DE102017217621B4

DE102017217621B4 - Hydraulikventil, Ventilnetzwerk, Hydrauliksystem

Info

Publication number: DE102017217621B4
Application number: DE102017217621.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Jell; Johannes GLASER; Markus Imlauer; Enno Duplitzer
Original assignee: Hawe Hydraulik SE
Current assignee: Hawe Hydraulik SE
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2020-12-24
Anticipated expiration: 2037-10-05
Also published as: DE102017217621A1

Abstract

Hydraulikventil (10) zur Druck- oder Volumenstromanpassung eines Hydraulikfluids in einem Hydrauliksystem (100), miteiner Hauptstufe (13), wobei die Hauptstufe (13) ein Gehäuse (12) und ein relativ zum Gehäuse (12) bewegliches Schließglied (18) aufweist, und miteiner Ventilstelleinrichtung (16) zur Bewegung des Schließglieds (18),wobei das Hydraulikventil (10) eine in der Hauptstufe (13) integrierte Sensoranordnung (20) zur Messung fluidabhängiger Ausgangssignale und eine Regeleinrichtung (22) aufweist die konfiguriert ist, die Ventilstelleinrichtung (16) basierend auf den Ausgangssignalen der Sensoranordnung (20) anzusteuern, wobei die Betätigung der Ventilstelleinrichtung (16) nur über die Regeleinrichtung (22) des Hydraulikventils (10) erfolgt,dadurch gekennzeichnet, dassin der Regeleinrichtung (22) mindestens ein erstes Ventilparameterprofil zur Ansteuerung der Ventilstelleinrichtung (16) mit vorab definierten Stellungen des Schließglieds (18) hinterlegt ist, und die Regeleinrichtung (22) eine Optimierungseinrichtung (24) aufweist, wobei die Optimierungseinrichtung (24) die Betätigung der Ventilstelleinrichtung (16) für mindestens einen Betriebspunkt optimiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydraulikventil zur Druck- oder Volumenstromanpassung eines Hydraulikfluids in einem Hydrauliksystem, mit einer Hauptstufe, wobei die die Hauptstufe ein Gehäuse und ein relativ zum Gehäuse bewegliches Schließglied aufweist, und mit einer Ventilstelleinrichtung zur Bewegung des Schließglieds. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Ventilnetzwerk mit einem solchen Hydraulikventil sowie ein Hydrauliksystem mit einem erfindungsgemäßen Ventilnetzwerk.
Es besteht ein großer Bedarf an flexibel einsetzbaren Hydrauliksystemen, die bei möglichst geringer Komplexität für ein breites Spektrum an Anwendungsbereichen einsetzbar sind. Die jeder Regelung zugrundeliegende Zielfunktion ist die, Steuereingaben bzw. Sollwertvorgaben mittels eines im Hydrauliksystem ausgebildeten Regelkreises optimal umzusetzen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn auf den Regelkreis von außen Störgrößen einwirken können, die dann wiederum von einem Regler eingeregelt werden müssen. Ein einzelner Regelkreis zur Druck- oder Volumenstromanpassung eines Hydraulikfluids in einem Hydraulikventil weist dabei regelmäßig einen Sensor zur Istwert-Erfassung der Regelgröße sowie eine Ventilstelleinrichtung auf, die basierend auf der Ausgabe des Sensors eine Systemantwort entwickelt und die Stellung eines Schließglieds so anpasst, dass der am Hydraulikventil vorliegende Istwert sich dem Sollwert schnell und effizient angleicht.
Hydrauliksysteme weisen hierfür üblicherweise an einer oder mehreren Stellen im System angeordnete Sensoren zur Druck- oder Volumenstrommessung auf, deren Ausgaben in der Regel zentral erfasst werden und dann zur Betätigung eines oder mehrerer Schaltelemente in Hydraulikventilen herangezogen werden. Beispielhaft ist hier auf die DE 10 2004 033 846 A1 , die DE 10 2005 055 261 A1 , die DE 100 05 489 A1 , die DE 198 12 804 A1 , die DE 93 14 272 U1 , die DE 196 00 286 A1 sowie die EP 2 241 765 A1 zu verweisen.
Damit einher gehen allerdings einige potentielle Nachteile. Zum einen liegt die Schwierigkeit darin, jedem Hydraulikventil zur Druck- oder Volumenstromanpassung einen geeigneten Sensor zuzuweisen, der möglichst exakt die unmittelbaren am Ventil anliegende Regelgröße abbildet. Je größer und je variabler die Abweichung des Messwerts vom tatsächlichen Wert ist, desto schwieriger wird die Regelung des Hydrauliksystems, was eine aufwändige Signalverarbeitung im Regelkreis zur Folge haben kann. Zum anderen ist aufgrund der Vielzahl an Komponenten, wie etwa durch die Energie- und Signalversorgung der Sensoren und Hydraulikventile, ein hoher Materialeinsatz erforderlich, wodurch Kosten und Ausfallrisiko des Gesamtsystems deutlich erhöht sein können.
