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Die Erfindung betrifft einen Aktuator und ein Aktuatorsystem für eine Quer- und/oder Längsprofilverstellung in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, wie insbesondere einer Papier-, Tissue- oder Kartonbahn.
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Aktuatoren oder Aktuatorsysteme sind Bestandteil von Steuerungs- und/oder Regelungssystemen in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn wie z. B. einer Papiermaschine.
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Derartige Systeme weisen mehrere jeweils wenigstens einem Stellglied zugeordnete Aktuatoren auf, die zur Beeinflussung bestimmter Eigenschaften der herzustellenden Faserstoffbahn dienen.
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In der modernen industriellen Herstellung von Papier werden in einer Reihe angeordnete Aktuatoren über die Maschinenbreite eingesetzt, um die verschiedenen Eigenschaften der Faserstoffbahn, wie deren Dicke, Feuchtigkeit, usw. anzupassen. Mittels der Aktuatoren werden die Eigenschaften über die Länge der Bahn in Maschinenrichtung (MD) und auch über die Breite der Bahn in der Querrichtung (CD) gesteuert oder geregelt.
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Die Messung der Eigenschaften erfolgt mittels verschiedener Sensoren oder Scanner, die entlang der Bahn positioniert sind. Die Daten werden anschließend in der Steuerung zu einem Profil zusammengefügt, wobei die Steuerung die gesammelten Daten verarbeitet und daraus Steuerinformationen generiert (Kontrollmaßnahmen, Sollwerte, Status-Positionen). Diese Steuerinformationen werden zurück an die entsprechenden Aktoren geführt, um die Eigenschaften unter ihrem Einfluss zu einem gewünschten Ziel anzupassen.
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Steuerungs- und/oder Regelungssysteme arbeiten in der Regel mit herkömmlicher Busstruktur, also mit einem Master und einer Vielzahl von Slaves.
EP 0 401 188 A1 offenbart ein derartiges System mit Aktuatoren für ein Querprofilstellglied. Charakteristisch für eine solche, in vielen Bereichen der industriellen Steuerung seit Langem übliche, Busstruktur ist, dass alle Bus-Teilnehmer gleichzeitig die Befehle des Masters empfangen. Normalerweise reagiert aber nur der die richtige Adresse aufweisende und damit angesprochene Slave und antwortet anschließend dem Master.
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Aus der
EP 0 922 140 A1 ist beispielsweise ein Steuerungs- und/oder Regelungssystem mit intelligenten Aktuatoren bekannt. Die Aktuatoren sind mit eigenen Prozessoren versehene Teilnehmer einer dezentralen Kommunikations-/Hardware-Struktur ohne Master, die über einen geschlossenen Pipelinering miteinander gekoppelt sind. Jeder Teilnehmer ist nur mit den jeweils unmittelbar benachbarten Teilnehmern verbunden und/oder über ein lokales LAN-Netz (LAN = Local area network) miteinander gekoppelt, welches einen Peer-To-Peer-Aufbau besitzt, bei dem alle Teilnehmer gleichberechtigt sind. Datenpakete können von jedem Teilnehmer zu jedem beliebigen Zeitpunkt ausgesendet und empfangen werden.
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Für die Querprofilregelung werden typischerweise mehr als 100 Aktuatoren benötigt, die über ein Steuerungs- oder Regelungssystem angesteuert bzw. verstellt werden. Die Aktuatoren sind dabei üblicherweise Stellantriebe, wie z. B. Linearantriebe, Drehantriebe, das heißt, sie verändern die Position von Ventilelementen, Andrückleisten oder Ähnliches.
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Je nach dem, in welchem Maschinenbereich die Aktuatoren zum Einsatz kommen, sind sie erheblichen Umweltbelastungen wie Feuchtigkeit, Hitze oder Schmutz ausgesetzt. Entsprechend groß ist der Aufwand die Aktuatoren an eine Stromversorgung und/oder Steuerleitungen und/oder eine Datenverbindung anzuschließen. Zudem kann die Zugänglichkeit sehr eingeschränkt sein.
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Beispielsweise werden aufgrund der korrosiven Umgebungsbedingungen an Papiermaschinen Edelstahl-Kabelverschraubungen und Edelstahl-Abdeckungen benötigt, um die teuren und widerstandsfähigen Kabel sicher anzuschließen und zu schützen. Des Weiteren ist unter den genannten Umgebungsbedingungen der Service schwierig, da vor Ort bei einem Tausch des Aktuators elektrische Verbindungen zu ändern sind, sodass Schmutz, während die Verbindung gelöst ist, in die Verbindung eindringen kann.
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Aus der
US 7,147,164 B1 ist ein Aktuator bekannt, der eine kabellose Datenübertragungseinheit umfasst. Die Datenübertragungseinheit wird mittels einer Energieversorgungseinheit mit elektrischer Energie versorgt, die kabelgebunden ist oder aus einer Brennstoffzelle besteht. Damit ist aber das Risiko, dass Schmutz oder Feuchtigkeit die elektrische Funktion beeinträchtigt noch nicht vollständig eliminiert.
