DE102021212780A1 - Verfahren zum Betreiben eines Fluidsystems und Fluidsystem - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Fluidsystems (11), das eine über eine Regelungsfunktionalität verfügende Steuereinrichtung (19) und eine von der Steuereinrichtung (19) ansteuerbare Piezoventilanordnung (20) aufweist, läuft das Verfahren mit folgenden Schritten ab:- Bereitstellen eines Soll-Arbeitsdrucks am Arbeitsanschluss (28a, 28b),- Messen des Ist-Arbeitsdrucks am Arbeitsanschluss (28a, b) durch den Drucksensor (43a, 43b), Übermittlung der Messdaten an die Steuereinrichtung (19) und Anwendung des Algorithmus zum Vergleich des Ist-Arbeitsdrucks mit dem Soll-Arbeitsdruck,- Aktivierung des wenigstens einen Integrators (48) zur Aufintegration der Regelabweichung der Ansteuerspannung (= Offsetspannung) nachdem der Ist-Arbeitsdruck über einen bestimmten Zeitraum konstant ist.- Veränderung der Ansteuerspannung in Abhängigkeit von der ermittelten Soll-/Ist-Abweichung unter Berücksichtigung der Integratoroperation,

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fluidsystems und ein Fluidsystem. Das Fluidsystem weist eine über eine Regelungsfunktion verfügende Steuereinrichtung und eine von der Steuereinrichtung ansteuerbare Piezoventilanordnung auf, wobei die Piezoventilanordnung einen mit einer Druckquelle verbundenen Belüftungsanschluss und einen mit einer Drucksenke verbundenen Entlüftungsanschluss aufweist, wobei die Piezoventilanordnung wenigstens ein mit dem Belüftungsanschluss verbundenes als Piezoventil ausgebildetes Belüftungsventil und wenigstens ein mit dem Entlüftungsanschluss verbundenes als Piezoventil ausgebildetes Entlüftungsventil aufweist, wobei das Be- und das Entlüftungsventil jeweils mit wenigstens einem mit einem Arbeitsraum des Fluidverbrauchers verbundenen Arbeitsanschluss verbunden sind, und wobei das Be- und das Entlüftungsventil jeweils wenigstens einen Piezobiegewandler aufweisen, der in einer Schließstellung an einem Ventilsitz des zugeordneten Ventils anliegt und eine Durchgangsöffnung fluiddicht verschließt und der in Abhängigkeit einer angelegten Ansteuerspannung in vom Ventilsitz unterschiedlich weit abgehobene Offenstellungen bewegbar ist.
  • Derartige Fluidsysteme sind seit langem bekannt.
  • Der Einsatz von Piezoventilen in Fluidsystemen hat den Vorteil, dass Piezoventile eine geringe Leistungsaufnahme besitzen, je nach angelegter Spannung ein Proportionalverhalten zeigen, so dass Piezoventile ohne Weiteres als Proportionalventile eingesetzt werden können. Ferner weisen derartige Piezoventile eine hohe Lebensdauer auf, haben kleine Schaltzeiten und verursachen im Wesentlichen keine Schaltgeräusche.
  • Ferner weisen Piezoventile häufig einen weichen Dichtsitz auf, wobei sich der weiche Dichtsitz dadurch auszeichnet, dass die Dichtigkeit leicht gewährleistet werden kann, ohne hohe konstruktiv und fertigungstechnische Anforderungen zu stellen und wobei Dichtigkeit im gesamten Arbeitsbereich (z. B. auch bei Temperaturänderungen) gewährleistet werden kann.
  • Allerdings sind diese vorgenannten Vorteile des Piezoventils bzw. des weichen Dichtsitzes auch mit regelungstechnischen Herausforderungen gekoppelt. So unterliegt ein Piezoventil, insbesondere der dazugehörige Piezobiegewandler einer Alterung, der die Eigenschaft des Piezobiegewandlers signifikant verändert. Ferner reagieren derartige Piezoventile empfindlich auf Temperarturänderungen und sich ändernde Differenzdrücke am Bieger bzw. Biegewandler. Auch der weiche Dichtsitz unterliegt den vorgenannten Effekten.
  • Daraus resultiert das Problem, dass es unter anderem zu einer Drift der Offsetspannung kommen kann, insbesondere ist der Öffnungspunkt des Piezoventils abhängig von den vorgenannten Effekten.
  • Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Piezoventils verschiebt sich der Öffnungspunkt im Laufe eines Lebenszyklus, auch schon nach Lagerhaltung mit kurzen Betriebszeiten stark, dass diese sich auf die Performance der Applikation auswirkt und somit nicht vernachlässigt werden darf.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zum Betreiben eines Fluidsystems und ein Fluidsystem bereitzustellen, das verhindert, dass die vorbeschriebenen negativen Effekte Auswirkungen auf die Performance der zugeordneten Applikation haben.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Fluidsystems mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und durch ein Fluidsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Fluidsystems, das eine über eine Regelungsfunktionalität verfügende Steuereinrichtung und eine von der Steuereinrichtung ansteuerbare Piezoventilanordnung aufweist, wobei die Piezoventilanordnung einen mit einer Druckquelle verbundenen Belüftungsanschluss und einen mit einer Drucksenke verbundenen Entlüftungsanschluss aufweist, wobei der Belüftungsanschluss und der Arbeitsanschluss jeweils mit einem mit der Steuereinrichtung gekoppelten Drucksensor verbunden sind, und wobei die Steuereinrichtung einen Steueralgorithmus mit wenigstens einem implementierten Integrator aufweist, läuft das Verfahren nach folgenden Schritten ab:
    • - Bereitstellen eines Soll-Arbeitsdrucks am Arbeitsanschluss,
    • - Messen des Ist-Arbeitsdrucks am Arbeitsanschluss durch den Drucksensor, Übermittlung der Messdaten an die Steuereinrichtung und Anwendung des Algorithmus zum Vergleich des Ist-Arbeitsdrucks mit dem Soll-Arbeitsdruck,
    • - Aktivierung des wenigstens einen Integrators zur Aufintegration der Regelabweichung der Ansteuerspannung nachdem der Ist-Arbeitsdruck über einen bestimmten Zeitraum konstant ist,
    • - Veränderung der Ansteuerspannung in Abhängigkeit von der ermittelten Soll-/Ist-Abweichung unter Berücksichtigung der Integratoroperation,
  • Dadurch ist es möglich, eine Identifikation und Kompensation der Offsetspannung des Be- und Entlüftungsventils im laufenden Betrieb durchzuführen. Insbesondere kann dadurch die Offsetspannung, die für den Öffnungspunkt des Be- und Entlüftungsventils erforderlich ist, im laufenden Betrieb bestimmt werden. Es ist also möglich, dass die Applikation wir gefordert weiterläuft, währenddessen die Verschiebung der Offsetspannung identifiziert wird. Es wird also kein Stopp der Applikation erforderlich.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass für das Verfahren lediglich Drucksensoren erforderlich sind. Es ist nicht notwendig, den realen Massenstrom zu messen. Ferner sind auch keine Positionssensoren notwendig. Daraus resultiert ein relativ einfacher und kostengünstiger Aufbau des Fluidsystems und Betriebs des Verfahrens.
  • Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die implementierten Integratoren nur unter definierten Zuständen aktiv sind. Das heißt, die Integratoren sind zu- und abschaltbar bzw. aktivierbar und deaktivierbar. Ein solcher definierter Zustand ist das Vorliegen eines konstanten Ist-Arbeitsdrucks über einen bestimmten Zeitraum. Bei applikationsbedingter Änderung des Soll-Arbeitsdrucks auf einen anderen Wert, sind die Integratoren also deaktiviert. Mit dem Algorithmus ist es möglich, dass die Stellgröße so lange auf integriert und am Ausgang der die Regelungsfunktionalität aufweisenden Steuereinrichtung, die auch als Regler bezeichnet werden könnte, aufaddiert wird, bis der Ausgang der Steuereinrichtung null wird. Die bleibende Regelabweichung wird durch die Integratoren also eliminiert so dass der Regelfehler gleich null wird. Ist der Ausgang der Steuereinrichtung null, so wird die gesamte Offsetspannung durch die Integratoren abgebildet.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind im Steueralgorithmus wenigstens zwei unabhängig voneinander aktivierbare Integratoren implementiert, von denen wenigstens einer beim Belüften durch das Belüftungsventil und wenigstens ein anderer beim Entlüften durch das Entlüftungsventil wirksam ist.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird - wie bereits erwähnt - wenigstens ein Integrator des Steueralgorithmus deaktiviert, wenn der Soll-Arbeitsdruck geändert wird oder sich der gemessene Ist-Arbeitsdruck über einen bestimmten Zeitraum ändert.
  • Es ist möglich, dass die Applikation fordert, dass der Druck in einem Arbeitsraum über einen bestimmten Zeitraum konstant bleiben soll. Es besteht dann zwar die Möglichkeit, durch Schließen des Belüftungsventils und Schließen des Entlüftungsventils den Druck im Arbeitsraum „einzusperren“, jedoch könnte der Druck aufgrund von Störgrößen absinken. Um diesem Problem abzuhelfen, werden dann sowohl das Belüftungsventil als auch das Entlüftungsventil aktiv, so dass der Druck dann wieder auf den geforderten konstanten Soll-Arbeitsdruck geregelt wird. Jedoch kann es bei einer derartigen Betriebsweise von Belüftungsventil und Entlüftungsventils zu einem Überströmen von Fluid von der Druckquelle über das Belüftungsventils und von dort zur Drucksenke gekommen, was zu einem Eigenluftverbauch führen würde, was verhindert werden soll.
  • Um diesem Problem abzuhelfen ist es bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der wenigstens eine Integrator des Entlüftungsventils während des Betriebs langsam gegen einen unteren Grenzwert gefahren wird, wobei die Geschwindigkeit niedriger ist als das Aufintegrieren der Regelabweichung der Ansteuerspannung.
  • Ein anderer Ansatz ist, dass der wenigstens eine Integrator des Belüftungsventils oder der wenigstens eine Integrator des Entlüftungsventils aktiviert wird und die Offsetspannung des Biegewandlers des Belüftungsventils oder die Offsetspannung des Biegewandlers des Entlüftungsventils auf integriert werden, während der jeweils andere Biegewandler in einen definierten Zustand versetzt wird. Beispielsweise ist ein definierter Zustand die Schließstellung des Biegewandlers des Entlüftungsventils.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist der Fluidverbraucher zwei getrennt, insbesondere unabhängig voneinander be- oder entlüftbare Arbeitsräume auf, von denen einem ersten Arbeitsraum ein erstes Belüftungsventil und ein erstes Entlüftungsventil mit erstem Arbeitsanschluss und erstem Drucksensor und einem zweiten Arbeitsraum ein zweites Belüftungsventil und ein zweites Entlüftungsventil mit zweitem Arbeitsanschluss und zweitem Drucksensor zugeordnet sind.
  • In besonders bevorzugter Weise handelt es sich bei dem Fluidverbraucher um einen einfach oder doppelt wirkenden Arbeitszylinder. In diesem Fall handelt es sich bei dem Arbeitsräumen um fluidbeaufschlagbare Arbeitskammern handelt. Es sind jedoch auch andere Fluidverbraucher denkbar, beispielsweise einfach oder doppeltwirkende Membranantriebe, fluidische, insbesondere pneumatische Greifer oder eine druckgeregelte Volumeneinheit.