Nicht zuletzt muss in einem zentralen Regelungssystem die korrekte Zuordnung des Sensorsignals zur Ansteuerung eines betreffenden Hydraulikventils implementiert werden. Insbesondere wenn mehrere Hydraulikventile im Verbund gesteuert werden müssen, können schnell enorme Rechenleistungen und Datenmengen anfallen. Diese Fülle an notwendigen Komponenten und Handlungen erschwert eine flexible Ausgestaltung eines Hydrauliksystems und birgt ein nicht unerhebliches Fehlerpotenzial.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Regelungsarchitektur zur Druck- oder Volumenstromanpassung eines Hydraulikfluids in einem Hydrauliksystem bei gleichzeitig reduzierter Komplexität für den Endnutzer bereitzustellen.
Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Hydraulikventil gemäß Anspruch 1 sowie einem Ventilnetzwerk nach Anspruch 9 und einem Hydrauliksystem nach Anspruch 16. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Hydraulikventil zur Druck- oder Volumenstromanpassung eines Hydraulikfluids in einem Hydrauliksystem weist eine Hauptstufe mit einem Gehäuse und einem relativ zum Gehäuse beweglich angeordnetes Schließglied auf. Ferner weist das Hydraulikventil eine Ventilstelleinrichtung zur Bewegung des Schließglieds auf. Das Hydraulikventil zeichnet sich gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Ventilen dadurch aus, dass das Hydraulikventil eine in der Hauptstufe integrierte Sensoranordnung zur Messung fluidabhängiger Ausgangssignale aufweist.
Dieser erfindungsgemäße Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass die Istwert-Erfassung für den zur Anpassung des Drucks oder des Volumenstroms bestimmten Regelkreis unmittelbar im Hydraulikventil, nämlich im Schließglied, erfolgt. Dadurch kann ein sehr präziser Messwert der tatsächlich am Schließglied vorliegenden Regelgröße ermittelt werden. Im Ergebnis kann somit sehr effizienter Regler zur Ansteuerung des Schließglieds eingesetzt werden, da nur geringe Störeinflüsse innerhalb des Regelkreises zu erwarten sind.
Unter fluidabhängigen Ausgangssignalen sind im Sinne der Erfindung ganz allgemein Signale zu verstehen, die mit der Regelgröße, etwa Druck oder Volumenstrom, korrelieren. Wie für Sensoren üblich, wird zunächst ein analoges Signal detektiert. Die Änderung dieses Signals korreliert mit der Änderung der Regelgröße des Hydraulikfluids und wird beispielsweise in Form einer Auslenkung bzw. Weglängenänderung, einer kapazitiven Änderung, einer Änderung der Stromstärke, der Spannung oder dergleichen erfasst und anschließend in ein digitales Signal gewandelt.
Demnach ist auch die Sensoranordnung als ein in der Hauptstufe integriertes Bauteil bzw. Baugruppe zu verstehen, die es ermöglicht, ein direkt oder indirekt mit dem Hydraulikfluid gekoppeltes Ausgangssignal bereitzustellen. Entscheidend ist, dass das Ausgangssignal zumindest bereichsweise die Änderung der Regelgröße des Hydraulikfluids zur Weiterverwendung im Regelkreis abbilden kann.
Denkbar ist, dass am Gehäuse ein Gewinde ausgebildet ist. Das Hydraulikventil ist mithin als Ventilpatrone ausgebildet und kann so in einfacher Art und Weise montiert werden.
Erfindungsgemäß weist das Hydraulikventil ferner eine Regeleinrichtung auf, die konfiguriert ist, die Ventilstelleinrichtung basierend auf den Ausgangssignalen der Sensoranordnung anzusteuern. Ein Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass das Hydraulikventil als eine autarke mess- und regelungstechnische Einheit ausgeführt ist. Mithin kann ein solches Hydraulikventil eine von außen erhaltene Sollwertvorgabe erhalten und den mit der Sensoranordnung gemessenen Istwert selbstständig an die Sollwertvorgabe anpassen. Demnach wird im Hydraulikventil ein Regelkreis geschlossen, wobei der dem Regelkreis zugrunde gelegte Reglertyp unterschiedlich ausgestaltet sein kann, beispielsweise als PID-Regler. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Regeleinrichtung im Gehäuse integriert ist. Mithin ergibt sich so ein besonders kompaktes und gut zu handhabendes Hydraulikventil.
Erfindungsgemäß ist in der Regeleinrichtung mindestens ein erstes Ventilparameterprofil zur Ansteuerung der Ventilstelleinrichtung mit vorab definierten Stellungen des Schließglieds hinterlegt. Ein solches Ventilparameterprofil zur Ansteuerung der Ventilstelleinrichtung kann beispielsweise eine Kalibrier- oder Standardfunktion sein, die ein Verhältnis der anzulegenden Spannung oder des anzulegenden Stroms zu der Auslenkung des Schließglieds abbildet. Alternativ oder ergänzend kann ein derartiges Ventilparameterprofil für vorab definierte Schließgliedtypen in Form eines Kennfelds für das individuelle Hydraulikventil hinterlegt sein. Dies erhöht die modulartige Einsetzbarkeit eines Hydraulikventils, da hierbei das Schließglied ausgetauscht oder ersetzt werden kann, ohne dass die Regeleinrichtung ersetzt werden muss. In einem solchen Fall muss lediglich das Ventilparameterprofil der Ventilregelungseinheit an das neue Schließglied angepasst oder ersetzt werden. Auch kann so sichergestellt werden, dass eine zuverlässige Funktion des Hydraulikventils bei einem Sensorausfall möglich ist, da in diesem Fall das Hydraulikventil mit dem (standardisierten) ersten Ventilparameterprofil gesteuert wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die Betätigung der Ventilstelleinrichtung nur über die Regeleinrichtung des Einschraubventils. Ebenfalls ist es möglich, dass das Hydraulikventil eine zusätzliche Datenkommunikation mit der Umgebung durchführt. Im Sinne dieser Weiterbildung ist entscheidend, dass eine mit der Umgebung stattfindende Datenkommunikation keinen direkten Einfluss auf Signalerzeugung im Regelkreis hat. Davon ausgenommen ist selbstverständlich die Übermittlung eines Sollwerts oder eines Berechnungsparameters an das Hydraulikventil von außen, beispielsweise um Temperatureinflüsse zu berücksichtigen.
