DE102021103615A1 - Eccentric screw metering device and method for controlling an eccentric screw metering device - Google Patents
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Abstract
Offenbart sind eine Dosiervorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Dosierprozesses mit einer Dosiervorrichtung. Die Dosiervorrichtung hat eine Exzenterschneckenpumpe, die von einem z.B. elektromotorischen Antrieb über einen Drehmomentsensor angetrieben wird. Das Drehmoment wird kontinuierlich oder periodisch erfasst. Daraus werden Rückschlüsse auf den Zustand und/oder auf Veränderungen wie z.B. auf den Verschleiß der Exzenterschneckenpumpe gezogen.A dosing device and a method for controlling a dosing process with a dosing device are disclosed. The dosing device has an eccentric screw pump which is driven, for example, by an electric motor via a torque sensor. The torque is recorded continuously or periodically. From this, conclusions are drawn about the condition and/or changes, such as wear and tear of the progressing cavity pump.
Description
Die Erfindung betrifft eine Exzenterschnecken-Dosiervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Steuerung eines Dosierprozesses mit einer derartigen Exzenterschnecken-Dosiervorrichtung.The invention relates to an eccentric screw dosing device according to the preamble of
Bekanntlich wird industrielle Fertigung erst möglich durch Reproduzierbarkeit und Prozesskontrolle über alle Herstellungsphasen, weil eine die Produktion begleitende Prozessverbesserung die laufende Optimierung ermöglicht, die die Wettbewerbsfähigkeit dauerhaft erhält.As is well known, industrial production is only possible through reproducibility and process control over all production phases, because process improvement accompanying production enables ongoing optimization that permanently maintains competitiveness.
Entsprechend brisant sind Kenntnis und Monitoring aller den Fertigungsprozess bestimmenden Zustände von Dosiervorrichtungen in einer Fertigungsanlage.Knowledge and monitoring of all the states of dosing devices in a production plant that determine the production process are correspondingly explosive.
Mit immer leistungsfähigeren flüssigen und pastösen Funktionswerkstoffen und der Miniaturisierung entwickelte sich auch der Bedarf, Flüssigkeiten und Pasten im industriellen Fertigungsprozess immer genauer und schneller präzise zu dosieren, wobei das Dosiergut z.B. Vorfixieren und Kleben, elektrisch und thermisch Kontaktieren, Abschirmen und hermetisch Kapseln und immer weitere Funktionalitäten übernimmt. Inzwischen werden sogar die eigentlichen, funktionalen Bauelemente über Dosierprozesse hergestellt, wie beispielsweise optische Linsen, Leiter oder Streukörper etc. im 3D-Druck. Allerdings führt die innovative Ausdifferenzierung der immer leistungsfähigeren, anwendungsspezifischen Medien zu extremen Dosiereigenschaften: hohe und/oder abrasive Feststoffbeladung im Medium (wie z.B. bei Wärmeleitpasten oder der LED-Leuchtstoffe), enge Prozessfenster für Temperatur, Druck, Agitation bzw. kinetischen Energieeintrag oder Topfzeit fordern immer genauere Abstimmung der Dosiervorrichtung auf die aktuell wirksame „Systemsituation“ aus Medium, Dosierer und Prozessanforderung.With more and more efficient liquid and pasty functional materials and miniaturization, the need also developed to dose liquids and pastes in the industrial manufacturing process more and more precisely and quickly, with the dosing material being e.g functionalities takes over. In the meantime, even the actual, functional components are manufactured using dosing processes, such as optical lenses, conductors or diffusers, etc. in 3D printing. However, the innovative differentiation of the ever more powerful, application-specific media leads to extreme dosing properties: high and/or abrasive solids loading in the medium (e.g. with thermally conductive pastes or LED phosphors), narrow process windows for temperature, pressure, agitation or kinetic energy input or pot life ever more precise adjustment of the dosing device to the currently effective "system situation" of medium, dosing device and process requirements.
Mit Miniaturisierung und Produktivitätssteigerung einhergehend wächst die Anforderung, immer kleinere Mengen mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit ab zu dosieren, wobei Prozesszuverlässigkeit und Anlagenverfügbarkeit wesentliche Kriterien der Dosiermethodenwahl sind.Along with miniaturization and increased productivity, there is a growing need to dose smaller and smaller quantities with high precision and repeat accuracy, with process reliability and system availability being key criteria when choosing the dosing method.