  • Es ist möglich, dass die Steuereinrichtung wenigstens einen Druckregler, beispielsweise zwei voneinander unabhängige Druckregler aufweist.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Fluidsystem zum Betreiben eines Fluidverbrauches, wobei der Fluidverbraucher eine Regelungsfunktionalität aufweisende Steuereinrichtung und eine von der Steuereinrichtung ansteuerbare Piezoventilanordnung aufweist, wobei die Piezoventilanordnung einen mit einer Druckquelle verbundenen Belüftungsanschluss und einen mit einer Drucksenke verbundenen Entlüftungsanschluss aufweist, wobei die Piezoventilanordnung wenigstens ein mit dem Belüftungsanschluss verbundenes als Piezoventil ausgebildetes Belüftungsventil und wenigstens ein mit dem Entlüftungsanschluss verbundenes als Piezoventil ausgebildetes Entlüftungsventil aufweist, wobei das Be- und das Entlüftungsventil jeweils mit wenigstens einem mit einem Arbeitsraum des Fluidverbrauchers verbundenen Arbeitsanschluss verbunden sind, und wobei das Be- und das Entlüftungsventil jeweils wenigstens einen Piezobiegewandler aufweisen, der in einer Schließstellung an einem Ventilsitz des zugeordneten Ventils anliegt und eine Durchgangsöffnung fluiddicht verschließt und der in Abhängigkeit einer angelegten Ansteuerspannung in vom Ventilsitz unterschiedlich weit abgehobenen Offenstellungen bewegbar ist, wobei der Belüftungsanschluss und der Arbeitsanschluss jeweils mit der Steuereinrichtung gekoppelten Drucksensor verbunden sind, und wobei die Steuereinrichtung einen Steueralgorithmus mit wenigstens einen implementierten Integrator aufweist, und wobei die Steuereinrichtung dafür ausgebildet ist, aus einer bereitgestellten Soll-Ansteuerspannung, die einen gewünschten Soll-Arbeitsdruck am Arbeitsanschluss entspricht und aus einer Messung des Ist-Arbeitsdrucks am Arbeitsanschluss durch den Drucksensor einen Vergleich des Ist-Arbeitsdrucks mit dem Soll-Arbeitsdruck durchzuführen, wobei der wenigstens eine Integrator zur Aufintegration des Regelabweichung der Ansteuerspannung aktivierbar ist, nachdem der Ist-Arbeitsdruck über einen bestimmten Zeitraum konstant ist und wobei die Ansteuerspannung in Abhängigkeit von der ermittelten Soll-/Ist-Abweichung unter Berücksichtigung der Integratoroperation veränderbar ist.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Piezoventile jeweils zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Piezobiegewandler bzw. Biegewandler auf.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Fluidsystem vier Piezoventile, die nach Art einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind. Eine derartige Anordnung ist insbesondere zur Ansteuerung und Regelung der Drücke von Fluidverbrauchern mit zwei Arbeitskammern geeignet, wobei mit dieser Ausgestaltung beide Arbeitsanschlüsse und somit beide Arbeitskammern unabhängig voneinander belüftet sowie entlüftet werden können. In diesem Fall sind also der einen Arbeitskammer ein Belüftungs- und ein Entlüftungsventil und der anderen Arbeitskammer ebenfalls ein Belüftungs- und ein Entlüftungsventil zugeordnet.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der dem Belüftungsanschluss zugeordnete Drucksensor zur Bestimmung des Belüftungs- bzw. Versorgungsdrucks als Absolutdrucksensor ausgebildet.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist dem Entlüftungsanschluss ein Drucksensor zu Bestimmung des Entlüftungs- bzw. Abluftdrucks zugeordnet. Auch dies kann ein Absolutdrucksensor sein.
  • Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt zur Verwendung in einer Computereinrichtung umfassend Instruktionen, die bei einer Ausführung in einer Steuereinrichtung eines Fluidsystems das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Fluidsystems, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann,
    • 2 eine schematische Darstellung der Drift der Offsetspannung in einem Schaubild mit dimensionslosen Kennzahlen,
    • 3 eine vergrößerte Darstellung eines Piezoventils des Fluidsystems aus 1,
    • 4- ein Flussdiagramm (Blockschaltbild) des erfindungsgemäßen Verfahrens und
    • 5 ein Flussdiagramm gemäß einem ersten Ansatz zur Minimierung/Eliminierung des Eigenluftverbrauchs.
  • Die 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fluidsystems 11. Das dargestellte Fluidsystem 11 ist rein beispielhaft und besitzt im gezeigten Beispielsfall einen Fluidverbraucher 12 in Form eines doppeltwirkenden Arbeitszylinders. Der rein schematisch dargestellte, doppeltwirkende Arbeitszylinder besitzt ein Zylindergehäuse 13, in dem ein Kolben 14 mittels Fluiddruckbeaufschlagung linear verschieblich gelagert ist. Der Kolben 14 unterteilt einen Innenraum 15 des Zylindergehäuses 13 in einen ersten Arbeitsraum 16 und einen zweiten Arbeitsraum 17. Der Kolben 14 ist mit einer Kolbenstange 18 verbunden, die aus dem Zylindergehäuse 13 herausgeführt ist und an ihrem freien Ende mit einem Abtriebsglied (nicht dargestellt) verbunden werden kann.
  • Das Fluidsystem 11 umfasst ferner eine über eine Regelungsfunktionalität verfügende Steuereinrichtung 19 und eine von der Steuereinrichtung 19 ansteuerbare Piezoventilanordnung 20.
