DE2528887A1

DE2528887A1 - System fuer heiz- und steuervorrichtungen

Info

Publication number: DE2528887A1
Application number: DE19752528887
Authority: DE
Inventors: Olive Stewart Cumner
Original assignee: Stein Atkinson Stordy Ltd
Current assignee: Stein Atkinson Stordy Ltd
Priority date: 1974-06-28
Filing date: 1975-06-26
Publication date: 1976-05-20
Also published as: NL7507393A; GB1518502A; BE830654A

Description

EiKENBERG 8c BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

Nr. 28833

2OI/PÄI-I/25IOO STEIN ATKIHSON

ST02DY Limited

Grossbritannien

System für Heia- und Steuervorrichtungen

Die Erfindung betrifft ein System für Steuervorrichtungen zum Erwärmen eines Gegenstandes in einem Strömungsmittel— strom auf eine gegebene Temperatur und zum Konstanthalten des Gegenstandes bei dieser Temperatur, und insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, ein Steuerungssystem für einen Hitzbearbeitungsofen.

Bei den Arten von Hitzbearbeitungsofen, in denen eine Ladung in einen Strom angeheizter Luft eingebracht, auf eine gegebene Temperatur erwärmt, während einer bestimmten Dauer bei dieser Temperatur gehalten und dann abgekühlt wird, ist es im Sinne der Betriebswirtschaftlichkeit erwünscht, einen schnellen Temperaturanstieg der Ladung vom kalten Zustand

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auf die gewünschte Temperatur zu erzielen. Wird jedoch die maximale Hitze angewandt, um vom Kaltzustand auf die gewünschte Temperatur zu kommen, besteht die Gefahr, dass die Temperatur der Ladung über die gewünschte Temperatur hinausgeht, was in den meisten Fällen für die Ladung von Nachteil ist.

Bei den in elektrischen Widerstandsofen verwendeten Verfahren sind

1. Hegelgeräte zum Schalten von einem oder zwei Schaltschützen und

2. Kegelgeräte mit 4 bis 20 mA Ausgangsleistung oder dgl. üblich, die einen Thyristorsatz betreiben.

Fällt bei den zu schaltenden Hegelgeräten die Temperatur unter den Sollwert, wird vom Regelgerät das Schaltschütz eingeschaltet, so dass solange Wärme zugeführt wird, bis die Regelzone die Solltemperatur wieder erreicht.

Dies bringt jedoch den Hachteil mit sich, dass zwangsweise die Temperatur um einen beträchtlichen Betrag hinausschiesst, wenn die Aufheizgeschwindigkeit nicht so klein wie möglich gehalten wird. Unausweichlich führt dies zu einer längeren Aufwärm- oder Anheizzeit ausgehend von einem kalten Start, und dabei wird der Umfang des Gewichts der Ladung beschränkt. Beim Versuch dieses Problem zu lösen, v/erden oft zwei Schütze verwendet, von denen das erste an eine grosse Heizreihe und das zweite an eine kleinere Heizreihe angeschlossen wird, die eine Leistungsfähigkeit hat, die grosser ist als die Standverluete der Zone. Die grosse Heizreihe wird verwendet, wenn

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die Zone beträchtlich unter der Solltemperatur liegt, und abgeschaltet, wenn die Zone bis auf einige wenige Grade den Sollwert erreicht. Daraufhin wird dann die kleinere Heizreihe angeschaltet, wodurch eine Feinregelung geschaffen ist, durch die das Überschiessen so klein wie möglich gehalten wird. Eine derartige Regelung bietet den Vorteil, dass eine einfache Ausrüstung verwendet werden kann, die leicht zu warten ist und zuverlässig arbeitet. Jedoch ist die Regelung oft nicht hinreichend genau.

Durch die Thyristorsteuerung wird die abgegebene Leistung der Heizung als unmittelbare Antwort auf die Steuerausgangsgrösse angepasst. Da der Thyristor in der Lage ist, die Leistung unendlich veränderlich über der zugeführten Wärmeenergie herunterzuschalten, ist es möglich, eine Steuerungsform für gehobene Ansprüche zu verwenden, so dass demzufolge für die Temperatur der Zone eine sehr genaue Kontrolle oder Regelung erzielt wird. Obgleich diese Vorteile bestehen, ist eine derartige Steuerung kostenaufwendig und bedarf zu ihrer 'wartung die Kenntnis des Fachmanns.

Es ist demzufolge Zielsetzung der Erfindung, Zuverlässigkeit, Einfachheit und Leichtigkeit in der Wartung mit einer Steuerung zu kombinieren, die gegenüber dem herkömmlichen Schaltsystem mit zwei Schützen eine grössere Flexibilität und einen grösseren Kontrollbereich aufweist.