Dosiervorrichtungen mit Exzenterschneckenpumpen mit ihren selbstdichtenden Rotor-Stator-Passungen sind durch ihre exakt volumetrische Funktionsweise sehr vielseitig anwendbar. Solange diese im regulären Betriebsbereich arbeiten, fördern sie das Dosiergut -inklusive etwaiger Füllstoffe- exakt drehwinkelproportional, wenn auch mit definierten, leicht zu mittelnden Fördereinbrüchen durch Öffnungs- und Schließphasen der Schneckenkammern. Eine Regelung des Antriebsmotors der Exzenterschneckenpumpe verwendet daher Drehzahl und Drehwinkel als Zielgrößen des volumetrischen Dosierbetriebs. Die positionierbewegungssynchrone Regelung der Drehzahl ermöglicht dann eine örtlich konstante Abdosiermenge, also z.B. einen gleichmäßigen Dosiergutauftrag am Target. Dabei sind typisch tribologische u.a. wechselwirkende Grenzflächeneigenschaften zwischen Exzenterschneckenpumpe und Dosiergut sowie Viskositätsverhalten des Dosiergutes bestimmend für Leistung, Standzeit und Zuverlässigkeit - und stark verschleißabhängig.Dosing devices with progressing cavity pumps with their self-sealing rotor-stator fits are very versatile due to their precise volumetric functionality. As long as these work in the regular operating range, they convey the dosing material - including any fillers - exactly in proportion to the angle of rotation, albeit with defined, easily averaged conveying drops due to the opening and closing phases of the screw chambers. A regulation of the drive motor of the progressing cavity pump therefore uses speed and angle of rotation as target values of the volumetric dosing operation. The positioning movement-synchronous control of the speed then enables a locally constant dosing quantity, e.g. an even dosing application on the target. Typical tribological, inter alia, interacting interface properties between the progressing cavity pump and the dosing material as well as the viscosity behavior of the dosing material are decisive for performance, service life and reliability - and are heavily dependent on wear.
Der individuelle Dosierprozess wird gemäß dem Stand der Technik aufgrund allgemeiner Erfahrungswerte über die verfügbaren Parameter grob voreingestellt und anschließend durch Versuchsreihen feinjustiert, bis das gewünschte Ergebnis stabil erreicht wird. Dieser Zustand muss dann bei Abweichungen schnell und geeignet nachgeregelt werden, wozu bis heute die Qualitätssicherung bzw. der Prozessverantwortliche über regelmäßige Stichproben anhand des Dosierergebnisses (meist an abgelegten Dosierungen oder z.B. am fertigen Zwischenprodukt) gefordert ist. Dies wird vereinzelt auch bereits über automatische Prozesse erledigt, z.B. über die bildverarbeitungstechnische Bewertung des platzierten Dosiergutes.According to the state of the art, the individual dosing process is roughly preset on the basis of general experience using the available parameters and then fine-tuned through a series of tests until the desired result is achieved in a stable manner. This state must then be readjusted quickly and appropriately in the event of deviations, for which up to now quality assurance or the person responsible for the process has been required to carry out regular spot checks based on the dosing result (usually on stored doses or e.g. on the finished intermediate product). In some cases, this is already done via automatic processes, e.g. via the image processing evaluation of the placed dosing material.
Treten dann im hochproduktiven Serieneinsatz Qualitätsprobleme oder gar Dosierunterbrechungen auf, so müssen fragwürdige Chargen rückverfolgt werden bis zur ersten Grenzmusterverletzung, der Fertigungsprozess muss gestoppt und der Dosierprozess muss nachgebessert werden, bevor die Serienproduktion wieder anläuft. Schaden und Aufwand können erheblich sein und die kalkulierbare Anlagenverfügbarkeit leidet, die Zuverlässigkeit steht infrage.If quality problems or even dosing interruptions then occur in highly productive series use, questionable batches must be traced back to the first limit sample infringement, the manufacturing process must be stopped and the dosing process must be improved before series production can start again. Damage and expense can be significant and the calculable system availability suffers, reliability is in question.
Besondere Brisanz gewinnt die vorliegende Erfindung durch das innovative Streben des Marktes in Richtung der Minimalmengendosierung bei immer extremerer Ausdifferenzierung von Dosierguteigenschaften für die Herstellung hoch werthaltiger Zielprodukte: aufgewendete Dosiergutmenge und Zielproduktausbeute sind wirtschaftlich hochrelevante Faktoren und daher im Fokus des Marktes, während der Aufwand an Produktionsmitteln angesichts der hohen Produktivität moderner Fertigungsanlagen kaum mehr ins Gewicht der Stückkosten fällt und so die Investitionen in innovative Anlagentechnologie mehr als rechtfertigt.The present invention gains particular explosiveness through the innovative striving of the market in the direction of minimum quantity dosing with ever more extreme differentiation of dosing material properties for the production of high-value target products: expended dosing material quantity and target product yield are economically highly relevant factors and therefore in the focus of the market, while the cost of production means is considered the high productivity of modern production plants is hardly relevant to the unit costs and thus more than justifies the investments in innovative plant technology.
