DE10354596A1

DE10354596A1 - Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung

Info

Publication number: DE10354596A1
Application number: DE2003154596
Authority: DE
Inventors: Gunther Fischbach
Original assignee: Mannesmann Plastics Machinery GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung, umfassend eine regelbare Pumpe (12, 12') mit einem ansteuerbaren Pumpenregelventil (13, 13'), einem Mittel zur Ermittlung des Volumenstromes und eine Ventilelektronik (14, 14'), die mit dem Pumpenregelventil (13, 13') zu dessen Ansteuerung sowie mit dem Mittel (16, 16') zur Aufnahme der Sensordaten verbunden ist, wobei die regelbare Pumpe (12, 12') das ansteuerbare Pumpenregelventil (13, 13'), das Mittel sowie die Ventilelektronik (14, 14') zu einer Pumpeneinheit (10, 10') zusammengefasst sind. DOLLAR A Zur Schaffung eines kostengünstigen Systems wird vorgeschlagen, separat zur Pumpeneinheit (10, 10') eine Maschinensteuerung (18) vorzusehen, die als digitaler Druck- und/oder Mengenregler ausgebildet und zur Abgabe eines Stellsignals an die Ventilelektronik (14, 14') sowie zum Empfang von Signalen von der Ventilelektronik (14, 14') mit dieser über ein Bussystem (20) verbunden ist.