Erfindungsgemäß weist die Regeleinrichtung eine Optimierungseinrichtung auf, wobei die Optimierungseinrichtung die Betätigung der Ventilstelleinrichtung für mindestens einen Betriebspunkt optimiert. Der Begriff Optimierungseinrichtung ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass es sich hierbei um eine körperlich und/oder logisch abgrenzbare Einrichtung handelt, die einen vorliegenden Istwert in nicht-linearer Weise einer Sollwertvorgabe anpassen kann. Die Optimierungseinrichtung kann Teil der Regeleinrichtung sein, muss dies aber nicht zwangsläufig. Unabhängig von der Beschaffenheit der Regeleinrichtung kann die Optimierungseinrichtung über die Systemgrenze des Hydraulikventils mit der Umgebung kommunizieren. Eine Optimierungseinrichtung kann beispielsweise Data-Mining Methoden, Regressionsmodell- basierte Methode oder Fuzzylogikbasierte Methoden aufweisen.
Vorteilhafterweise weist die Optimierungseinrichtung ein künstliches neuronales Netz auf. Ein Vorteil der Verwendung eines neuronalen Netzes liegt in der Möglichkeit, aus einer Vielzahl von Eingangsparameter nützliche Ausgangskorrelationen extrahieren zu können, die alsdann zur Signalverarbeitung im Regelkreis verwendet werden können. Ferner kann ein neuronales Netz adaptiv neue Regeln erlernen und sich neuen Situationen anpassen, wodurch beispielsweise schleichend auftretende Effekte wie etwa Verschleiß im Ventil oder sich allmählich ändernde Stoffwerte des Hydraulikfluids kompensiert werden können. Somit können unter anderem Alterungseffekte kompensiert werden, die beispielsweise durch die über die Zeit veränderte Reibung oder einen Sensorendrift entstehen. Auch ist es so möglich, Umwelteinflüsse zu berücksichtigen und zu kompensieren, beispielsweise bedingt durch Temperaturschwankungen. Besonders vorteilhaft ist ferner die Möglichkeit, das neuronale Netz mithilfe vorhandener Datensätze auf eine bestimmte Zielsituation hin, die etwa einem bestimmten Betriebspunkt entspricht, trainiert bzw. angelernt werden können, was zur verbesserten Sollwert-Istwertangleichung dienlich sein kann.
Vorteilhafterweise ist das Hydraulikventil ausgebildet, wenigstens eine der Funktionen bestehend aus Last halten, schwimmende Stellung, Schwingungsdämpfung, Druckbegrenzung und Mengenregelung zu erfüllen. Dadurch kann das Hydraulikventil für eine Vielzahl von Einbausituationen und Betriebssituationen verwendet werden. Mit anderen Worten kann somit ein Bautyp eines Hydraulikventils je nach Konfiguration und Betrieb verschiedenste Funktionen darstellen, die normalerweise über unterschiedliche Bautypen von Hydraulikventilen jeweils erzeugt werden. Die Durchführung der zuvor genannten Stellungen und Funktionen sieht dabei stets die Berücksichtigung des mittels der integrierten Sensoranordnung gemessenen fluidabhängigen Ausganssignals vor. Zusätzlich zu den mittels der integrierten Sensoranordnung gemessenen Ausgangssignalen können ggf. weitere externe Ausgangssignale zur Realisierung der betreffenden Stellung oder Betriebszustände hinzugezogen werden. Die geschilderten Funktionen können sich auch aus dem Zusammenspiel mehrerer Hydraulikventile heraus ergeben.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Hydraulikventil ein 2/2-Wegeventil oder ein 3/2-Wegeventil. Derartige Wegeventile sind sehr häufig im Einsatz und können mit den erfindungsgemäß verbesserten Eigenschaften einen erheblichen Beitrag zur Vereinfachung und Optimierung einer größeren hydraulischen Anlage leisten. Vorteilhafterweise weist das Hydraulikventil eine Sitz- und/ oder Schieberkante auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Hydraulikventil eine Ventilpatrone, und insbesondere ein Einschraubventil. Mithilfe eines derartigen Einschraubventils bzw. einer Ventilpatrone ist es möglich, ein bestehendes Hydrauliksystem sehr flexibel zu verändern. Insbesondere kann eine herkömmliche Ventilpatrone mit einer erfindungsgemäßen Ventilpatrone ersetzt werden, oder es können unterschiedliche Varianten erfindungsgemäßer Ventilpatronen ausgetauscht werden, wodurch das Hydrauliksystem in unterschiedlicher Art und Weise bei gleichzeitig erheblich reduzierter Komplexität der Anlage betrieben werden kann.