Gemäß dem Stand der Technik regeln Dosiervorrichtungen mit Exzenterschneckenpumpen (und darüber hinaus auch mit Exzenterschrauben-, Endloskolben-, Monho-/Moineau- oder Peristaltikpumpen) typischerweise mit Drehzahl und Drehwinkel am Antriebsmotor als Zielgröße, weil diese im störungsfreien und unverschlissenen regulären Betriebsbereich einem eindeutig kalkulierbaren Dosierstrom bzw. Dosiervolumen aus der Rotor-Stator-Baugruppe entsprechen.According to the prior art, dosing devices with eccentric screw pumps (and also with eccentric screw, endless piston, Monho/Moineau or peristaltic pumps) typically regulate with speed and angle of rotation on the drive motor as target values, because these correspond to a clearly calculable dosing flow or dosing volume from the rotor-stator assembly in a trouble-free and undamaged regular operating range.
Dass die Rotor-Stator-Passungseigenschaften extrem relevant für den Dosierprozess sind, wie sich in den Phänomenen der praktischen Verwendung zeigt, bleibt dabei unberücksichtigt und muss durch vorbeugende Nutzungsbeschränkungen und einzugehende Prozessrisiken einkalkuliert werden.The fact that the rotor-stator fitting properties are extremely relevant to the dosing process, as shown in the phenomena of practical use, is not taken into account and must be taken into account through preventive usage restrictions and process risks.
Bekannte derartige Phänomene sind z.B.
- • hohe Losbrechkräfte der Passung beim Anfahren (Slip-, Stick- und Schwingungstendenz)
- • mangelnde Kammerfüllung
- • temperaturabhängige Passungseigenschaften
- • medienabhängige Passungseigenschaften
- • medienabhängiges Drehmoment
- • medienabhängiger Verschleiß
- • verschleißbedingte Dosierprozessveränderung (Passungsänderung)
- • „plötzlicher“, unvorhergesehener (Rotorstrang-) Bruch oder Blockade bzw. Totalausfall
- • u.a. kinetisch bedingte Medienveränderung (prozessparameterabhängig)
- • Veränderungen im, und Rückwirkungen aus dem nachgeschalteten Dosierstrang (z.B. Verstopfen der Dosiernadel)
- • High breakaway forces of the fit when starting (tendency to slip, stick and vibrate)
- • insufficient filling of the chamber
- • temperature-dependent fit properties
- • media-dependent fit properties
- • Medium-dependent torque
- • media-dependent wear
- • Dosing process change due to wear (change of fit)
- • "Sudden", unforeseen (rotor strand) breakage or blockage or total failure
- • Among other things, kinetically caused media change (depending on the process parameters)
- • Changes in and repercussions from the downstream dosing line (e.g. clogging of the dosing needle)
Als Kriterien für Wartungsbedarf und Verschleißzustand werden Erfahrungswerte inklusive vorzusehender Standzeitreserven angesetzt, die möglichst mit vergleichbar beanspruchendem Dosiergut und Prozessbedingungen gewonnen wurden. Dabei ergeben sich wachsende Unzulänglichkeiten in dreierlei Hinsicht: das Risiko des plötzlichen Versagens ist mit immer höherwertigem Produktionsausschuss verbunden. Tatsächlich vergleichbare Vorerfahrungen werden selten wegen der fortschreitenden, anwendungsspezifischen Ausdifferenzierung von Dosierguteigenschaften hin zu „High-Tech“- Eigenschaften mit typisch extremen und engen Prozessfenstern. Dazu kommt eine höhere Produktivität der Fertigungslinien mit entsprechend hohem Produktionsausfall bei Stillstand oder Fehlproduktion.As criteria for the need for maintenance and the state of wear, empirical values including the service life reserves to be provided are used, which were obtained as far as possible with similarly demanding dosing material and process conditions. This results in increasing inadequacies in three respects: the risk of sudden failure is associated with increasingly high-quality production rejects. Previous experiences that are actually comparable are rare because of the progressive, application-specific differentiation of dosing material properties towards "high-tech" properties with typically extreme and narrow process windows. In addition, there is a higher productivity of the production lines with a correspondingly high production loss in the event of standstill or faulty production.
Gemäß dem Stand der Technik treten also durch mangelnde Kenntnis des aktuellen System- und Verschleißzustandes beispielsweise ein Abdriften der Dosiergenauigkeit, ein Abplatzen einer verstopften Dosiernadel oder der spontane Bruch des Antriebsstranges mit entsprechend kostenträchtigen Folgen auf.According to the state of the art, a lack of knowledge of the current system and state of wear can result, for example, in the dosing accuracy drifting off, a clogged dosing needle flaking off or the drive train spontaneously breaking, with correspondingly costly consequences.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Dosiervorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Dosierprozesses zu schaffen, die bzw. das die vorbeschriebenen Nachteile vermeidet.In contrast, the invention is based on the object of creating a dosing device and method for controlling a dosing process which avoids the disadvantages described above.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Dosiervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und Verfahren zur Steuerung eines Dosierprozesses mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.This object is achieved by a metering device having the features of
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.Further advantageous refinements of the invention are described in the dependent patent claims.