Description

In einer Vielzahl von Maschinen werden hydraulische Pumpen als Antriebssystem verwendet. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Pumpenregelanordnung, wie sie insbesondere beim Einsatz in Kunststoff verarbeitenden Maschinen, vorzugsweise Spritzgießmaschinen, verwendet wird.
Spritzgießmaschinen besitzen in der Regel eine sogenannte Plastifiziereinheit und eine Schließeinheit. In der Plastifiziereinheit wird ein Kunststoffausgangsmaterial aufgeschmolzen und anschließend in das in einer Schließeinheit angeordnete Werkzeug, insbesondere in dessen Hohlraum, eingespritzt. Auf der Seite der Plastifiziereinheit sind rotatorische Antriebe und Axialantriebe für die Plastifizierschnecke sowie zumeist ein Verfahrantrieb zum Vor- und Zurückbewegen der gesamten Plastifiziereinheit in Richtung der Schließeinheit notwendig. Auf der Schließseite sind Antriebe zum Betreiben einer beweglichen Platte erforderlich. Bei hydraulisch agierenden Spritzgießmaschinen werden eine Vielzahl dieser Antriebe durch eine oder mehrere Pumpen realisiert, welche zum gewünschten Betrieb der Maschine regelbar ausgebildet sein sollten.
Beispielsweise werden bei Spritzgießmaschinen regelbare Kolbenpumpen verwendet. Ein Pumpenregelventil selbst ist dabei mit einem Regler verbunden, welcher aufgrund bestimmter Daten ein Regelsignal an das Pumpenregelventil abgibt. Beim Einsatz mehrerer Pumpen ist in diesen Fällen auch ein Vorsehen mehrerer, analoger Regelelektroniken notwendig. Zudem gibt es in solchen Arbeitsmaschinen heutzutage auch immer eine Maschinensteuerung, welche die Überwachung des gesamten Betriebs der Maschine übernimmt und mit den entsprechenden Reglern kommuniziert.
Bei der fortwährenden Suche nach Kosteneinsparungen stellt sich bei einer regelbaren Pumpeneinheit die Frage nach einer kostengünstigen Realisierung.
Eine solche kostengünstige Realisierung einer eingangs genannten regelbaren Pumpe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale geboten.
Ein zentraler Gedanke der vorliegenden Erfindung ist dabei die Verwendung einer bereits vorhandenen Maschinensteuerung als digitaler Druck- und/oder Mengenregler. Insbesondere die Funktion der Maschinensteuerung als digitaler Mengenregler ist besonders bevorzugt. Demgegenüber ist als Pumpeneinheit die regelbare Pumpe, das ansteuerbare Pumpenregelventil, ein Mittel zur Bestimmung des Volumenstroms und die Ventilelektronik zusammengefasst. Die Ventilelektronik selbst übernimmt dabei die geeignete Beaufschlagung des Pumpenregelventils und kann zur Bestimmung des Volumenstroms oder zur Verarbeitung eines Sensorsignales ausgebildet sein. Diese Pumpeneinheit ist mit der Maschinensteuerung zumindest mittelbar über ein Bussystem verbunden. Das Bussystem reduziert dabei den Verdrahtungsaufwand und eröffnet die Möglichkeit, mehrere Pumpeneinheiten mittels eines Bussystems anzusteuern und anzusprechen.
Der von der beispielsweise als Kolbenpumpe ausgebildeten, regelbaren Pumpe geförderte Volumenstrom innerhalb der Pumpe wird bestimmt. Dies kann beispielsweise aufgrund einer Berechnung über das Steuersignal für das Pumpenregelventil oder einen separaten Sensor zum Erfassen des Volumenstroms geschehen.
Aufgrund der vorliegenden Konstruktion mit der Maschinensteuerung als digitaler Druck- und/oder Mengenregler wird die Kosteneinsparung umso größer, je mehr Pumpeneinheiten verwendet werden müssen. Insgesamt lässt sich damit gegenüber einer herkömmlichen Anordnung mit Reglern für jede Pumpe eine entsprechende Anzahl von Reglern einsparen.
Um die Datenkommunikation über das Bussystem auf ein Mindestmaß zu beschränken und den Regelalgorithmus reaktionsschnell ausgestalten zu können, kann die Ventilelektronik zusammen mit dem Pumpenregelventil und einem Lagegeber für den Kolben selbst als analoger Regelkreis innerhalb der Pumpeneinheit ausgebildet sein.
Die Ventilelektronik dient dann zur Lageregelung des Ventilkolbens und evtl. zur Signalaufbereitung des vom Volumenstromsensor kommenden Signals. Dabei ist es gemäß einer alternativen Ausführungsform möglich, eine Schnittstelle für das Bussystem an jeder Pumpeneinheit selbst vorzusehen.
Allerdings sind dann bei jeder Pumpe solche Schnittstellen notwendig, was wiederum zu einer gewissen Kostensteigerung führt. Alternativ kann ein einziger Analog-Digital-Wandler als Schnittstelle zwischen dem Bussystem und den einzelnen Pumpeneinheiten vorgesehen werden. In diesem Fall muss der Analog-Digital-Wandler für jede Pumpeneinheit einen separaten Kanal aufweisen. Bei der zweiten Alternative kann die Verbindung zwischen dem Analog-Digital-Wandler und den einzelnen Pumpeneinheiten als analoge Verbindung ausgebildet sein und der Analog-Digital-Wandler ASICS(-) oder FPGA-Bausteine enthalten. Solche Bausteine sind bekannt, so dass nicht näher darauf eingegangen werden muss.
Bei der Wahl der ersten Alternative und der Verwendung der Schnittstellen in den einzelnen Pumpeneinheiten kann die Ventilelektronik zweiteilig aufgebaut sein und zwar mit einem ersten Teil, in dem zumindest die analoge Lageregelung des Ventilkolbens und ein Ventilverstärker angeordnet ist, und einem zweiten Teil, in dem der A/D-Wandler eine Speichereinheit und die physikalische Schicht für die Busanbindung enthalten ist.