  • Wie ferner in 1 gezeigt, besitzt die Piezoventilanordnung eine mit einer Druckquelle 21 verbundenen Belüftungsanschluss 22 und einen mit einer Drucksenke 23 verbundenen Entlüftungsanschluss 24.
  • Die Piezoventilanordnung 20 umfasst im gezeigten Beispielsfall eine Piezo-Brückenschaltung 25 mit mehreren Piezoventilen. Es ist wenigstens ein im gezeigten Beispielsfall der Brückenschaltung 25 zwei mit dem Belüftungsanschluss 22 verbundene als Piezoventile ausgebildete Belüftungsventile 26a, 26b vorgesehen und wenigstens ein im gezeigten Beispielsfall der Brückenschaltung 25 zwei mit dem Entlüftungsanschluss 24 verbundene als Piezoventile ausgebildete Entlüftungsventile 27a, 27b vorgesehen. Die Be- und Entlüftungsventile 26a, 26b; 27a, 27b sind jeweils mit wenigstens einem mit einem Arbeitsraum 16, 17 des Fluidverbrauchers 12 verbundenen Arbeitsanschluss 28a, 28b verbunden.
  • Im gezeigten Beispielsfall ist ein erstes Ventilpaar aus erstem Belüftungsventil 26a und erstem Entlüftungsventil 27a mit einem ersten Arbeitsanschluss 28a verbunden, der mit dem ersten Arbeitsraum 16 verbunden ist. Dementsprechend ist ein zweites Ventilpaar aus zweitem Belüftungsventil 26b und zweitem Entlüftungsventil 27b über einen zweiten Arbeitsanschluss 28b mit dem zweiten Arbeitsraum 17 des doppeltwirkenden Arbeitszylinders verbunden.
  • Mit dieser Ventilverschaltung ist es möglich, beide Arbeitsräume 16, 17 gleichzeitig zu belüften oder zu entlüften oder einen der Arbeitsräume zu belüften und den anderen zu entlüften.
  • Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines in der Piezo-Brückenschaltung eingesetzten Piezoventils. Das Piezoventil ist im gezeigten Beispielsfall als sogenannte Piezo-Patrone 29 ausgebildet, die ein Patronengehäuse 30 besitzt, das zwei einander entgegengesetzt liegende Gehäuse-Stirnseiten 31a, 31b aufweist. Die erste Gehäuse-Stirnseite 31a ist durch mehrere Kanäle durchsetzt, von denen einer ein Einströmkanal 32a ist, über den von der Druckquelle 21 stammendes Druckfluid in das Innere des Patronengehäuses 30 einströmen kann. Ferner ist die erste Gehäuse-Stirnseite 31a von zwei Arbeitskanälen 32b, 32c durchsetzt, die mit dem ersten oder zweiten Arbeitsanschluss oder alternativ einem Entlüftungsanschluss fluidtechnisch verbunden sind. An der gegenüberliegenden Gehäuse-Stirnseite 31b wird diese von schematisch angedeuteten elektrischen Kontaktmitteln 34 durchsetzt.
  • Das Piezoventil besitzt ferner ein in der Regel zweiteiliges Ventilgehäuse 33, das sich innerhalb des Patronen-Gehäuses 30 befindet. Das Ventilgehäuse begrenzt im Inneren eine längliche Ventilkammer 35, die mit dem Innenraum des Patronen-Gehäuses über Ventilgehäuse-Einströmöffnungen 60 verbunden ist. in der sich eine Längsgestalt aufweisender, streifenförmiger Biegewandler 36 befindet.
  • Wie insbesondere in 3 gezeigt, besitzt der Biegewandler 36 eine längliche Lagerpartie 37, die an zwei lediglich schematisch angedeuteten Lagerabschnitten 38a, 38b des Ventilgehäuses 35 gelagert ist. An der den Lagerabschnitten 38a, 38b gegenüberliegenden Unterseite des Biegewandlers 36 wird die Lagerpartie 37 von einem Federelement 39 in Richtung der Lagerabschnitte 38a, 38b beaufschlagt. Ausgehend von der vorderen Lagerstelle 38a ragt der Biegewandler in Form einer Arbeitspartie 40 zu einem freien Ende hin aus. Am freien Ende des Arbeitsabschnitts 40 befindet sich ein Steuerabschnitt 41, bei dem es sich beispielsweise um ein am Biegewandler 36 fixiertes Pad, beispielsweise aus Gummimaterial handeln kann. Dem Steuerabschnitt 41 am Biegewandler 36 ist eine steuerbare Ventilöffnung 42 zugeordnet, die in einen der bereits vorstehend erwähnten Arbeitskanäle 32b, 32c übergeht. Der betreffende Arbeitskanal 32a, 32b ist - wie erwähnt - dem ersten oder zweiten Arbeitsraum 16, 17 zugeordnet.
  • Zweckmäßigerweise wird als Steuerabschnitt 41 ein aus weichem Material, beispielsweise Gummimaterial bestehendes Pad verwendet. Dieser sogenannte „weiche Dichtsitz“ sorgt dafür, dass die Dichtigkeit beim Anliegen des Steuerabschnitts 41 an der zu steuernden Ventilöffnung 42 leicht gewährleistet werden kann, ohne hohe konstruktive und fertigungstechnische Anforderungen zu stellen. Ferner ist die Dichtigkeit im gesamten Arbeitsbereich, beispielsweise auch bei Temperaturänderungen, gewährleistet, da sich das weiche Pad an Stück weit in den gehäuseseitigen Ventilsitzabschnitt eingräbt und daher eine Temperaturänderung nicht bereits die Gefahr einer Undichtigkeit birgt.