Erfindungsgemäß wird die Erkenntnis genutzt, dass eine pragmatisch relevante Subsummierung aktueller Einflüsse sich in dem Verlauf des Drehmoments am Förderrotor oder Förderstator manifestiert und dieser somit die vorrangig auszuwertende Größe der Regelung darstellt.According to the invention, use is made of the finding that a pragmatically relevant subsummation of current influences manifests itself in the course of the torque on the conveyor rotor or conveyor stator, and this therefore represents the control variable to be primarily evaluated.
Vorzugsweise wird die Nachregelung über Antriebsdrehmoment und Drehwinkel bzw. der daraus abgeleiteten Drehzahl des Förderrotors sowie die eher trägen Stellgrößen Temperatur oder Staudruck an Dosiergutzuführung und Exzenterschneckenpumpe erfolgen. Je nach Dosiervorrichtung und Dosiergut stehen auch andere Stellgrößen im Regelkreis zur Verfügung, die ebenfalls durch die erfindungsgemäße, feinfühlige Zustandserfassung zu schneller Nachregelung oder Wartungsplanung noch vor Auftreten echter Qualitätsmängel oder gar einem Anlagenausfall nutzbar sind.The readjustment is preferably carried out via the drive torque and angle of rotation or the rotational speed of the conveying rotor derived from this, as well as the rather sluggish manipulated variables of temperature or dynamic pressure at the dosing material feed and eccentric screw pump. Depending on the dosing device and dosing material, other manipulated variables are also available in the control loop, which can also be used by the sensitive status detection according to the invention for quick readjustment or maintenance planning even before real quality defects or even a system failure occur.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, bereits sich anbahnende Abweichungen des Dosierprozesses frühzeitig und vorzugsweise automatisch zu erkennen, mit Blick auf mögliche Stellgrößen zu analysieren und damit den umgehenden Nachregelprozess zu befähigen, ohne dass eine Fertigungsunterbrechung oder Ausschussproduktion überhaupt anfällt. Die Standzeit der Produktionsmittel und die Topfzeit des Dosiergutes werden zuverlässig und voll ausschöpfbar, also ohne Notwendigkeit vorzusehender und jedenfalls verlorener Sicherheitsreserven.The present invention makes it possible to recognize impending deviations in the dosing process early and preferably automatically, to analyze them with a view to possible manipulated variables and thus to enable the immediate readjustment process without production being interrupted or rejects being produced at all. The service life of the means of production and the pot life of the dosing material become reliable and fully exploitable, i.e. without the need for safety reserves to be provided and in any case lost.
Weiterhin erschließt die Erfindung völlig neue Anwendungsstrategien, indem es immer ausgehend vom aktuellen Funktionszustand die völlige Kontrolle über den Dosierprozess schafft und somit beispielsweise auch „schlechte“ Passungen zwischen Förderrotor u. Förderstator noch bis zum Rand des Prozessfensters genutzt werden können: Passungen, die bislang wegen zweifelhafter Standzeiterwartung vorsorglich verworfen wurden, können durch erfindungsgemäßes Vorgehen risikofrei bis zur Verschleißgrenze gefahren werden. Auch beispielsweise die Nachführung einer passungsrelevanten Anstellkraft wird durch die erfindungsgemäße Drehmomenterfassung anwendbar, ebenso viele andere Methoden, die funktionsrelevanten Passungslinien der Exzenterschneckenpumpe nachzuregeln, um die Dosiereigenschaften anzupassen oder die Nutzungsdauer zu verbessern.Furthermore, the invention opens up completely new application strategies by always creating complete control over the dosing process based on the current functional status and thus, for example, "poor" fits between the conveyor rotor and conveyor stator can still be used right up to the edge of the process window: fits that were previously dubious expectation of service life were discarded as a precaution, can be driven risk-free up to the wear limit by proceeding according to the invention. Also, for example, the tracking of a fit-relevant Contact force can be used through the torque detection according to the invention, as well as many other methods of readjusting the functionally relevant fit lines of the eccentric screw pump in order to adapt the metering properties or to improve the service life.