Demzufolge wird durch die Erfindung eine Heiz- und Steuervorrichtung geschaffen, die ein erstes, zweites und drittes Heizgerät, wobei das zweite Heizgerät eine gegenüber dem ersten Heizgerät grössere Wärmekapafcität und das dritte Heizgerät

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gegenüber der Summe des ersten und zweiten Heizgerätes grb'ssere Wärmekapazität besitzt, Einstellglieder zum Wählen einer gewünschten Temperatur bzw. eines Temperaturbereichs in einer aufzuheizenden Zone, Steuerung, durch die abhängig von der Differenz zwischen der vorhersehenden Temperatur und der gewählten Temperatur in der Zone ein Steuersignal gebildet v/erden kann, und eine Schützensteuerung aufv/eist, die auf das Steuersignal anspricht, um die drei Heizgeräte in der gewählten Kombination an- und abzuschlaten.

Vorzugsweise leitet die Steuerung zunächst ein kontinuierlich veränderliches Amplitudensignal ab, das zu jedem Zeitpunkt die gewünschte zugeführte Wärmeenergie darstellt. Das Signal wird von einem herkömmlichen im Handel erhältlichen Temperaturregler abgeleitet, der einen Ausgang von k bis 20 mA Gleichstrom (oder in etwa dieser Grössenordnung) aufweist. Dieses Signal wird dann mit einer bekannten Vorrichtung errechnet und stellt ein Mass der Differenz zwischen der gewählten Temperatur (oder Sollwert) und der vorherrschenden Temperatur (oder Istwert) dar, wobei der gewünschte Wert auf dem Gerät eingestellt wird. Dieses Differenzsignal wird errechnet auf einer Dreigliedbasis (Proportionale + Integral + Differentialquotient) oder einer Zweigliedbasis (Proportionale + Integral), um die Regelabweichung zu korrigieren und die Ansprechbarkeit des Gerätes zu verbessern.

Vorzugsweise wird das gewünschte Wärmeeingangssignal einem Vielfachwärmeniveauregler zugeführt, wo es in ein veränderliches Spannungssignal umgewandelt sowie für den-Bereich und zum Nullstellen geregelt wird. Die sich ergebende Spannung kann dann an einen Analog- Digitalwandler gelegt werden, wobei dessen Ausgang zum Steuern des Steuerschützes verwendet wird.

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Die drei Heizgeräte können vorzugsweise sieben niveaus sowie einen Gesamtabschaltzustand im wesentliehen linearem Verhältnis zur gewünschten Singangswärmeenercie auf v/eis en.

Weist vorzugsweise das erste Heizgerät eine Wärmekapazität ¹E¹ auf, so besitzt das zweite Heizgerät eine Kapazität von '2Ξ¹ und das dritte Heizgerät eine Kapazität von ¹A-S¹.

Auch fällt ein System mit mehr als drei Heizgeräten, die nach Wahl geschaltet werden können, unter den Srfindungsgedanken.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf einen Ofen, der in Kombination drei Heizgeräte umfasst und von einer derartigen Steuerung betrieben wird.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Steuerung beschrieben. Ss zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm eines von der erfindungsgemässen Steuerung betriebenen Ofens .ait mehreren Heizgeräten,

Fig. 2 ein Schaltplan einer Steuerung,

Fig. 3 ein Diagramm mit Ein- und Ausgang voin Analog-Digitalwandler der Fig. 2 und

Fig. k eine schematische Darstellung der drei Heizgeräte der Steuerung.

Nach Fig. 1 weist der Hitzbearbeitungsofen 10 eine Isolierwand 11 auf, die die Wärmebehandlungszone 12 umgrenzt. Ein Heizsatz aus drei Heizgeräten 13, 1^zl·, 15 mit den jeweiligen Kapazitäten von 3 KV/, 6KW und 12KW liegt in der Zone mit einer Ladung 16, die den Ofen auf einem Förderband durchquerend wärmebehandelt werden soll. Von dem Ventilator 17 wird Luft durch die Heizgeräte und die Ladung geblasen. Eine Temperaturmessvorrichtung

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18 misst die Temperatur neben der Ladung und liefert über die Leitung 19 an die Steuerung 19A ein diese Temperatur darstellendes Signal. In der Praxis kann es erforderlich sein, dass die Ladung über die Länge des Ofens verschiedene Temperaturen aufweisen soll, so dass der Heizsatz, der Ventilator und die Temperaturmessvorrichtung in Abständen längs des Ofens wiederholt angeordnet sind und jeweils ihre eigene Steuerung besitzen.