Vorteilhafterweise weist die Sensoranordnung einen Drucksensor und/oder einen Volumenstromsensor auf. Der Drucksensor kann ferner einen Referenzdrucksensor aufweisen, um anstelle des Gesamtdrucks einen Differenzdruck an das Hydraulikventil bereitzustellen.
Vorteilhafterweise weist das Hydraulikventil am Gehäuse einen Stromanschluss und/oder einen BUS-Systemanschluss auf. Zusätzlich oder alternativ kann das Hydraulikventil eine Signalleitung zur azyklischen Datenkommunikation aufweisen. Unter einem BUS-System sind herkömmliche, aus dem Stand der Technik bekannte Datennetzwerke gemeint, die üblicherweise mittels zyklischer Datenübertragung, dem Polling, Daten zwischen einem Master und mehreren Slaves austauschen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Ventilnetzwerk mit einer Mehrzahl von den vorstehend beschriebenen Hydraulikventilen, wobei die Hydraulikventile über ein BUS-System miteinander verbunden. Wie erwähnt sieht die typische BUS-Topologie eines Netzwerks vor, dass ein zentraler Master alle Slaves zyklisch anspricht. Die Art und der Umfang der zwischen Master und Slave ausgetauschten Daten können unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Hydraulikventil, in diesem Falle ein Slave, im Sinne der Erfindung einen in sich geschlossenen Regelkreis aufweisen und nur Sollwertvorgaben und gegebenenfalls die Energieversorgung über den Master beziehen. Alternativ kann der Master ein integraler Bestandteil des Regelkreises sein. Im Sinne der Erfindung ist entscheidend, dass das fluidabhängige Ausgangssignal aus der im Schließglied integrierten Sensoranordnung Teil der Sollwert-Istwertangleichung des Regelkreises ist. Geeignete BUS-Systeme für eine derartige Netzwerktopologie sind etwa AS-i Netzwerke, PROFIBUS, CAN-Bus und andere Feldbussysteme.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Ventilnetzwerk so konfiguriert, dass die Menge an in dem Netzwerk zu übertragenden Daten möglichst gering ist und jedes im Ventilnetzwerk vorhandene Hydraulikventil die für den Regelkreis erforderliche Datenverarbeitung selbstständig tätigt. Dadurch können Rechenaufgaben dezentral verteilt und die Spitzenlasten einzelner Rechensysteme im Netzwerk reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Regeleinrichtungen der Hydraulikventile so konfiguriert, dass die Ventilstelleinrichtungen eines jeden Hydraulikventils aufgrund des Ausgangssignals der Sensoranordnung eines anderen Hydraulikventils ansteuerbar sind. Somit können auch Ausgangssignale anderer Hydraulikventile zur Sollwert-Istwertangleichung eines Regelkreises eines fremden Hydraulikventils hinzugezogen werden. Es ist auch denkbar, dass ausschließlich Ausgangssignale eines anderen Hydraulikventils zur Sollwert-Istwertangleichung innerhalb eines Hydraulikventils herangezogen werden. Voraussetzung hierfür ist eine Datenkommunikation zwischen mehreren Hydraulikventilen. Dies kann beispielsweise wie vorstehend beschrieben über einen zentralen Master in einem BUS-System geschehen. Gleichwohl sind auch andere Netzwerktopologien denkbar, sowohl kabellos als auch kabelgestützt. Diese können sowohl von Ventil zu Ventil erfolgen oder aber auch mittels einer zusätzlich vorhandenen zentralen Kommunikationseinheit. Wenn kein BUS-System vorhanden ist, bietet sich eine vollständig vermaschte Netzwerktopologie an, damit jedes Hydraulikventil mit jedem weiteren Hydraulikventil Daten austauschen kann.
Der besondere Vorteil dieser Weiterbildung liegt darin, dass obwohl die Regelungsvorgänge dezentral in den einzelnen Hydraulikventilen erfolgen, das Ventilnetzwerk dennoch mit uneingeschränkter Flexibilität sämtliche Daten nutzen kann, um die Mehrzahl von Ventilen separat oder im Zusammenspiel miteinander anzusteuern. Das Ventilnetzwerk kann derart dezentral aufgebaut sein, dass dem Netzwerk lediglich eine Sollwertvorgabe zugewiesen werden muss und sämtliche Regel- und Datenverarbeitungsvorgängen von den einzelnen Hydraulikventilen durchgeführt werden. Die Regeleinrichtungen oder die Optimierungseinrichtungen der Hydraulikventile können dabei insbesondere auch die Aufgabe der Kommunikation einzelner Ventile untereinander übernehmen. Auch können Daten aus der Vergangenheit gespeichert und unter den Hydraulikventilen zur Verbesserung oder Anpassung eventuell vorhandener Data-Mining-Methoden ausgetauscht werden. Dadurch eignet sich das Ventilnetzwerk eine gewisse Schwarmintelligenz an, die umso besser wird, je mehr Daten vorliegen.