  • Der Biegewandler hat zweckmäßigerweise einen trimorphen Aufbau mit unter Zwischenschaltung einer Innenelektrode längsseits aneinander befestigten länglichen Piezokörpern. Jeder Piezokörper ist an der der Innenelektrode entgegengesetzten Außenseite mit einer Außenelektrode versehen. Über aus dem Ventilgehäuse herausgeführte, nur schematisch angedeutete elektrische Kontaktmittel 34 kann an die Elektroden in ausgewählter Weise eine Ansteuerspannung angelegt werden, die aufgrund des umgekehrten piezoelektrischen Effektes in der Arbeitspartie 40 eine Auslenkkraft hervorruft.
  • Wie insbesondere in 3 gezeigt, besitzt das Piezoventil im gezeigten Beispielsfall zwei Biegewandler 36, die spiegelbildlich zueinander angeordnet sind. Es sind demnach ein zweiter Steuerabschnitt 41b und eine zweite, dem Steuerabschnitt 41b zugeordnete steuerbare Ventilöffnung 42b vorgesehen.
  • Beide Biegewandler des Piezoventils haben eine 2/2-Funktion, d. h. der entsprechende Steuerabschnitt 41a, 41b liegt entweder an der zugeordneten steuerbaren Ventilöffnung 42a, 42b fluiddicht an oder wird bei Anlegen der Ansteuerspannung vom gehäuseseitigen Ventilsitzabschnitt in Abhängigkeit der angelegten Ansteuerspannung mehr oder weniger weit abgehoben.
  • Die beiden Biegewandler 36 eines jeweiligen Piezoventils können unabhängig voneinander angesteuert werden, so dass wahlweise nur eine der beiden steuerbaren Ventilöffnungen 42a, 42b geöffnet wird oder alternativ gleichzeitig beide Ventilöffnungen 42a, b offen oder geschlossen sind. Das Öffnen beider Ventilöffnungen 42a, b sorgt für einen erhöhten Durchfluss und schnelleren Druckaufbau in der zugeordneten Arbeitskammer gegenüber nur einer geöffneten Ventilöffnung, beispielsweise falls der Kolben 14 des doppeltwirkenden Arbeitszylinders schnell von einer Position in eine andere bewegt werden muss.
  • Ein wichtiger Aspekt ist, dass die Biegewandler eine Proportional-Funktion aufweisen, d. h. je nach angelegter Ansteuerspannung wird die zugeordnete Ventilöffnung mehr oder weniger weit geöffnet. Ein wichtiger Effekt hierbei ist, dass es bei derartigen Piezoventilen einer Mindest-Ansteuerspannung bedarf, damit die zugeordnete Ventilöffnung überhaupt geöffnet wird. Diese erforderliche Mindest-Ansteuerspannung definiert auch den Öffnungspunkt des Piezoventils.
  • Dies ist in 2 veranschaulicht, wo als Abszisse eine dimensionslose Kennzahl der Spannung und als Ordinate dimensionslos der Öffnungsgrad des Ventils zwischen 0 und 1 aufgetragen sind.
  • Im Schaubild der 2 sind zwei Kennlinien zu erkennen, von denen die linke Kennlinie die Ideal-Kennlinie 70 des Piezoventils darstellt, also bei einem Zustand in dem die nachfolgend noch näher beschriebenen Einflussfaktoren nicht vorhanden sind.
  • Man erkennt, dass es einer gewissen Mindest-Ansteuerspannung bedarf, damit der Biegewandler überhaupt von der zugeordneten Ventilöffnung abgehoben wird. Erhöht man die angelegte Ansteuerspannung so erhöht sich auch der Öffnungsgrad der Ventilöffnung, d. h. der Biegewandler mit dem Pad hebt sich weiter von der zugeordneten Ventilöffnung ab, bis bei einer bestimmten Ansteuerspannung eine vollständige Öffnung der Ventilöffnung 42a, 42b vorliegt.
  • Die Performance einer Proportionalanwendung hängt in hohem Maße von einer korrekten Identifikation des Öffnungspunktes ab. Ist dieser unbekannt oder verschiebt sich der reale Öffnungspunkt zu einem in der Steuereinrichtung angenommenen Öffnungspunkt, kann es im besseren Fall zu stationären Ungenauigkeiten und im schlechteren Fall zu Instabilitäten der Applikation kommen. In jedem Fall kann die geforderte Performance nicht erreicht bzw. eingehalten werden.
  • Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Piezoventils verschiebt sich der Öffnungspunkt im Laufe eines Lebenszyklus, auch schon nach Lagerhaltung und kurzen Betriebszeiten, so stark, dass diese sich auf die Performance der Applikation auswirkt und somit nicht vernachlässigt werden kann. Die Ursachen liegen unter anderem in der Alterung, Temperaturänderung, dem Differenzdruck am Bieger, den Piezoeffekt sowie den mechanischen Aufbau des 2/2-Ventils.
  • Um dem vorbeschriebenen Problem abzuhelfen, ist das erfindungsgemäße Fluidsystem mit einer eine Regelungsfunktionalität ausgestatteten Steuereinrichtung 19 ausgestattet. Ferner weist das Fluidsystem 11 einen mit dem Arbeitsanschluss 28a, 28b gekoppelten Drucksensor 43a, 43b auf. Im gezeigten Beispielsfall ist dem ersten Arbeitsanschluss 28a ein erster Drucksensor 43a und dem zweiten Arbeitsanschluss ein zweiter Drucksensor 43b zugeordnet. Die Drucksensoren 43a, 43b sind jeweils mit der Steuereinrichtung gekoppelt. Die Drucksensoren 43a, 43b können als Differenzdrucksensoren ausgebildet sein.
  • Die Drucksensoren sind in der Lage den Ist-Arbeitsdruck am zugeordneten Arbeitsanschluss 28a, 28b zu messen und die Werte des gemessenen Ist-Arbeitsdrucks in Form von Steuersignalen an die Steuereinrichtung 19 zu übermitteln.
