des Fluids umfassen.
Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Sensoren zur Erfassung geometrischer und physikalischer Daten einen oder mehrere der Sensoren zur Erfassung des Material- oder Schädigungszustandes der Stelleinrichtung umfassen.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Steuerungsmodul (24) Datenspeicher aufweist, in denen die Daten von Kennlinien oder Kennlinien-Felder für die Steuerung der Stelleinrichtung abgelegt sind.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der Steuerungsmodul (24), Regelventile (6) und Sensorik (12, 14, 16, 18) in einem Anschlussteil (2, 3) einer Stelleinrichtung, insbesondere in einem als Anschlussteil ausgebildeten Deckel (3) eines Luftfederbalgs angeordnet sind.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der einzelne Sensoren als externe Sensoren ausgebildet sind, die ihre Signale per Funk an das Steuerungsmodul (24) übertragen.
Stelleinrichtung, insbesondere Luftfeder, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die über insbesondere pneumatische Anschlüsse (36) mit Druckräumen weiterer Stelleinrichtungen, insbesondere mit weiteren Luftfederbälgen, verbunden ist, über die ein oder mehrere weitere Stelleinrichtungen bzw. Luftfedern betrieben werden können.