DE2622825A1

DE2622825A1 - Schaltungsanordnung zur regelung der heizleistung einer kontinuierlich arbeitenden erwaermungsanlage

Info

Publication number: DE2622825A1
Application number: DE19762622825
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Klocker; Wilhelm Dipl Ing Mosch; Adolf Stahl; Hermann Dipl Ing Waldmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-05-21
Filing date: 1976-05-21
Publication date: 1977-12-01
Also published as: JPS52143536A; JPS6026272B2

Description

Schaltungsanordnung zur Regelung der Heizleistung einer
kontinuierlich arbeitenden Erwärmungsanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Heizleistung einer kontinuierlich arbeitenden Erwärmungsanlage, insbesondere zur Regelung der elektrischen Heizleistung einer induktiven Drahterwärmungsanlage, bei der ein Heizleistungsregler vorgesehen ist, dem eine die abgegebene Heizleistung charakterisierende Istwertspannung und eine entsprechende Sollwert spannung zugeführt sind.
Bei einer kontinuierlich arbeitenden Erwärmungsanlage soll das durchlaufende Gut auf eine vorgegebene Austrittstemperatur gebracht werden. Bei Schwankungen der Temperatur des in die Erwärmungsanlage eintretenden Gutes kann die gewünschte Austrittstemperatur nicht eingehalten werden, wenn die thermische Zeitkonstante der Erwärmungsanlage groß ist im Verhältnis zur Verweildauer des Gutes in der Erwärmungsanlage. Dies gilt insbesondere für induktive Drahterwärmungsanlagen, bei denen der zu erwärmende Draht mit großer Geschwindigkeit durch einen Heizinduktor hindurchgeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine gleichmäßige Erwärmundauf die vorgegebene Austrittstemperatur auch bei Schwankungen der Eintrittstemperatur zuverlässig erfolgt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, bei der zur Bildung der Sollwertspannung für den Heizleistungsregler ein Multiplizierer vorgesehen ist, dem eingangsseitig eine der Differenz zwischen dem Temperatursollwert für die Austrittstemperatur des die Erwärmungsanlage verlassenden Gutes und der Eintrittstemperatur des in die Erwärmungsanlage eintretenden Gutes proportionale Spannung, sowie eine dem Volumen des Gutes proportionale Spannung zugeführt sind, das pro Zeiteinheit durch die Erwärmungsanlage hindurchtritt.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die Heizleistungsregelung durch Aufschaltung von zusätzlichen Einflußgrößen vorgesteuert, wobei sowohl das Volumen des durch die Erwärmungsanlage hindurchtretenden Gutes, als auch die von der Erwärmungsanlage aufzubringende Temperaturerhöhung für dieses Volumen berücksichtigt wird. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß diese Vorsteuerung die Stabilität der Heizleistungsregelung nicht beeinflußt. Durch den bei einer vorteilhaften Ausführungsform zusätzlich vorgesehenen Temperaturregler wird die Einhaltung der gewünschten Austrittstemperatur weiter verbessert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung für eine induktive Drahterwärmungsanlage sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Heizleistungsregelung einer induktiven Drahterwärmungsanlage, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beim Einsatz einer Rechenschaltung.
In der Darstellung der Fig. 1 durchläuft ein Draht 1, beispielsweise ein Stahldraht, in Pfeilrichtung einen Heizinduktor 2, der von einem schematisch dargestellten Mittelfrequenzgenerator 9 gespeist ist. Der Mittelfrequenzgenerator 9 wird von einer Asynchronmaschine 8 angetrieben. Der Erregerstrom für den Mttelfrequenzgenerator 9 wird von einem Stromrichter 7 gestellt, der beispielsweise eine halbgesteuerte Drehstrom-Brückenschaltung enthalten kann. Ein dem Stromrichter 7 zugeordneter Steuersatz 6 erhält seine Steuerspannung von einem Heizleistungsregler, der schematisch als Vergleichspunkt 4a und als PI-Verstärker 4b dargestellt ist. Die vom Heizinduktor 2 abgegebene Heizleistung ist dem Quadrat der vom MittelfrequenzgeneraDr 9 abgegebenen Heizspannung proportional. Zur Bildung einer Istwertspannung für den Heizleistungsregler 4a, 4b wird die Generatorspannung des Mittelfrequenzgenerators 9 von einem Spannungsmeßwandler 3 erfaßt und in einem Multiplizierer 5 quadriert. Die Ausgangsspannung des Multiplizierers 5, die dem Quadrat der Generatorspannung proportional ist, wird dem Vergleichspunkt 4a des Heizleistungsreglers als Istwert zugeführt.
Zur Bildung des Sollwertes für die Heizleistungsregelung geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß die Heizleistung, die benötigt wird, um das einlaufende Werkstück auf eine gewünschte Austrittstemperatur aufzuheizen, proportional ist dem Produkt aus der Temperaturdifferenz zwischen der gewünschten Austrittstemperatur und der Eintrittstemperatur und dem pro Zeiteinheit durch die Erwärmungsanlage hindurchtretenden Volumen. Dieses Volumen wiederum ist abhängig von der Geschwindigkeit und dem Querschnitt des Werkstückes. Wenn als Werkstück ein kreisrunder Draht vorgesehen ist, so ist das pro Zeiteinheit durch die Erwärmungsanlage hindurchtretende Volumen der Geschwindigkeit und dem Quadrat des Durchmessers des Drahtes proportional.