In der Speichereinheit können bei dieser Ausführungsform insbesondere systemeigene Informationen wie Hersteller, Seriennummer, Typ, Kalibrierung etc. der Pumpe bzw. der Pumpeneinheit abgespeichert sein. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Realisierung mittels FPGAS und ASICS erfolgen. Als Bussysteme sind synchrone Feldbussysteme und parallele Bussysteme bevorzugt. Natürlich können auch andere Bussysteme verwendet werden. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beiden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine erste Ausführungsform einer dezentralen, digitalen Pumpenregelanordnung in einem schematischen Schaltbild gemäß der Erfindung und
2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, dezentralen, digitalen Pumpenregelanordnung anhand eines weiteren schematischen Schaltbildes.
In 1 sind zwei Pumpeneinheiten 10 und 10' in Form eines Kästchens dargestellt, welche jeweils eine regelbare Kolbenpumpe 12 und 12', einen Schwenkwinkelgeber (Volumenstromsensor) 16 und 16', ein Pumpenregelventil 13 und 13' sowie eine Ventilelektronik 14 und 14' beinhalten. Nicht näher dargestellt ist ein Lagegeber für jedes Pumpenregelventil eines jeweiligen Kolbens. Bei den regelbaren Kolbenpumpen 12, 12', den Schwenkwinkelgebern (Volumenstromsensoren) 16, 16' und den Pumpenregelventilen 13 und 13' handelt es sich um handelsübliche Bauteile.
Die Ventilelektroniken 14 und 14' sind gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zweiteilig aufgebaut mit einem ersten Teil, der eine analoge Lageregelung des Ventilkolbens und einen Ventilverstärker umfasst, sowie einem zweiten Teil, der einen A/D-Wandler, einen Speichereinheit und eine physikalische Schicht für die Busanbindung umfasst. Die physikalische Schicht für die Busanbindung ist jeweils mit einem seriellen synchronen Feld-Bus 20 verbunden. Zudem sind die Ventilelektroniken 14 und 14' mit einer Spannungsversorgung 22 verbunden. Die Ventilelektroniken 14 und 14' bilden zusammen mit den Pumpenregelventilen 13 und 13' sowie den nicht dargestellten Lagegebern der Ventile 13 und 13' jeweils einen analogen Regelkreis und stellen eine reaktionsschnelle Ansteuerung der regelbaren Pumpe 12 und 12' sicher.
Über die Ventilelektroniken 14 und 14' kommunizieren die Pumpeneinheiten 10 und 10' via dem seriellen Feld-Bus 20 mit einer separaten, dezentral angeordneten Maschinensteuerung 18, die zum Betrieb der gesamten Maschine vorgesehen ist. Die Maschinensteuerung ist vorliegend als digitaler Druck- und Mengenregler ausgebildet und erhält über den seriellen Feld-Bus 20 von den Ventilelektroniken 14 und 14' Signalinformationen der Volumenstromsensoren 16 und 16'. Aufgrund der gewünschten Betriebsweise wird unter Berücksichtigung des Signals des Volumenstromsensors ein Stellsignal in der Maschinensteuerung erzeugt und an die jeweilige Ventilelektronik 14 bzw. 14' abgegeben, die aufgrund dieses Stellsignals wiederum die jeweilige Pumpeneinheit 10 bzw. 10' regelt.
Zusätzlich ist vorliegend ausgangsseitig der Pumpeneinheit 10 ein Druckaufnehmer 24 angeordnet, dessen Signal ebenfalls in die dezentrale Maschinensteuerung 18 über die Leitung 26 eingespeist wird. Diese Information dient als zusätzliche Regelinformation, mit der eine präzise Druckregelung der Pumpeneinheit 10 erreicht werden kann.
Die Ventilelektroniken 14 und 14' sind mit sogenannten FPGA'S (Field Programmable Gate Arrays) aufgebaut und weisen einen Speicher für systemeigene Informationen auf. In diesem Speicher sind neben der Seriennummer auch die Kalibrierung und der Typ der Pumpe abgelegt. Damit kann die Maschinensteuerung 18 die angeschlossene Pumpeneinheit automatisch erkennen und die Regelung auf diese Pumpeneinheit auslegen.
Bei der Ausführungsform in 1 müssen jedoch für jede Ventilelektronik 14 bzw. 14' Analog-Digital-Wandler und physikalische Schnittstellen vorgesehen werden.
Eine Ausführungsform, welche hier eine Einsparung ermöglicht, ist in 2 dargestellt. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer dezentralen, digitalen Pumpenregelanordnung, wobei die Bezugsziffern 10 und 110, 12 und 112, 14 und 114 etc. sich entsprechen.
Damit unterscheidet sich die Ausführungsform gemäß 2 von der gemäß 1 im Kommunikationsteil von der Maschinensteuerung 118 zu den Ventilelektroniken 14 bzw. 14'. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist nämlich ein separater Controller 130 als Zwei-Kanal-Analog-Digital-Wandler vorgesehen, der mit der Maschinensteuerung 118 über nunmehr einen parallelen Bus 120 kommuniziert. Der Controller 130 besitzt zwei Ausgangskanäle, die jeweils mit einer Pumpeneinheit 110, 110' insbesondere mit den Ventilelektroniken 114 und 114' verbunden sind. Diese Verbindung ist als analoge Datenverbindung über eine Analogleitung 132 bzw. 132' ausgebildet. Der Aufbau der Ausführungsform gemäß 2 ermöglicht dadurch bei einer Vielzahl von Pumpeneinheiten die Einsparung verschiedener Analog-Digital-Wandler in den Ventilelektroniken selbst. Diese Einheit kann nunmehr in einem separaten Controller untergebracht werden, der wiederum mit der weiterhin als digitaler Regler ausgebildeten Maschinensteuerung über ein Bussystem zusammenwirkt.
Insgesamt bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass die an sich bereits vorhandene Maschinensteuerung als digitaler Druck- und – gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform – Mengenregler ausgebildet und auf separate Regler für jede Pumpe verzichtet werden kann. Zudem können die Pumpeneinheiten kostengünstig bezogen und in dem System zusammengefügt werden.