Vorteilhafterweise weist das Ventilnetzwerk wenigstens eine zweite Sensoranordnung zur Messung wenigstens einer weiteren Regelgröße auf, wobei die Ausgangssignale der zweiten Sensoranordnung wenigstens einer Regeleinrichtung des Ventilnetzwerks zur Verfügung gestellt werden. Unter einer weiteren Regelgröße ist eine physikalische, analoge oder digitale Größe zu verstehen, deren Wert einen Einfluss auf das Ventilnetzwerk haben kann. Mithin kann so eine zusätzliche Information in einzelne Regelkreise oder den Verbund von Regelkreisen einfließen.
Vorteilhafterweise weist die zweite Sensoranordnung einen Gyrosensor, Temperatursensor, Vibrationssensor, Bewegungssensor, Drucksensor, Volumenstromsensor, Wegsensor, Akkustiksensor und/ oder elektroresistiven Sensor auf. Entscheidend ist, dass der zweiten Sensoranordnung Ausgangssignale entnommen werden können, die wenigstens einer Regeleinrichtung des Ventilnetzwerks zur Verfügung gestellt werden können. Am Beispiel des Bewegungssensors bedeutet dies, dass Schwingungen die beispielsweise beim Einsatz des Ventilnetzwerks in einem mobilhydraulischen Gerät mit einem Ausleger (z.B. der Arm einer Betonpumpe) kompensiert werden können. Entsprechende Signale werden dem Ventilnetzwerk zur Verfügung gestellt, sodass die einzelnen Hydraulikventile des Hydrauliknetzwerks in ihrem Ansprecherhalten dahingehend angepasst werden, dass die Schwingungen bestenfalls vollständig kompensiert werden.
Vorteilhafterweise sind wenigstens zwei Hydraulikventile baugleich, wobei das Ventilnetzwerk so konfiguriert ist, dass die wenigstens zwei baugleichen Hydraulikventile eine kombinierte Funktion erfüllen können, die über die Funktion des einzelnen Hydraulikventils hinausgeht. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein erfindungsgemäßes Netzwerksystem mit mehreren identischen, verhältnismäßig einfach aufgebauten Hydraulikventilen ausgestattet werden kann, die aber dennoch komplexere Aufgaben lösen können, wenn sie miteinander kombiniert werden. Dadurch können Anschaffungskosten, Lagerhaltungskosten und Einbaufehler noch weiter reduziert werden. Hierbei sind baugleiche Hydraulikventile als solche Hydraulikventile zu verstehen, die funktional gleichartig, aber nicht zwingend identisch sind. Denkbar ist beispielsweise, dass zwei (baugleiche) Hydraulikventile verschiedener Baugröße eine kombinierte Funktion erfüllen.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Hydrauliksystem mit einem erfindungsgemäßen Ventilnetzwerk. Ein solches Hydrauliksystem kann beispielsweise in einer mobilhydraulischen Gerätschaft eingesetzt werden, etwa in einem Stapler, einem Forstkran, einer Betonpumpe, einer Feuerwehrdrehleiter oder dergleichen.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren beschrieben. Hierbei zeigen schematisch:

1: eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hydraulikventils;
2: eine erste Variante eines Ventilnetzwerks gemäß einer ersten Ausführungsform;
3: eine zweite Variante eines Ventilnetzwerks gemäß der ersten Ausführungsform;
4: eine dritte Variante eines Ventilnetzwerks gemäß der ersten Ausführungsform;
5: eine vierte Variante eines Ventilnetzwerks gemäß der ersten Ausführungsform;
6: eine erste Variante eines Ventilnetzwerks gemäß einer zweiten Ausführungsform;
7: eine zweite Variante eines Ventilnetzwerks gemäß der zweiten Ausführungsform; und
8: eine dritte Variante eines Ventilnetzwerks gemäß der zweiten Ausführungsform.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hydraulikventils 10 dargestellt. Dabei weist das Hydraulikventil 10 eine Hauptstufe 13 mit einem Gehäuse 12 und einem relativ zum Gehäuse 12 beweglichen Schließglied 18 auf. Am Gehäuse 12 ist ein Gewinde 14 ausgebildet, das als Außengewinde ausgeführt ist. Über das Gewinde 14 kann das Hydraulikventil 10 in ein entsprechend komplementäres Innengewinde einer nicht dargestellten Struktur eingeschraubt und befestigt werden. Mithin stellt das Hydraulikventil 10 eine Ventilpatrone zum Einschrauben dar.