  • Im gezeigten Beispielsfall ist auch der Druckquelle 21 ein Drucksensor 44 zugeordnet, wenngleich dieser Drucksensor nicht zwingend erforderlich ist. Der der Druckquelle zugeordnete Drucksensor 44 kann als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, auch der Drucksenke 23 einen Drucksensor 45 zuzuordnen, wenngleich auch dieser Drucksensor 45 nicht zwingend erforderlich ist. Auch der Drucksensor der Drucksenke 23 kann als Absolutdrucksensor ausgebildet sein.
  • Die 4 zeigt beispielhaft die Ausgestaltung einer im erfindungsgemäßen Fluidsystem 11 eingesetzten mit einer Regelungsfunktion ausgestatteten Steuereinrichtung 19. Die im gesamten mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnete Steuereinrichtung besitzt einen Vergleicher 46, der in der Lage ist den gemessenen Ist-Arbeitsdruck mit dem Soll-Arbeitsdruck zu vergleichen. Dem Vergleich nachgeschaltet ist ein Regler 47, der bei Abweichung des Ist-Arbeitsdrucks vom Soll-Arbeitsdruck eine gemäß einem Algorithmus ausgeführte Regelungsfunktion ausführt. Der Regler 47 ist zweckmäßigerweise als P-Regler oder PD-Regler ausgeführt. Dem Regler 47 zugeordnet ist wenigstens ein Integrator 48, der die Stellgröße solange auf integriert und am Ausgang des Reglers aufaddiert, bis der Ausgang des Reglers null wird. Es ist hierzu ein weiterer Vergleicher 49 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 19 umfasst ferner noch eine Strecke 50, die eine Signalerzeugung und Ansteuerung der entsprechenden Biegewandler der Piezoventile umfasst.
  • Im laufenden Betrieb des Piezoventils kann es aufgrund der vorstehend beschriebenen Faktoren zu einer Verschiebung der Offsetspannung und damit auch zu einer Verschiebung des Öffnungspunktes des Piezoventils kommen. Eine derartige Drift der Offsetspannung ist in 2 dargestellt. Im Vergleich zu der Idealkennlinie ist hier bei der nach rechts verschobenen Betriebs-Kennlinie 71 deutlich sichtbar, dass eine größere Ansteuerspannung notwendig ist, damit das Piezoventil öffnet.
  • Um diesem vorstehend beschriebenen Problem der Drift der Offsetspannung und damit auch der Drift des Öffnungspunktes der Piezoventile zu begegnen, wird beim erfindungsgemäßen Fluidsystem 11 das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Fluidsystems 11 durchgeführt.
  • Zunächst wird der Soll-Arbeitsdruck am zugeordneten Arbeitsanschluss 28a, 28b bereitgestellt. Es ist also beispielsweise möglich, beide Biegewandler des ersten Belüftungsventils 26a anzusteuern und zu öffnen, so dass der erste Arbeitsraum 16 belüftet wird. Gleichzeitig ist es möglich, beide Biegewandler des zweiten Entlüftungsventils 27b zu bestromen, so dass diese öffnen und der zweite Arbeitsraum entlüftet wird. Dies bewirkt, dass der Kolben nach rechts fährt.
  • Als nächstes wird der Ist-Arbeitsdruck am Arbeitsanschluss gemessen, die Messdaten werden an die Steuereinrichtung 19 übermittelt und unter Anwendung des Algorithmus wird der Ist-Arbeitsdruck mit dem Soll-Arbeitsdruck verglichen.
  • Im konkreten Beispielsfall werden also der Ist-Arbeitsdruck am ersten Arbeitsanschluss 28a durch den ersten Drucksensor 43a und gleichzeitig der Ist-Arbeitsdruck am zweiten Arbeitsanschluss 28b durch den zweiten Drucksensor 43b gemessen. Der Ist-Arbeitsdruck am ersten Arbeitsanschluss 43a und der Ist-Arbeitsdruck am zweiten Anschluss ändern sich zunächst, da sich ja am ersten Arbeitsraum 16 Druck aufbaut während im zweiten Arbeitsraum Druck 17 abgebaut wird. Im Falle, dass der zweite Arbeitsraum 17 nicht vollständig entlüftet wird, kommt es nach einer gewissen Zeitspanne zum Stillstand des Kolbens und dann nach einer gewissen anschließenden Druckaufbau- und Druckabbauphase zu konstantem Drücken im ersten Arbeitsraum 16 und im zweiten Arbeitsraum 17.
  • Nachdem der Ist-Arbeitsdruck über einen bestimmten Zeitraum konstant ist, wird bei Abweichung des Ist-Arbeitsdrucks vom Soll-Arbeitsdruck der wenigstens eine Integrator 48 aktiviert, womit die Regelabweichung der Ansteuerspannung solange auf integriert und am Ausgang des Reglers aufaddiert wird, bis der Ausgang des Reglers null wird.
  • Ist der Ausgang des Reglers 47 null, so wird die gesamte Offsetspannung durch die Integratoren abgebildet. Da davon auszugehen ist, dass die Änderung der Offsetspannung langsam im Vergleich der Zustandsänderung ist, können die Integratoren 48 langsam betrieben werden.
  • Die oben beschriebene Eigenschaft der Strecke 50 (Messwert = Sollwert aufgrund des integrierenden Verhaltens) ist jedoch wie beschrieben nur für stationäre Verhältnisse gültig. Es müssen also sowohl der Soll-Arbeitsdruck als auch der Ist-Arbeitsdruck konstant sein. Folglich dürfen die Integratoren 48 nur aktiv sein, wenn stationäre Soll- und Messgrößen vorliegen. Im dynamischen Fall, sich ändernden Soll- oder Messwerten, sind die Integratoren 48 nicht aktiv.