Durch Verschleiß der Rotor-Stator-Passung sinkt das bei unveränderten Medienverhältnissen je Drehwinkel aufzuwendende Drehmoment, während die Anstiegsflanken flacher werden können und sich deren Phasenlage gegenüber dem Neuzustand verschiebt. Das Ein- und Überschwingverhalten verändert sich signifikant. Die beobachteten Phänomene lassen sich durch besondere Ansteuerzyklen noch verdeutlichen.Due to wear of the rotor-stator fit, the torque to be applied per angle of rotation with unchanged media conditions decreases, while the rising flanks can become flatter and their phase position shifts compared to the new condition. The transient and overshoot behavior changes significantly. The observed phenomena can be further clarified by special control cycles.
Das vom Antrieb des Förderrotors zu überwindende Drehmoment bildet bei entsprechend feinfühliger Erfassung, unter Korrelation zu einem bekannten Normzustand und ggf. der individuellen Vorgeschichte, die Gesamtheit der aktuell relevanten Eigenschaften der funktionalen Exzenterschneckenpumpe hinreichend ab, so dass eine serienproduktionsgerechte Zuverlässigkeit im Dosierprozess höchster Präzision daraus ableitbar ist. Prozessschwankungen können daran orientiert ausgeregelt, Wartungsbedarf vorhergesehen und unvorhergesehene Produktionsunterbrechungen vermieden werden.The torque to be overcome by the drive of the conveying rotor forms, with correspondingly sensitive recording, with correlation to a known standard state and, if necessary, the individual history, sufficiently from the entirety of the currently relevant properties of the functional progressing cavity pump, so that a series production-oriented reliability in the dosing process of the highest precision can be derived from this is. Process fluctuations can be corrected based on this, maintenance requirements can be foreseen and unforeseen production interruptions can be avoided.
Sowohl das eingeschwungene Drehmoment, als auch beispielsweise Anfahrrampen mit deren Flankensteilheit, Phasenlage und Überschwingverhalten liefern deutliche Hinweise zum Verschleißzustand der Exzenterschneckenpumpe. Eigens definierte Antriebszyklen können die Zustandsanalyse der Exzenterschneckenpumpe (und des Dosierguts) erleichtern.Both the steady torque and, for example, start-up ramps with their edge steepness, phasing and overshoot behavior provide clear indications of the state of wear of the progressing cavity pump. Specially defined drive cycles can facilitate the status analysis of the progressing cavity pump (and the dosing material).
Die Einbeziehung weiterer Produktionsprozessinformationen perfektioniert Leistung, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Dosiervorrichtung in Richtung Produktivität, Kosteneffizienz und Ergebnisqualität. Es ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten bspw. in der präzisen Mikrodosierung.The inclusion of further production process information perfects the performance, availability and reliability of the dosing device in terms of productivity, cost efficiency and quality of results. There are new possible uses, for example in precise microdosing.
Erfindungsgemäß sind Veränderungen in der Dosiergenauigkeit durch feinfühlige Überwachung des Drehmoments erkenn- und ausregelbar, und die Annäherung an eine Dosierprozessgrenze kann durch einen bedarfsgerechten Wartungsplan kalkulierbar abgefangen werden. Dies ermöglicht auch die gefahrlose Ausschöpfung der maximal möglichen Nutzungsdauer der hochwertigen Dosierkomponenten.According to the invention, changes in the dosing accuracy can be recognized and corrected by sensitive monitoring of the torque, and the approach to a dosing process limit can be intercepted in a calculable manner by means of a needs-based maintenance plan. This also enables the maximum possible service life of the high-quality dosing components to be safely exploited.
Im Übrigen ermöglicht die feine Ausregelbarkeit gemäß der Erfindung auch immer kleinere Abdosierungen zuverlässig mit der erforderlichen Genauigkeit.Furthermore, the ability to be finely adjusted according to the invention also enables smaller and smaller dosages to be dosed reliably with the required accuracy.
Die vorliegende Erfindung schließt eine Lücke bei Monitoring und Prozessregelung und beseitigt damit hohe Risiken für Qualität und Anlagenverfügbarkeit. Sie schafft die Voraussetzung für Industrie 4.0- und selbstlernende (KI) Verwendungen.The present invention closes a gap in monitoring and process control and thus eliminates high risks for quality and plant availability. It creates the conditions for Industry 4.0 and self-learning (AI) applications.
Die konkret beanspruchte Dosiervorrichtung hat eine Exzenterschneckenpumpe, die einen Förderstator und Förderrotor aufweist, wobei der Förderrotor mittels eines Antriebs relativ gegenüber dem Förderstator drehbar ist. Erfindungsgemäß ist ein Drehmomentsensor zur Erfassung des effektiv am Förderrotor oder am Förderstator anliegenden Drehmoments vorgesehen.The specifically claimed metering device has an eccentric screw pump which has a conveyor stator and conveyor rotor, the conveyor rotor being rotatable relative to the conveyor stator by means of a drive. According to the invention, a torque sensor is provided for detecting the torque effectively applied to the conveyor rotor or the conveyor stator.