Im Inneren des Hydraulikventils 10 ist eine Ventilstelleinrichtung 16 zur Bewegung des Schließglieds 18 vorgesehen, wobei die Ventilstelleinrichtung 16 die wesentlichen Komponenten enthält, die zur Betätigung des Schließglieds 18 notwendig sind. In dem in 1 dargestellten Fall handelt es sich um ein Magnetventil. Mithin weist die Ventilstelleinrichtung 16 eine mechanische Feder zur Vorspannung des Schließglieds 18 sowie einen schaltbaren Magneten auf, der im bestromten Zustand entgegen der Federvorspannkraft wirkt. Die tatsächliche Beeinflussung des Hydraulikfluids erfolgt über das Schließglied 18. Ferner weist die Hauptstufe 13 eine integrierte Sensoranordnung 20 zur Messung fluidabhängiger Ausgangssignale auf Somit erfasst die Sensoranordnung 20 den Istwert der Regelgröße unmittelbar am Schließglied 18. Zur Betätigung desselben mittels eines geeigneten Regelkreises, etwa einem PID-Regler, ist der erfasste Ist- Wert an eine Sollwertvorgabe anzugleichen. In 1 ist die Sensoranordnung 20 schematisch als dem Gehäuse 12 zugeordnete Box angedeutet. Selbstverständlich kann die Sensoranordnung 20 auch im Schließglied 18 integriert sein. Denkbar ist insbesondere auch, eine Abzweigleitung für Hydraulikfluid vorzusehen, in welcher das Hydraulikfluid auf Druck und/oder Volumenstrom hin untersucht wird.
Ferner weist das Hydraulikventil gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Regeleinrichtung 22 auf, die konfiguriert ist, die Ventilstelleinrichtung 16 basierend auf den Ausgangssignalen der Sensoranordnung 20 anzusteuern. Damit wird also der Regelkreis aus Sensoranordnung 20, Regler und Schließglied 18 bzw. Ventilstelleinrichtung 16 innerhalb des Hydraulikventils 10 geschlossen. Mit einer von außen eingespeisten Sollwertvorgabe kann das Hydraulikventil 10 diese selbstständig umsetzen.
Für den Empfang einer Sollwertvorgabe weist das abgebildete Hydraulikventil 10 einen Datenanschluss auf, über den periodisch Sollwertvorgaben bereitgestellt werden sowie einen Stromanschluss. Alternativ oder zusätzlich kann das Hydraulikventil auch einen BUS-Systemanschluss 28 aufweisen, über den zyklisch Sollwertvorgaben empfangen werden und der zudem als Stromanschluss dient. Die in 1 dargestellten punktierten Linien deuten die datentechnische Verknüpfung der Sensoranordnung 20 und der Regeleinrichtung 22 an, wobei die Übertragung der Signale sowohl kabelgebunden als auch kabellos erfolgen kann. Das Hydraulikventil 10 weist ferner einen Stromanschluss 26 und einen BUS-Systemanschluss 28 auf, die in dem abgebildeten Beispiel mit der Regeleinrichtung 22 verbunden sind.
In 2 ist eine Variante einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilnetzwerks 200 gezeigt, das eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Hydraulikventilen 10 aufweist. Wie gezeigt, weisen die Hydraulikventile jeweils eine Ventilstelleinrichtung 16, eine Sensoreinheit 20 sowie eine nicht dargestellte Regeleinrichtung 22 auf. Die punktierte Linienführung in jedem Hydraulikventil deutet an, dass im Hydraulikventil 10 ein Regelkreis ausgebildet ist. Jedes Hydraulikventil 10 ist an eine Hydraulikfluidleitung 11 angeschlossen. Ferner sind die einzelnen Hydraulikventile 10 alle an ein zentrales BUS-System 30 mit einem Master 32 angeschlossen. Über den Master werden die einzelnen Hydraulikventile 10 periodisch mit Sollwertvorgaben beaufschlagt, die alsdann mit Hilfe der Regelkreise als Grundlage zur Istwertangleichung des Hydraulikfluids an die Sollwertvorgaben herangezogen werden.
Die Regeleinrichtung 22 weist eine Optimierungseinrichtung 24 auf, die mit Hilfe von Data-Mining Methoden, etwa einem künstlichen neuronalen Netz, einem Regressionsmodell oder einem Fuzzylogik-Algorithmus Rückschlüsse aus den erhobenen Ausgangssignalen der Sensoranordnungen ziehen kann. Die Methodik der Optimierungseinrichtung 24 ist dabei so konfiguriert, dass sie entweder direkt in die Signalverarbeitung des Regelkreises eingreift, oder ist alternativ so konfiguriert, dass sie lediglich „mitliest“ und Daten bezüglich des Bedienerverhaltens, der Ausgangssignale aus den Sensoranordnungen oder dergleichen zur Weiterbearbeitung bereitstellt. Die Optimierungseinrichtung 24 ist in 2 beispielhaft als Bestandteil des Regelkreises eines Hydraulikventils 10 dargestellt. Gleichwohl kann die Optimierungseinrichtung 24 aber auch in mehreren Hydraulikventilen 10 oder in einer den Regelkreisen der Hydraulikventile 10 übergeordneten Regelungshierarchie vorliegen. Letzteres kann etwa in Gestalt einer im Master 32 implementierten Optimierungseinrichtung 24 vorliegen, die die Signalentwicklung in einem oder mehreren Regelkreisen der einzelnen Hydraulikventile 10 beeinflussen kann.
Eine zweite Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilnetzwerks 200 ist in 3 gezeigt. Diese Variante unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Variante dadurch, dass die einzelnen Hydraulikventile 10 an ein zentrales BUS-System 30 angeschlossen sind, wobei kein Master vorgesehen ist. Vielmehr über nimmt in dieser Variante eines der Hydraulikventile 10 die Masterfunktion, oder sämtliche Hydraulikventile 10 übernehmen die Masterfunktion im Sinne eines dynamischen Master.