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Eine der Aufgaben der Erfindung ist es einen Aktuator und ein Aktuatorsystem vorzuschlagen, der/das die zuvor genannten Nachteile nicht aufweist.
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Die Aufgabe wird mittels einem Aktuator mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie dem Aktuatorsystem nach Anspruch 14 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Aktuator vorgeschlagen, der für die Querprofilverstellung in einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn geeignet ist, wobei dieser eine Energieversorgungseinheit umfasst, mittels der der Aktuator drahtlos mit Energie versorgt werden kann.
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Weiterhin umfasst der Aktuator ein Stellmittel, zum Verstellen von zumindest einem Stellglied, ein Transceiver, zum kabellosen Senden und Empfangen von Steuer- und/oder Regelinformationen an und von einer Steuereinrichtung und/oder einem weiteren Aktuator, und ein Steuerungsmodul, zum Verarbeiten der empfangenen Informationen und zum Ausgeben eines Steuersignals an das Stellmittel.
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Mittels der Energieversorgungseinheit werden erfindungsgemäß alle Energieverbraucher, also das Stellmittel, der Transceiver und das Steuerungsmodul des Aktuators mit Energie versorgt. Dadurch können erstmals alle Kabelverbindungen entfallen.
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Des Weiteren kann der Aktuator ein Speichermodul zum Speichern der Informationen umfassen und der Transceiver kann ein W-LAN-Modul sein.
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Alternativ zur W-LAN-Übertragung kann der Transceiver Daten auch über elektromagnetische Strahlung, induktive oder kapazitive Kopplung oder Schallwellen übertragen.
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Durch die vollständig elektrisch berührungslose Energieversorgung und Steuerung der Aktuatoren, können die Aktuatoren hermetisch dicht ausgeführt werden. Auch im Servicefall, beim Austausch eines Aktuators besteht nun kein Risiko mehr, dass Schmutz oder Wasser in diesen eindringt oder eine elektrische Funktion beeinträchtigt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Energieversorgungseinheit eine Energieeinspeisevorrichtung zugeordnet. Vorzugsweise wird die Energie zwischen diesen über magnetische Wechselfelder oder elektromagnetische Wellen übertragen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Energieversorgungseinheit und die Energieeinspeisevorrichtung mit einem Abstand von kleiner 10 cm, vorzugsweise kleiner 1 cm zueinander positioniert sind. Das Stellmittel kann als Linearantrieb oder Drehantrieb ausgeführt sein.
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Weiterhin wird ein Aktuatorsystem mit mindestens zwei entsprechenden Aktuatoren vorgeschlagen, wobei das Aktuatorsystem zur Quer- und/oder Längsprofilregelung bestimmter Eigenschaften der Faserstoffbahn vorgesehen ist.
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Dabei können die Steuereinrichtung und die Steuerungsmodule der Aktuatoren in der Art miteinander gekoppelt sein, sodass ein Peer-To-Peer Aufbau entsteht, also ein Netz in dem alle Computer gleichberechtigt sind. Es können Dienste in Anspruch genommen als auch zur Verfügung gestellt werden.
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In einer weiteren Ausführung können mehrere Aktuatoren zu Gruppen zusammengeschaltet sein, die jeweils über eine separate Energieeinspeisevorrichtung versorgt werden.
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Zur Identifizierung der einzelnen Aktuatoren ist es notwendig, diese mit einer eindeutigen Kennung zu versehen. Dies kann auf unterschiedliche Arten geschehen. So kann jeder Aktuator im Aktuatorsystem dadurch eine Kennung erhalt, dass die Steuereinrichtung den Aktuatoren eindeutige Nummern zuweist. Alternativ wird einem Aktuator an einer bestimmten Position eine bestimmte Kennung zugewiesen, sodass die Position eines Aktuators im Aktuatorsystem eindeutig identifizierbar ist.
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Zur weiteren Verbesserung des Regelergebnisses können benachbarte Aktuatoren ihre Stellposition gegenseitig abgleichen, sodass es zu einer Vergleichmäßigung des Querprofils kommt.
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Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Aktuators oder Aktuatorsystems und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.
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In diesen zeigen:
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1 das Blockschaltbild eines Akuators
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2 das Blockschaltbild eines Aktuatorsystem mit Energieversorgung
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1 zeigt das Blockschaltbild eines Aktuators 1 gemäß der Erfindung. Alle Komponenten innerhalb des Aktuators 1 sind gegenüber der Umwelt in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse 10, zum Schutz gegen Schmutz Feuchtigkeit, Wärme sowie ätzende Chemikalien und Lösungsmittel, umschlossen. Im Gehäuse 10 befinden sich zumindest ein Transceiver 4, eine Steuereinrichtung 6, eine Energieversorgungseinheit 8 und ein Stellmittel 2, durch welches ein Stellglied 3 außerhalb des Aktuator 1 verstellt werden kann.