  • Zusätzlich sind weitere Maßnahmen notwendig, um die korrekte Adaption der Offsetspannung zu gewährleisten.
  • Hierzu ist vorgesehen, dass jedem Belüftungs- und jedem Entlüftungsventil 26a, 26b; 27a, 27b jeweils ein eigener Integrator 48 zugeordnet ist.
  • Ferner muss sichergestellt sein, dass das Aufintegrieren zu keinem Eigenluftverbrauch führt, d. h. es soll verhindert werden, dass es ein Überströmen von dem Belüftungsventil zum Entlüftungsventil stattfindet.
  • Eine solche Situation kann beispielsweise dann eintreten, wenn beide Arbeitsräume 16, 17 jeweils unter einem bestimmten, konstanten Druck gehalten werden sollen. Dann wäre es zwar möglich, die beiden Belüftungsventile zu schließen, jedoch kann es durchaus vorkommen, dass es durch Störgrößen (beispielsweise beschädigter Dichtungen) zu Druckschwankungen kommt, die dann auszugleichen sind, wobei dann sowohl das Belüftungsventil also auch das Entlüftungsventil 27a, b aktiv sind.
  • Die 5 zeigt ein Flussdiagramm der einen ersten Ansatz zur Behebung des vorgenannten Problems abbildet. Gemäß erstem Ansatz werden beide Integratoren, also die Integratoren des Belüftungsventils und des Entlüftungsventils während des Betriebs langsam gegen einen unteren Grenzwert gefahren, wobei die Geschwindigkeit deutlich niedriger ist als das Aufintegrieren der Offsetspannung. Die Integratoren werden also quasi „leer“ gefahren, jedoch langsamer also die Kompensation der Offsetspannung, so dass der Eigenluftverbrauch langsam verringert wird. Gemäß dem Flussdiagramm des ersten Ansatzes werden die Integratoren 48 gemäß dem Verfahrensschritt „langsame Absenkung 55“ während des Betriebs langsam gegen einen unteren Grenzwert gefahren. Bei Vorliegen eines stationären Soll- und Istwerts 56 wird die vorbeschriebene Adaption der Offsetspannung durchgeführt, wobei entweder einer regelfehlerabhängige Anhebung 57 der Ansteuerspannung des Belüftungsventils 26a, 26b oder eine regelfehlerabhängige Anhebung 58 der Ansteuerspannung des Entlüftungsventils 27a, 27b stattfindet.
  • Bei einem zweiten, nicht dargestellten Ansatz zur Verringerung des Eigenluftverbrauchs wird die Offsetspannung eines Biegewandlers eines Piezoventils, also beispielsweise eines der Belüftungsventile 26a, 26b, aufintegriert, während das korrespondierende andere Piezoventil, also beispielsweise das Entlüftungsventil 27a, 27b, in einen definierten Zustand versetzt wird, beispielsweise sich der dazugehörige Biegewandler in der Schließstellung befindet. Dadurch lässt sich die Wirkung der Belüftung einerseits und der Entlüftung andererseits trennen.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Fluidsystems (11), das eine über eine Regelungsfunktionalität verfügende Steuereinrichtung (19) und eine von der Steuereinrichtung (19) ansteuerbare Piezoventilanordnung (20) aufweist, wobei die Piezoventilanordnung (20) einen mit einer Druckquelle (21) verbundenen Belüftungsanschluss (22) und einen mit einer Drucksenke (23) verbundenen Entlüftungsanschluss (24) aufweist, wobei die Piezoventilanordnung (20) wenigstens ein mit dem Belüftungsanschluss (22) verbundenes als Piezoventil ausgebildetes Belüftungsventil (26a, 26b) und wenigstens ein mit dem Entlüftungsanschluss (33) verbundenes als Piezoventil ausgebildetes Entlüftungsventil (27a, 27b) aufweist, wobei das Be- und das Entlüftungsventil (26a, 26b; 27a, 27b) jeweils mit wenigstens einem mit einem Arbeitsraum (16, 17) des Fluidverbrauchers (12) verbundenen Arbeitsanschluss (28a, 28b) verbunden sind, und wobei das Be- und das Entlüftungsventil (26a, b; 27a, b) jeweils wenigstens einen Piezobiegewandler (36) aufweisen, der in einer Schließstellung an einem Ventilsitz des zugeordneten Ventils (26a, 26b; 27a, 27b) anliegt und eine Ventilöffnung (42a, 42b) fluiddicht verschließt und der in Abhängigkeit einer angelegten Ansteuerspannung in vom Ventilsitz unterschiedlich weit abgehobene Offenstellungen bewegbar ist, wobei der Belüftungsanschluss (22) und der Arbeitsanschluss (28a, 28b) jeweils mit einem mit der Steuereinrichtung (19) gekoppelten Drucksensor (43a, 43b) verbunden sind, und wobei die Steuereinrichtung (19) einen Algorithmus mit wenigstens einem implementierten Integrator (48) aufweist, das Verfahren mit folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Soll-Arbeitsdrucks am Arbeitsanschluss (28a, 28b), - Messen des Ist-Arbeitsdrucks am Arbeitsanschluss (28a, 28b) durch den Drucksensor (43a, 43b), Übermittlung der Messdaten an die Steuereinrichtung (19) und Anwendung des Algorithmus zum Vergleich des Ist-Arbeitsdrucks mit dem Soll-Arbeitsdruck, - Aktivierung des wenigstens einen Integrators (48) zur Aufintegration der Regelabweichung der Ansteuerspannung nachdem der Ist-Arbeitsdruck über einen bestimmten Zeitraum konstant ist, - Veränderung der Ansteuerspannung in Abhängigkeit von der ermittelten Soll-/Ist-Abweichung unter Berücksichtigung der Integratoroperation,