10, 10': Pumpeneinheit
12, 12': Kolbenpumpe
13, 13': Pumpenregelventil
14, 14': Ventilelektronik
16, 16': Schwenkwinkelgeber
18: (dezentrale) Maschinensteuerung
20: Serieller synchroner Feldbus
22: Spannungsversorgung
24: Druckaufnehmer
26: Signalleitung vom Druckaufnehmer
110, 110': Pumpeneinheit
112, 112': Kolbenpumpe
113, 113': Pumpenregelventil
114, 114': Analoge Ventilelektronik
116, 116': Schwenkwinkelgeber
118: (dezentrale) Maschinensteuerung
120: Paralleler Feldbus
122: Spannungsversorgung
124: Druckaufnehmer
126: Signalleitung vom Druckaufnehmer
130: 2-Kanal Analog/Digitalwandler
132, 132': Analogleitung

Claims

Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung umfassend – eine regelbare Pumpe (12, 12', 112, 112') mit einem ansteuerbaren Pumpenregelventil (13, 13', 113, 113'), – ein Mittel (16, 16', 116, 116') zur Bestimmung des Volumenstromes und – eine Ventilelektronik (14, 14', 114, 114'), die mit dem Pumpenregelventil (13, 13', 113, 113') zu dessen Ansteuerung sowie mit dem Mittel (16, 16', 116, 116') zur Aufnahme der Daten verbunden ist, – wobei die regelbare Pumpe (12, 12', 112, 112'), das ansteuerbare Pumpenregelventil (13, 13', 113, 113'), das Mittel (16, 16', 116, 116') und die Ventilelektronik (14, 14', 114, 114') zu einer Pumpeneinheit (10, 10', 110, 110') zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass separat zur Pumpeneinheit (10, 10', 110, 110') eine Maschinensteuerung (18, 118) vorgesehen ist, die als digitaler Druck- und/oder Mengenregler ausgebildet und zur Abgabe eines Stellsignals an die Ventilelektronik (14, 14', 114, 114') sowie zum Empfang von Signalen von der Ventilelektronik (14, 14', 114, 114') mit dieser zumindest mittelbar über ein Bussystem (20, 120) verbunden ist.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (16, 16', 116, 116') ein Sensor, insbesondere ein Schwenkwinkelsensor, ist.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die regelbare Pumpe als Kolbenpumpe (12, 12', 112, 112') ausgebildet ist.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pumpeneinheiten (10, 10', 110, 110') mit der dezentralen Maschinensteuerung (18) über das Bussystem (20, 120) verbunden sind.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilelektronik (14, 14', 114, 114') zur Lageregelung des Ventilkolbens des Pumpenregelventils (13, 13', 113, 113') und/oder zur Signalaufbereitung des Volumenstromsensors (16, 16', 116, 116') ausgebildet ist.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Stetigventil mit einem Lagegeber für den Kolben ausgebildet ist.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilelektronik (14, 14', 114, 114'), das Pumpenregelventil (13, 13', 113, 113') und der Lagegeber als analoger Regelkreis ausgebildet sind.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bussystem ein synchroner Feldbus (20) verwendet ist.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilelektronik (14, 14') in zwei Teile aufgeteilt ist, von denen ein erster Teil zumindest die analoge Lageregelung des Ventilkolbens und einen Ventilverstärker, vorzugsweise in Analogtechnik, umfasst, und der zweite Teil eine A/D-Wandlung, eine Speichereinheit und eine physikalische Schicht für die Busanbindung umfasst.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung vorhergehenden Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speichereinheit systemeigene Informationen, wie Hersteller, Seriennummer, Typ und Kalibrierung der Pumpe, abgespeichert sind.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil mittels eines Field Programmable Gates Arrays (FPGA) oder eines ASICS aufgebaut ist.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Bussystem ein paralleles Bussystem (120) verwendet ist.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass pumpenseitig des Bussystems (120) ein separat zu der Pumpeneinheit oder den Pumpeneinheiten (110, 110') angeordneter Analog-Digital-Wandler (130) mit einer zumindest der Anzahl der Pumpeneinheiten (110, 110') entsprechenden Anzahl von Kanälen angeordnet ist und dass der Analog-Digital-Wandler (130) über jeweils einen Kanalausgang und mindestens eine Analogleitung (132, 132') mit einer Pumpeneinheit (110, 110') verbunden ist.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digital-Wandler (130) zumindest einen ASIC oder FPGA enthält.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckaufnehmer (24, 124) vorgesehen ist, der einen Hydraulikdruck abtriebsseitig der Pumpe erfasst und mit der Maschinensteuerung (18) verbunden ist.
Dezentrale, digitale Pumpenregelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufnehmer (24, 124) außerhalb der Pumpeneinheit (10, 10') angeordnet ist.