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Die Steuereinrichtung 6 kann um ein Speichermodul 7 erweitert werden, in dem unter anderem der Regelalgorithmus hinterlegt bzw. gespeichert ist. Der Transceiver 4 ist eine drahtlose Funk-Datenübertragungseinrichtung zum Senden und Empfangen von Steuersignalen sowie funktionellen Informationen. So können Steuer- und/oder Regelinformationen an und von der Steuereinrichtung 6 und/oder einem weiteren Aktuator 1 gesendet und empfangen werden, sodass eine Kommunikation mit allen anderen intelligenten drahtlosen Aktuatoren 1, die zusammen ein Aktor-Netzwerk bilden, aufgebaut werden kann.
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Alle Aktuatoren in dem Aktor-Netzwerk sind, durch eine Adresszuweisung bzw. durch die Hinterlegung einer einzigartigen Kennung, eindeutig identifizierbar. Auf der Grundlage der empfangenen Steuerdaten sowie der funktionellen Information kann so jeder Aktuator im Netzwerk eindeutig angesteuert und entsprechend dem, im Speicher hinterlegten, Regelalgorithmus geregelt werden.
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In der Steuereinrichtung 6 werden die empfangenen Steuerdaten sowie funktionelle Information zu einem Steuersignal verarbeitet und dieses an eine elektrische oder mechanische Vorrichtung, dem Stellglied 2, weitergeleitet.
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Zur Energieversorgung des Aktuators 1 ist eine drahtlose Energieübertragung vorgesehen, mittels der Energie von der Energieeinspeisevorrichtung 12 auf die Energieversorgungseinheit 8 übertragen wird.
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Hierbei kann es sich um verschiedenste Energieformen handeln, z. B. um kinetische-, oder elektrische Energie. Im Allgemeinen versteht man unter einer kabellosen Energieversorgung, einem elektrischen Gerät die zum Betrieb notwendige elektrische Energie ohne elektrischen Kontakt oder Kabel zu zuführen. Vorteile sind unter anderem eine höhere Mobilität, keine elektrischen Kontaktprobleme und dadurch wird ein wasserdichter Aufbau der Komponenten ermöglicht.
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2 zeigt das Blockschaltbild eines Aktuatorsystem mit dem Energieeinspeisesystem. Die Aktuatoren 1 mit den zugeordneten Stellgliedern 3 sind in Gruppen zusammengefasst, die gemeinsam über die Stromversorgung 14, 11 und die Energieeinspeisevorrichtungen 12 mit Energie versorgt werden. Die Anzahl der in einem Aktuatorsystem zusammengefassten Gruppen ist dabei an die verschiedenen Bedingungen in der Maschine angepasst werden.
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Die Steuereinheit 7 ist über ein Netzwerkanschluss 13 mit der Maschinensteuerung verbunden und wird ebenfalls von der Stromversorgung mit Energie versorgt.
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Zur drahtlosen Energieversorgung der Energieversorgungseinheit 8 ist eine Energieeinspeisevorrichtung 12 vorgesehen, die Energie mittels einem magnetischen Wechselfeld oder elektromagnetischen Wellen überträgt.
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Damit dies einwandfrei und ohne große Verluste klappt, ist ein möglichst geringer Anstand zwischen den Aktuatoren 1 und der Energieeinspeisevorrichtung einzuhalten. Ideal sind Abstände zwischen Energieversorgungseinheit 8 und die Energieeinspeisevorrichtung 12 von kleiner 10 cm, vorzugsweise kleiner 1 cm.
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Das Stellmittel 2 kann als Linearantrieb oder als Drehantrieb ausgeführt sein, mit dem das Stellglied 3 verstellbar ist. Dabei ragt nur ein Teil des Stellmittels 2 aus dem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 10. Dies kann z. B. ein Stößel sei, der durch einen abgedichteten Durchgang in der Gehäusewand hindurchragt und das Stellglied 3 einstellt.
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Das Aktuatorsystem kann zur Quer- und/oder Längsprofilregelung bestimmter Eigenschaften der Faserstoffbahn an verschiedenen Stellen in der Maschine vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 2
- Stellmittel
- 3
- Stellglied
- 4
- Transceiver
- 5
- Speichermodul
- 6
- Steuereinrichtung
- 7
- Steuerungsmodul
- 8
- Energieversorgungseinheit
- 10
- Gehäuse
- 11
- Stromversorgung
- 12
- Energieeinspeisevorrichtung
- 13
- Netzwerkzugang
- 14
- Stromzuführung
- 15
- Aktuatorgruppe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0401188 A1 [0006]
- EP 0922140 A1 [0007]
- US 7147164 B1 [0011]