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Algorithmus wenigstens zwei unabhängig voneinander aktivierbare Integratoren (48) implementiert sind, von denen wenigstens einer beim Belüften durch das Belüftungsventil (26a, 26b) und wenigstens ein anderer beim Entlüften durch das Entlüftungsventil (27a, 27b) wirksam ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Integrator (48) des Algorithmus deaktiviert wird, wenn der Soll-Arbeitsdruck geändert wird oder sich der gemessene Ist-Arbeitsdruck über einen bestimmten Zeitraum ändert.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Integrator (48) des Belüftungsventils (26a, 26b) und der wenigstens eine Integrator des Entlüftungsventils (27a, 27b) während des Betriebs langsam gegen einen unteren Grenzwert gefahren werden, wobei die Geschwindigkeit niedriger ist als das Aufintegrieren der Regelabweichung der Ansteuerspannung.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Integrator (48) des Belüftungsventils (26a, 26b) oder der wenigstens eine Integrator (48) des Entlüftungsventils (27a, 27b) aktiviert wird und die Offsetspannung des Biegewandlers des Belüftungsventils (26a, 26b) oder die Offsetspannung des Biegewandlers des Entlüftungsventils (27a, 27b) ermittelt werden, während der jeweils andere Biegewandler in einen definierten Zustand versetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidverbraucher zwei getrennt, insbesondere unabhängig voneinander be- oder entlüftbare Arbeitsräume (16, 17) aufweist, von denen einem ersten Arbeitsraum (16) ein erstes Belüftungsventil (26a) und ein erstes Entlüftungsventil (27a) mit erstem Arbeitsanschluss (28a) und erstem Drucksensor (43a) und einem zweiten Arbeitsraum (17) ein zweites Belüftungsventil (26b) und ein zweites Entlüftungsventil (27b) mit zweitem Arbeitsanschluss (28b) und zweitem Drucksensor (43b) zugeordnet sind.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim dem Fluidverbraucher (12) um einen einfach oder doppeltwirkenden Arbeitszylinder, fluidischen, insbesondere pneumatischen Greifer oder eine druckgeregelte Volumeneinheit handelt.
  8. Fluidsystem zum Betreiben eines Fluidverbrauchers (12), mit einer über eine Regelungsfunktionalität verfügende Steuereinrichtung (19) und einer von der Steuereinrichtung (19) ansteuerbaren Piezoventilanordnung (20), wobei die Piezoventilanordnung (20) einen mit einer Druckquelle (21) verbundenen Belüftungsanschluss (22) und einen mit einer Drucksenke (23) verbundenen Entlüftungsanschluss (24) aufweist, wobei die Piezoventilanordnung (20) wenigstens ein mit dem Belüftungsanschluss (22) verbundenes als Piezoventil ausgebildetes Belüftungsventil (26a, 26b) und wenigstens ein mit dem Entlüftungsanschluss (33) verbundenes als Piezoventil ausgebildetes Entlüftungsventil (27a, 27b) aufweist, wobei das Be- und das Entlüftungsventil (26a, 26b; 27a, 27b) jeweils mit wenigstens einem mit einem Arbeitsraum (16, 17) des Fluidverbrauchers (12) verbundenen Arbeitsanschluss (28a, 28b) verbunden sind, und wobei das Be- und das Entlüftungsventil (26a, 26b; 27a, 27b) jeweils wenigstens einen Piezobiegewandler (36) aufweisen, der in einer Schließstellung an einem Ventilsitz des zugeordneten Ventils (26a, 26b; 27a, 27b) anliegt und eine Ventilöffnung (42a, 42b) fluiddicht verschließt und der in Abhängigkeit einer angelegten Ansteuerspannung in vom Ventilsitz unterschiedlich weit abgehobene Offenstellungen bewegbar ist, wobei der Belüftungsanschluss (22) und der Arbeitsanschluss (28a, 28b) jeweils mit einem mit der Steuerrichtung (19) gekoppelten Drucksensor (43a, 43b) verbunden sind, und wobei die Steuereinrichtung (19) einen Algorithmus mit wenigstens einem implementierten Integrator (48) aufweist, und wobei die Steuereinrichtung (19) dafür ausgebildet ist, aus einem bereitgestellten Soll-Arbeitsdruck am Arbeitsanschluss und aus einer Messung des Ist-Arbeitsdrucks am Arbeitsanschluss (28a, 28b) durch den Drucksensor (43a, 43b) einen Vergleich des Ist-Arbeitsdrucks mit dem Soll-Arbeitsdruck durchzuführen, wobei der wenigstens eine Integrator zur Aufintegration der Regelabweichung der Ansteuerspannung aktivierbar ist, nachdem der Ist-Arbeitsdruck über einen bestimmten Zeitraum konstant ist und wobei die Ansteuerspannung in Abhängigkeit von der ermittelten Soll-/Ist-Abweichung unter Berücksichtigung der Integratoroperation veränderbar ist.
  9. Fluidsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
  10. Fluidsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoventile jeweils zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Biegewandler (36) aufweisen.
  11. Fluidsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Belüftungsanschluss (22) zugeordnete Drucksensor (44) zur Bestimmung des Belüftungs- bzw. Versorgungsdrucks als Absolutdrucksensor ausgebildet ist.
  12. Fluidsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Entlüftungsanschluss (24) ein Drucksensor (45) zur Bestimmung des Entlüftungs- bzw. Abluftdrucks zugeordnet ist.
  13. Computerprogrammprodukt zur Verwendung in einer Computereinrichtung umfassend Instruktionen, die bei einer Ausführung in einer Steuereinrichtung (19) eines Fluidsystems (11) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführen.
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