Hit den Heizgeräten von 3, 6 und 12 KV/ sind sieben Kombinationen der 'Wärmeeingabe sowie ein eingabeloser Zustand zu erreichen. Die folgende Tabelle zeigt die möglichen Kombinationen.

Heizgerät 15	Heizgerät 1m-	Heizgerät 13	Gesamte zuge führte Wärme energie
O +	O	+ O	= O KW
O +	O	+ 3 KW	= 3 KW
O +	6 KW	+ O	= 6 KW
O +	6 KW	+ 3 KW	= 9 KW
12 KW +	O	+ O	= 12 KW
12 KW +	O	+ 3 KW	= 15 KW
12 KW +	6 KV/	+ O	= 18 KW
12 KW +	6 kv/	+ 3 KW	= 21 KW

Aus dem oben angeführten Beispiel geht hervor, dass die Stufe zwischen den Ladungsniveaus eine Konstante ist, die die kleinste der Wärmeladungen ist, wenn die Leistungsgrössen der Heizgeräte eine Binärfolge sind, wobei jede den doppelten Wert der vorhergehenden hat. Dies ist jedoch

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nicht unerlässlich, solange das zweite Heisgerät eine Leistung besitzt, die grosser ist als die des ersten Heizgeräts und das dritte Heizgerät eine Leistung hat, die grosser ist als die Summe der Leistungen des ersten und zweiten Heizgeräts. Hierdurch wird eine Temperaturbeständigkeit erzielt, die der durch Thyristorsteuerung erreichbaren vergleichbar ist, während dabei der Vorteil der einfachen V/artunr» der Schütze weiterhin gegeben ist.

Da die grösste zu schaltende Ladung nur k/7 der gesamten verfügbaren 3ingan.Tswärrneenagie und die gesamte Singangsenergie von einem Wärmeniveau zum nächsten nur 1/7 des verfügbaren Gesamts ist, liegt der Gesamtleistungsbedarf für eine Anzahl von an einem gerneinsamen Versorgungssystem angeschlossener Ofen konstanter als bei dem Ein/Aus-Schützsystem und der erwartete Höchstbedarf bei Norraaloetrieb bleibt daher minimal. Auch v/erden aus dem gleichen Grunde die Anzahl der Schützschaltvorgänge verringert, wenn einmal die Steuertemperatur erreicht ist, wodurch die Abnützung der Schütze auf ein Mindestmass beschränkt blexbt und die üblichen Wachteile der Schützensteuerung vermieden wird. Dadurch kann eine .Regelabweichung und ein überschiessen bis auf ein Mindestmass herabgedrückt werden, das mit ISinfach- oder sogar Doppelschützsteuerungen nicht erreichbar war.

Nach Fig. 2 wird das Temperatursignal vorn Temperaturdetektor 13 über die Leitung 19 an die Steuerung 20 gelegt, deren Ausgang ein k bis 20 mA -Signal ist, dessen Amplitude der erforderlichen Singangswärmeenergie proportional ist. Der Ausgang der Steuerung wird vorzugsweise über einen optisch

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gekoppelten Isolator zum Operationsverstärker 22 geführt. Die mit dem Verstärker 22 gekoppelten Potentiometer 23 bzw. Zk erlauben eine Nulleinstellung oder die Einstellung des Regelbereichs, so dass Glied- und Signaltoleranzen kompensiert werden, wobei diese beiden Steuervorgänge der einzige Teil der Schaltung sind, der eine Einstellung von Hand erforderlich macht. Ein Hull- bis 12V-Signal vom Operationsverstärker ist dem k bis 20 mA-Eingangssignal annähernd linear proportional und von ihm elektrisch isoliat. Dieses Null- bis 10V-Signal wird an den Analog-Digitalwandler 25 gelegt. Hiernach sind die Signale digitale TTL-Stufen, binäre ¹O¹ "£■ 0 Volt und binäre Ί¹ "Q* +5 Volt.

Es sind nur k Bit (die kennzeichnensten) vom Ausgang des Analog-Digitalwandlers erforderlich. Sie sind als Ausgangsleitungen a, b_, £, dl eingezeichnet. Der Analog-Digitalwandler nach der Zeichnung ist von handelsüblicher Bauart und macht die Verwendung einer externen "Taktgeber" erforderlich, der ein freilaufender Recheckwellenoszillator sein kann (unter Verwendung eines NAND-Schmitt-Gatters 31 ^mit zwei Eingängen) und eine Frequenz von annähernd 100 Hz besitzt. Wenn ein Taktimpuls "hoch" läuft, wird der Analog-Digitalwandler gelöscht und sein Ausgang wird überall Null. Gleichzeitig läuft das "Besetztbit" hoch und friert den Zustand des nachstehend noch zu beschreibenden NAND-Gatters ein. Wenn der Taktimpuls "niedrig" läuft,.berechnet der Analog-Digitalwandler erneut seinen Ausgang gegenüber dem Eingang. Jedoch bleibt das Besetztbit "hoch", bis dieser Wandlüngsvorgang beendet ist, wonach das Besetztbit "niedrig" wird und das NAND-Netz wieder frei wird. Unter den nächsten Vorgang fällt