4 zeigt eine dritte Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilnetzwerks 200. In dieser Variante weist das Ventilnetzwerk 200 eine zweite Sensoranordnung 220, die mit dem Regelkreis eines Hydraulikventils verbunden ist. Die zweite Sensoranordnung 220 kann beispielsweise ein Gyrosensor, Temperatursensor, Vibrationssensor, Bewegungssensor, Drucksensor, Volumenstromsensor, Wegsensor, Akkustiksensor und/ oder elektroresistiven Sensor sein, der dem betreffenden Regelkreis eine zusätzliche Eingangsgröße aus der Umgebung oder Peripherie des Ventilnetzwerks 200 bereitstellen kann. In dieser Variante weist das Hydraulikventil 10, dessen Regelkreis mit der zweiten Sensoranordnung 220 verbunden ist, eine Optimierungseinrichtung 24 auf. Die Optimierungseinrichtung 24 ist dabei so ausgestaltet, dass diese aus den mehreren Eingangsgrößen, nämlich die Ausgangssignale aus der ersten Sensoranordnung 20 und der zweiten Sensoranordnung 220 eine optimale Betätigung der Ventilstelleinrichtung 16 ermitteln kann.
Die in 5 gezeigte vierte Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventilnetzwerks 200 sieht eine zweite Sensoranordnung 220 vor, die an den Master 32 des Ventilnetzwerks 200 angeschlossen ist. In diesem Fall können die Ausgangssignale der Sensoranordnung 220 bereits zur Bestimmung der Sollwertvorgaben, die von dem Master 32 oder vom Endnutzer mittels eines Eingabegeräts (beispielsweise ein Joystick) an die einzelnen Hydraulikventile 10 kommuniziert werden, entsprechend den Ausgabesignalen der zweiten Sensoranordnung 220 angepasst werden. Alternativ kann das Ventilnetzwerk der in 4 dargestellten Form die Ausgangssignale der zweiten Ventilanordnung 220 auch an einen oder mehrere Slaves kommunizieren, die diese Ausgangssignale zur Entwicklung einer geeigneten Betätigung der Ventilstelleinrichtung 16 heranziehen können. Dies erfolgt in der gezeigten Variante unter Zuhilfenahme einer Optimierungseinrichtung 24, die im Master 32 zur Optimierung der Steuersignale an die einzelnen Hydraulikventile 10 vorgesehen ist.
6 zeigt eine erste Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilnetzwerks 200. Die einzelnen Hydraulikventile 10 sind hierin zu jenen der ersten Ausführungsform identisch. Das Ventilnetzwerk 200 ist in diesem Ausführungsbeispiel kein BUS-System, sondern weist eine sternförmige und vermaschte Netzwerktopologie auf. Demnach kommuniziert ein zentraler Signalgeber 34 die Sollwertvorgaben einzeln mit den Hydraulikventilen 10. Zudem können die einzelnen Hydraulikventile 10 untereinander über die vermaschte Netzverkabelung Daten der Regelkreise austauschen. Die Optimierungseinrichtung 24 ist in 3 als Bestandteil eines einzelnen Hydraulikventils 10 vorgesehen. Ähnlich wie zur 2 beschrieben, kann die Optimierungseinrichtung 24 auch in mehreren Hydraulikventilen 10 vorliegen. Auch kann die Optimierungseinrichtung in einer den Regelkreisen der Hydraulikventile 10 übergeordneten Regelungshierarchie implementiert sein. Aufgrund der vermaschten Netzwerktopologie des in 6 gezeigten Ausführungsbeispiels kann die Optimierungseinrichtung auch an einer beliebigen Stelle im Ventiletzwerk 200 implementiert sein und dennoch mit einem oder mehreren oder allen Hydraulikventilen 10 kommunizieren. Dies kann hierbei gänzlich losgelöst von dem zentralen Signalgeber 34 erfolgen.
7 veranschaulicht eine zweite Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilnetzwerks 200. Gemäß dieser Variante ist ein Hydraulikventil 10 mit einer zweiten Sensoranordnung 220 derart verbunden, dass die Ausgangssignale der zweiten Sensoranordnung 220 von dem Regelkreis des betreffenden Hydraulikventils 10 zur Entwicklung einer geeigneten Betätigung der Ventilstelleinrichtung 16 herangezogen werden können. Hierzu weist das Hydraulikventil 10 ferner eine Optimierungseinrichtung 24 auf, mit Hilfe der aus den beiden Eingangsgrößen, nämlich den Ausgangsgrößen aus der ersten Sensoranordnung 20 und der zweiten Sensoranordnung 220 ein optimiertes Steuersignal errechnet werden kann.
In 8 ist eine dritte Variante der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventilnetzwerks 200 dargestellt. Hierbei ist die zweite Sensoranordnung 220 an den zentralen Signalgeber 34 angeschlossen. Der Signalgeber 34 kann nun unter Zuhilfenahme der Optimierungseinrichtung 24 die Ausgangssignale aus der zweiten Sensoranordnung 220 in die Ausgabe der Sollwertvorgaben an die einzelnen Hydraulikventile 10 mit einfließen lassen.