Der Drehmomentsensor ist vorzugsweise in einen Rotorstrang zwischen dem Antrieb und der Exzenterschneckenpumpe kraftschlüssig integriert.The torque sensor is preferably integrated in a non-positive manner in a rotor train between the drive and the eccentric screw pump.
Der Drehmomentsensor ist vorzugsweise über adaptierende Kupplungen seriell in zwischen den Antrieb und die Exzenterschneckenpumpe, also z.B. in den Rotorstrang eingebracht.The torque sensor is preferably installed serially via adapting couplings between the drive and the eccentric worm pump, e.g. in the rotor assembly.
Der Drehmomentsensor ist vorzugsweise vom Anwender nachträglich modular zwischen den Antrieb und die Exzenterschneckenpumpe einfügbar. Beispielsweise ist der Drehmomentsensor vom Anwender nachträglich modular in den Rotorstrang einfügbar. Dabei wird der Drehmomentsensor über eine adaptierende Kupplung einerseits an den Antrieb und anderseits an den Förderrotor drehfest gekoppelt.The torque sensor can preferably be subsequently inserted by the user in a modular manner between the drive and the eccentric screw pump. For example, the user can subsequently insert the torque sensor into the rotor train in a modular manner. The torque sensor is non-rotatably coupled to the drive on the one hand and to the conveyor rotor on the other by means of an adapting clutch.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung auch einen Drehwinkelsensor für den Förderrotor auf. Dieser kann auch als Drehzahlsensor weitergebildet sein. Damit wird die erfindungsgemäße frühzeitige und vorzugsweise automatische Erkennung der sich anbahnenden Abweichungen des Dosierprozesses weiter erleichtert.The dosing device according to the invention preferably also has a rotation angle sensor for the conveying rotor. This can also be developed as a speed sensor. This further facilitates the inventive early and preferably automatic detection of impending deviations in the dosing process.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung mindestens einen weiteren Sensor für ein Dosiergut auf. Der weitere Sensor kann ein Staudrucksensor oder ein Temperatursensor oder ein Fördervolumenstromsensor sein. Damit wird die erfindungsgemäße frühzeitige und vorzugsweise automatische Erkennung der sich anbahnenden Abweichungen des Dosierprozesses weiter erleichtert.The dosing device according to the invention preferably has at least one further sensor for a dosing material. The additional sensor can be a dynamic pressure sensor or a temperature sensor or a delivery volume flow sensor. This further facilitates the inventive early and preferably automatic detection of impending deviations in the dosing process.
Das konkret beanspruchte sensorisches Verfahren dient zur Optimierung eines Dosierprozesses. Erfindungsgemäß erfolgt eine laufende oder periodische Erfassung und Protokollierung und Ausgabe des zeitlichen Verlaufs eines effektiv an einem Förderrotor oder an einem Förderstator einer Exzenterschneckenpumpe einer Dosiervorrichtung anliegenden Drehmoments. Dies dient zur Überwachung und/oder Regelung und/oder Parametrierung und/oder Wartung der Dosiervorrichtung. Die Dosiervorrichtung ist vorzugsweise eine vorbeschriebenen Dosiervorrichtung.The specifically claimed sensory method serves to optimize a dosing process. According to the invention, an ongoing or periodic cal detection and logging and output of the time profile of a torque effectively applied to a delivery rotor or to a delivery stator of an eccentric screw pump of a dosing device. This serves to monitor and/or regulate and/or parameterize and/or maintain the dosing device. The dosing device is preferably a dosing device as described above.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zur weiteren Optimierung des Dosierprozesses. Dabei erfolgt eine Erfassung, Protokollierung und/oder Ausgabe des zeitlichen Verlaufs auch eines Drehwinkels bzw. einer Drehzahl des Förderrotors. Dies dient zur Überwachung und/oder Regelung und/oder Parametrierung und/oder Wartung der Dosiervorrichtung.A particularly preferred development of the method according to the invention serves to further optimize the dosing process. In this case, the time course is recorded, logged and/or output, including a rotation angle or a speed of the conveyor rotor. This serves to monitor and/or regulate and/or parameterize and/or maintain the dosing device.
Es kann auch nach aktiver Anregung eine Impulsantwortanalyse zur Zustandsbestimmung der Dosiervorrichtung, insbesondere der Exzenterschneckenpumpe, insbesondere einer Rotor-Stator-Baugruppe durchgeführt werden.After active excitation, an impulse response analysis can also be carried out to determine the state of the dosing device, in particular the eccentric screw pump, in particular a rotor-stator assembly.