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das Hinzufügen von künstlicher Hysterese, so dass die Betriebsbeständigkeit der rJinheit gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird von einem Netzwerk aus drei mit zwei Eingängen ausgestatteten MlfD-Gattern und zwei mit drei Eingängen versehenen i-iAW-Gk'FfSSli ausgeführt, die als selbsthaltende,.. Schalter angeschlossen sind, deren Aussäge zwei NOii-Anschlusstreiberstufen speisen. Die mit zwei Eingängen versehenen NAND-Gatter sind bei 26, 27 imd 26 und die drei Eingänge aufweisenden NAND-Gatter sind gekoppelt bei 29 und 30 darstellt.

Die IIOü-Anschlusstreiber sind durch die Bezugsseichen 33 und 3'* gekennzeichnet. Die Ausgänge der Treiber schalten die i-ielais A, B und C ein und aus, durch die eine isolierte Zwischenverbindung mit den Schützen CA, 'JB, CC geschaffen wird, urn die Hezigeräte I3, 1^· bzw. 13 ein-und abzuschalten.

Die Figur ^f zeigt die Heizgerätereihe 13» 1^· und 13? denen jede 3 Heizgeräte umfasst und über die diesbezüglichen Schütze CC, C3, CA an einer Stromquelle 33 liegt. Die Sichtanzeiger 36, 37 und 38 leuchten auf, wenn die zugeordneten Heiais A, 3 und C erregt v/erden.

Die Figur 3 ist eine schematische Darstellung des Eingangszustands von der Steuerung mit den Signalen auf den Leitungen a_, b_, _£ und d. vom Analog-Digitalwandler und des binären Ausgangszustands mit den Relais in den jeweiligen Einstelloder Sückstellzuständen.

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Claims

P A ΐ £ U TA N SPRÜCHE

1 Λ Heiz- und Steuervorrichtung gekennzeichnet durch ein erstes, aweites und drittes Heizgerät, wobei das aweite Heizgerät und das dritte Heizgerät eine Wärmekapazität haben, die grosser ist als die Summe der Wärmekapazitäten des ersten und zweiten Heizgerätes, Einstellglieder zum '.Zählen einer gewünschten Temperatur oder eines Temperaturbereichs in einer aufzuheizenden Zone, eine Steuerung zur Abgabe eines Steuersignals als Funktion der Differenz zwischen der bestehenden Temperatur und der gewählten Temperatur in der Zone und durch eine Schützensteuerung, die auf das Steuersignal anspricht, um die drei Heizgeräte in der gewählten Kombination an- und abzuschalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung zunächst ein kontinuierlich veränderliches Stromamplitudensignal ableitet, das die gewünschte Eingangswärmeenergie zu jedem Zeitpunkt darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal von einem Temperaturregler mit einem Gleichstromausgang von k bis 2OmA abgeleitet wird.

k. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass das Signal im Segler errechnet wird und ein Mass der Differenz der gewählten Temperatur (Sollwert) und der vorherrschenden Temperatur (Istwert) ist, wobei der Sollwert am Regler geregelt wird.

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5. Vorrichtung nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal auf einer dreigliedrigen (Proportionale + Integral + Differentialquotient) oder einer zweigliedrigen (Proportionale ,+ Integral) Basis zur Korrektur der Kegelschwankungen und besseren Ansprechbarkeit errechnet wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis dadurch gekennzeichnet, dass das Solleingangswärmesignal an eine Vielfach-Wärmeniveausteuerung gelegt wird, wo es in ein veränderliches Spannungssignal umgewandelt und im Hinblick auf Umfang und Nullstellung eingeregelt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Spannung an einen Analog-Digitalwandler gelegt wird, dessen Ausgang zur Steuerung der Schützensteuerung verwendet wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Heizgeräte sieben Wärmeeingangsniveaus sowie einen Gesamtabschaltzustand ergeben, die im wesentlichen zur gewünschten Eingangswärmeenergie in linearem Verhältnis stehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch o, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Heizgerät eine Kapazität ¹E¹, das zweite Heizgerät eine Kapazität '2E¹ und das dritte Heizgerät eine Kapazität ¹^E¹ hat.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch mehr als drei selektiv schaltbare Heisgeräte.

11. In einem Ofen zu verwendende Heiz- und Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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