Beispielsweise können über das in 2 bis 8 gezeigte Ventilnetzwerk 200 fluidabhängige Ausgabedaten aus einer Sensoranordnung in den Regelkreis eines anderen Hydraulikventils 10 eingespeist werden. Mithin können die Hydraulikventile 10 miteinander kommunizieren und eine Vielzahl gemeinsamer bzw. gekoppelter Aufgaben lösen. Beispielsweise können so zwei als 2/2-Wege-Sitzventile ausgeführte Hydraulikventile 10 im Verbund eine Funktion erfüllen, die über die Funktion eines einzelnen Sitzventils hinausgeht, etwa die eines 4/3-Wegeventils.
Bezugszeichenliste

10: Hydraulikventil
11: Hydraulikfluidleitung
12: Gehäuse
13: Hauptstufe
14: Gewinde
16: Ventilstelleinrichtung
18: Schließglied
20: Sensoranordnung
22: Regeleinrichtung
24: Optimierungseinrichtung
26: Stromanschluss
28: BUS-Systemanschluss
30: BUS-System
32: Master
34: Signalgeber
100: Hydrauliksystem
200: Ventil netzwerk
220: zweite Sensoranordnung

Claims

Hydraulikventil (10) zur Druck- oder Volumenstromanpassung eines Hydraulikfluids in einem Hydrauliksystem (100), mit einer Hauptstufe (13), wobei die Hauptstufe (13) ein Gehäuse (12) und ein relativ zum Gehäuse (12) bewegliches Schließglied (18) aufweist, und mit einer Ventilstelleinrichtung (16) zur Bewegung des Schließglieds (18), wobei das Hydraulikventil (10) eine in der Hauptstufe (13) integrierte Sensoranordnung (20) zur Messung fluidabhängiger Ausgangssignale und eine Regeleinrichtung (22) aufweist die konfiguriert ist, die Ventilstelleinrichtung (16) basierend auf den Ausgangssignalen der Sensoranordnung (20) anzusteuern, wobei die Betätigung der Ventilstelleinrichtung (16) nur über die Regeleinrichtung (22) des Hydraulikventils (10) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regeleinrichtung (22) mindestens ein erstes Ventilparameterprofil zur Ansteuerung der Ventilstelleinrichtung (16) mit vorab definierten Stellungen des Schließglieds (18) hinterlegt ist, und die Regeleinrichtung (22) eine Optimierungseinrichtung (24) aufweist, wobei die Optimierungseinrichtung (24) die Betätigung der Ventilstelleinrichtung (16) für mindestens einen Betriebspunkt optimiert.
Hydraulikventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungseinrichtung (24) ein künstliches neuronales Netz aufweist.
Hydraulikventil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil (10) ausgebildet ist, wenigstens eine der Funktionen bestehend aus Last halten, schwimmende Stellung, Schwingungsdämpfung, Druckbegrenzung und Mengenregelung zu erfüllen.
Hydraulikventil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil (10) ein 2/2-Wegeventil oder ein 3/2-Wegeventil ist.
Hydraulikventil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil (10) eine Sitz- und/ oder Schieberkante aufweist.
Hydraulikventil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil (10) eine Ventilpatrone ist.
Hydraulikventil (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil (10) ein Einschraubventil ist.
Hydraulikventil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (20) einen Drucksensor und/ oder einen Volumenstromsensor aufweist.
Hydraulikventil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikventil (10) am Gehäuse (12) einen Stromanschluss (26) und/ oder einen BUS-Systemanschluss (28) aufweist.
Ventilnetzwerk (200) mit einer Mehrzahl von Hydraulikventilen (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Ventilnetzwerk (200) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikventile (10) über ein BUS-System (30) miteinander verbunden sind.
Ventilnetzwerk (200) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikventile (10) über eine vermaschte Netzwerktopolgie miteinander verbunden sind.
Ventilnetzwerk (200) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtungen (20) der Hydraulikventile (10) so konfiguriert sind, dass die Ventilstelleinrichtungen (16) eines jeden Hydraulikventils (10) aufgrund des Ausgangssignals der Sensoranordnung (20) eines anderen Hydraulikventils (10) ansteuerbar sind.
Ventilnetzwerk (200) nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilnetzwerk (200) wenigstens eine zweite Sensoranordnung (220) zur Messung wenigstens einer weiteren Regelgröße aufweist, wobei die Ausgangssignale der zweiten Sensoranordnung (220) wenigstens einem Regelkreis des Ventilnetzwerks (200) zur Verfügung gestellt werden.
Ventilnetzwerk (200) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoranordnung (220) einen Gyrosensor, Temperatursensor, Vibrationssensor, Bewegungssensor, Drucksensor, Volumenstromsensor, Wegsensor, Akkustiksensor und/ oder elektroresistiven Sensor aufweist.
Ventilnetzwerk (200) nach einem der vorherigen Ansprüche 910 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Hydraulikventile (10) baugleich sind, wobei das Ventilnetzwerk (200) so konfiguriert ist, dass die wenigstens zwei baugleichen Hydraulikventile (10) eine kombinierte Funktion erfüllen können, die über die Funktion des einzelnen Hydraulikventils (10) hinausgeht.
Hydrauliksystem (100) mit einem Ventilnetzwerk (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 16.