Die Verwertung des Verlaufs des Drehmoments und ggf. des Drehwinkels bzw. der Drehzahl erfolgt vorzugsweise im Rahmen eines selbstlernenden Regelungsprozesses der Dosierung.The evaluation of the course of the torque and possibly the angle of rotation or the speed is preferably carried out within the framework of a self-learning control process of the metering.
Mit Hilfe des erfindungsgemäß erfassten Verlaufs des Drehmoments und ggf. auch des Drehwinkels bzw. der Drehzahl wird bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ein Service- und Wartungsplan erstellt. Dies dient zur Maximierung von Standzeit, Anlagenverfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Vermeidung unerwarteter Totalausfälle.In a preferred development of the method, a service and maintenance plan is drawn up with the aid of the course of the torque recorded according to the invention and possibly also the angle of rotation or the rotational speed. This serves to maximize service life, system availability, reliability and avoid unexpected total failures.
Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse und Möglichkeiten zum Dosierprozess wird bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens der oben genannte Service- und Wartungsplan verändert oder ein extra Service- und Wartungsplan erstellt. Dies dient auch zur Maximierung von Standzeit, Anlagenverfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Vermeidung unerwarteter Totalausfälle.In a preferred further development of the method, the above-mentioned service and maintenance plan is changed or an extra service and maintenance plan is created with the aid of the knowledge and possibilities gained for the dosing process. This also serves to maximize service life, system availability, reliability and avoid unexpected total failures.
Mit Hilfe des erfindungsgemäß erfassten Drehmoments oder dessen Verlauf kann auch ein Zustand eines Dosierguts überwacht werden, wobei der Zustand vorzugsweise eine Viskosität ist.With the aid of the torque detected according to the invention or its progression, a state of a dosing product can also be monitored, with the state preferably being a viscosity.
Mit mindestens einem weiteren Sensor kann auch ein Staudruck und/oder eine Temperatur und/oder ein Fördervolumen des Dosierguts überwacht werden.A dynamic pressure and/or a temperature and/or a delivery volume of the dosing material can also be monitored with at least one additional sensor.
Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse und Möglichkeiten zum Dosiergut kann der oben genannte Service- und Wartungsplan verändert oder ein extra Service- und Wartungsplan erstellt werden. Dies dient ebenfalls zur Maximierung von Topfzeit, Dosiergutverbrauch, Anlagenverfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Vermeidung unerwarteter Totalausfälle.With the help of the knowledge and possibilities gained regarding the dosing material, the above-mentioned service and maintenance plan can be changed or an extra service and maintenance plan can be created. This also serves to maximize pot life, dosing material consumption, system availability, reliability and avoid unexpected total failures.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird ein Totalausfall unverzüglich signalisiert. Dies kann konkret ein Bruch im Antriebsstrang sein, der durch ein extrem hohes Drehmoment oder durch ein extrem niedriges Drehmoment erkannt wird. Bei der Weiterbildung des Verfahrens mit der Drehwinkel- bzw. Drehzahlüberwachung kann der Bruch im Antriebsstrang auch durch eine extrem hohe oder durch eine extrem niedrige Drehzahl erkannt werden.In a preferred development of the method, a total failure is signaled immediately. Specifically, this can be a break in the drive train, which is detected by an extremely high torque or by an extremely low torque. In the further development of the method with the angle of rotation or speed monitoring, the break in the drive train can also be detected by an extremely high or extremely low speed.
Zwei Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung und ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Figuren dargestellt.Two exemplary embodiments of the dosing device according to the invention and an exemplary embodiment of the method according to the invention are shown in the figures.
Es zeigen
-
1 eine Exzenterschneckenpumpe und einen Antrieb der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer geschnittenen Darstellung, -
2 die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Darstellung, und -
3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Dosierprozesses.
-
1 an eccentric screw pump and a drive of the metering device according to the invention according to a first embodiment in a sectional view, -
2 the dosing device according to the invention according to a second embodiment in a schematic representation, and -
3 an embodiment of the method according to the invention for controlling a dosing process.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus
Die Exzenterschneckenpumpe 1 hat einen Förderstator 60, der in einer Statoraufnahme 70 gehäusefest aufgenommen ist. Dabei ist die Statoraufnahme 70 über ein Statorkoppelgehäuse 20 mit einem Gehäuse des elektromotorischen Antriebs 10 fest verbunden. In dem Statorkoppelgehäuse 20 ist der Rotorstrang mit dem Drehmomentsensor 110 aufgenommen.The
Der Förderstator 60 umgibt den Förderrotor 50, wodurch gedichtete Schneckenkammern gebildet sind, die bei Rotation des Förderrotors 50 von einem Dosierguteinlass 100 (in
Signale des Drehmomentsensors 110 stehen einer (in
Weitere Sensoren 90 können hilfreiche Zusatzinformationen bezüglich des Dosiergutes (wie z.B. dessen Staudruck, Temperatur oder Fördervolumenstrom) vom Dosierausgang der Dosiernadelaufnahme 80 an die elektronische Dosiersteuerung liefern.
Signale des Drehmomentsensors 110 stehen der elektronischen Dosiersteuerung µ0 laufend zur Verfügung. Die Dosiersteuerung µC verfügt damit in Kombination mit der Drehwinkelinformation des Drehzahlsensors 120 jederzeit über die Information, welche Kräfte, Leistungen und Energien von dem Antrieb 10 in den Förderrotor 50 der Exzenterschneckenpumpe 1 eingespeist werden. Ein Fördervolumenstromsensor 90 liefert hilfreiche Zusatzinformationen bezüglich des Dosiergutes vom Dosierausgang der (in
Im Rotorstrang beidseitig des Drehmomentsensors 110, also auf der Seite der Antriebs 10 und auf der Seite des Exzenterschneckenpumpe 1 sind jeweilige Kupplungen 30 angeordnet. Diese ermöglichen ein nachträgliches modulares Einsetzen des erfindungsgemäßen Drehmomentsensors 110 in den Rotorstrang. Damit kann eine bestehen Dosiervorrichtung mit der erfindungsgemäßen Sensorik nachgerüstet werden.In the rotor train, on both sides of the
Bei beiden Ausführungsbeispielen gemäß den
Gemäß
Höchste Priorität kommt dabei der besonders einfachen Detektion von Rotorbruch oder -blockade zu, die mit höchster Priorität unverzüglich dem übergeordneten Prozessleitrechner QM signalisiert wird, damit dieser den Produktionsprozess zur Vermeidung von Ausschussproduktion sofort anhalten kann.The highest priority is the particularly simple detection of rotor breakage or blockage, which is immediately signaled to the higher-level QM process control computer with the highest priority, so that it can stop the production process immediately to avoid rejects.
Ohne solchen Alarmbefund werden die übrigen Soll- bzw. „n/n+1“-Messungsabweichungen anhand vorhandener, algorithmischer Erfahrungswerte umgerechnet in ein Status(diagnose)protokoll zur Einschätzung der verbleibenden Nutzungsdauer, des nächsten Wartungsintervalls und einen Vertrauensgrad (z.B. Ausfallwahrscheinlichkeit im laufenden Wartungsintervall).Without such an alarm finding, the remaining target or "n/n+1" measurement deviations are converted into a status (diagnosis) log for estimating the remaining service life, the next maintenance interval and a degree of confidence (e.g. probability of failure in the current maintenance interval) using existing algorithmic empirical values ).
Diese Statuskennzeichen können vom Prozessleitrechner QM vorteilhaft zu einer Maximierung von Verfügbarkeit, Ausbeute, Produktivität und Kosteneffizienz der Fertigungsprozesse genutzt werden.The QM process control computer can use these status indicators to maximize availability, yield, productivity and cost efficiency of the manufacturing processes.
Offenbart sind eine Dosiervorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Dosierprozesses mit einer Dosiervorrichtung. Die Dosiervorrichtung hat eine Exzenterschneckenpumpe, die von einem z.B. elektromotorischen Antrieb über einen Drehmomentsensor angetrieben wird. Das Drehmoment wird kontinuierlich oder periodisch erfasst. Daraus werden Rückschlüsse auf den Zustand und/oder auf Veränderungen wie z.B. auf den Verschleiß der Exzenterschneckenpumpe gezogen.A dosing device and a method for controlling a dosing process with a dosing device are disclosed. The dosing device has an eccentric worm pump which is driven, for example, by an electric motor via a torque sensor. The torque is recorded continuously or periodically. From this, conclusions are drawn about the condition and/or changes, such as wear and tear of the progressing cavity pump.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Exzenterschneckenpumpeprogressing cavity pump
- 1010
- Antriebdrive
- 2020
- Statorkoppelgehäusestator coupling housing
- 3030
- Kupplungcoupling
- 4040
- Verbindungsflanschconnecting flange
- 5050
- Förderrotorconveyor rotor
- 6060
- Förderstatorconveyor stator
- 7070
- Statoraufnahmestator mount
- 8080
- Dosiernadelaufnahmedosing needle holder
- 9090
- weiterer Sensor, Fördervolumenstromsensorfurther sensor, delivery volume flow sensor
- 100100
- Dosierguteinlassdosing inlet
- 110110
- Drehmomentsensor torque sensor
- QMQM
- Prozessleitrechnerprocess control computer
- µCµC
- elektronische Dosiersteuerungelectronic dosing control
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- 2021-02-16 DE DE102021103615.1A patent/DE102021103615A1/en active Pending
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EP4043731A1 (en) | 2022-08-17 |
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