Zur Messung der Geschwindigkeit des Werkstückes dient ein Tachogenerator 12, der beispielsweise mit einer Zugwalze gekuppelt sein kann. Die Tachospannung wird auf ein Potentiometer 13 gegeben. Die Einstellung des Potentiometers 13 erfolgt entsprechend dem Querschnitt des Werkstückes, d.h. bei einem kreisrunden Draht entsprechend dem Quadrat des Drahtdurchmessers. Die Tachospannung wird über das Potentiometer 13 mit dem Querschnitt des Werkstückes gewichtet. Die Ausgangsspannung des Potentiometers 13 ist somit dem Volumen proportional, das pro Zeiteinheit durch die Erwärmungsanlage 2 hindurchtritt.
In einem als Differenzpunkt 16 dargestellten Differenzverstärker wird eine Spannung gebildet, die der Temperaturdifferenz zwischen dem Temperatursollwert t2* für die Austrittstemperatur und der Eintrittstemperatur t1 entspricht. Der Temperatursollfert t2 kann beispielsweise an einem Potentiometer 14 eingestellt werden.
Die Eintrittstemperatur t1 und die Austrittstemperatur t2 werden mit Temperaturmeßeinrichtungen 10 und 11 gemessen, die beispielsweise als Pyrometer ausgebildet stin können. In einem Multiplizierer 17 wird die Ausgangsspannung des Potentiometers 13 mit der Ausgangsspannung des Differenzpunktes 16 multipliziert.
Im Multiplizierer 17 wird somit eine Spannung gebildet, die dem Produkt aus der genannten Temperaturdifferenz und dem pro Zeiteinheit durch die Erwärmungsanlage hindurchtretenden Volumen proportional ist. Die Ausgangsspannung des Multiplizierers 17 bildet die dominierende Steuergröße für die Heizleistungsregelung.
Zur Erhöhung der Genauigkeit ist eine überlagerte Temperaturregelung vorgesehen, die schematisch als Vergleichspunkt 15a und als PI-Verstärker 15b dargestellt ist. Im Vergleichspunkt 15a des Temperaturreglers wird die gemessene Austrittstemperatur t2 mit dem am Potentiometer 14 eingestellten Sollwert tg verglichen. Die Ausgangsspannung des Temperaturreglers 15b wird im Summationspunkt 18 zur Ausgangsspannung des Multiplizierers 17 hinzugefügt.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden die dynamischen Vorgänge durch die Aufschaltung einer Spannung vorgesteuert, die dem Produkt aus der erforderlichen Temperaturerhöhung und dem pro Zeiteinheit zu erwärmenden Volumen proportional ist. Die Vorsteuerung kann beliebig schnell sein, da sie die Stabilität des Heizungsregelkreises nicht beeinflußt.
Die dargestellte einfache Meßeinrichtung mit einem Tachogenerator 12 und einem Potentiometer 13 zur Bestimmung des pro Zeiteinheit durch die Erwärmungsanlage hindurchgeführten Volumens ist dann vorteilhaft, wenn der Querschnitt des zu erwärmenden Gutes keinen wesentlichen Schwankungen unterworfen ist, beispielsweise wenn der Erwärmungsanlage eine Kalibriereinrichtung vorgeschaltet ist.
Zur meßtechnischen Erfassung des genannten Volumens sind Jedoch auch andere Einrichtungen möglich, die beispielsweise kapazitiv, induktiv oder magnetisch wirken. Anstelle des Potentiometers 13 kann auch ein Verstärker mit veränderbarem Verstärkungsfaktor vorgesehen sein.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist zur Ermittlung der Sollwertspannung für den Heizleistungsregler eine programmierbare Recheneinrichtung 24 vorgesehen, insbesondere ein Microcomputer.
An die Dateneingänge eines Multiplexers 21 sind die Meßfühler 10 bzw. 11 für die Eintritts- bzw. Austrittstemperatur des Werkstückes, eine MeBeinrichtung 19 zur Erfassung des pro Zeiteinheit zu verarbeitenden Volumens und eine Einstelleinrichtung 20 zur Einstellung des Sollwertes der gewünschten Austrittstemperatur angeschlossen. Falls das pro Zeiteinheit verarbeitete Volumen für ein vorgegebenes Werkstück als konstant angesehen werden kann, so kann die Meßeinrichtung 19 ebenfalls durch eine Einstelleinrichtung ersetzt werden. Der Multiplexer 21 schaltet Jeweils einen der ihm eingangsseitig zugeführten Meßwerte bzw.
Einstellwerte auf einen analogen Speicher 22, insbesondere eine sample & hold-Stufe, der ein Analog-Digital-Wandler 23 nachgeschaltet ist. Der Jeweilige digitalisierte Meßwert wird der Recheneinrichtung 24 eingegeben. Die Recheneinrichtung 24 ermittelt nach einem ihr im Programmspeicher 25 vorgegebenen Programm aus den genannten Meßwerten bzw. Einstellwerten einen Sollwert für den Heizleistungsregler, der über einen Digital-Analog-Wandler 26 in ein analoges Signal umgesetzt wird. Ein Taktgeber 27, der üblicherweise in der Recheneinrichtung 24 enthalten ist, erzeugt ein Taktsignal (clock) zur Steuerung des Multiplexers 21, des analogen Speichers 22, des Analog-Digital-Wandlers 23 und der Recheneinrichtung 24.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, mit Hilfe eines entsprechenden Programms die Recheneinrichtung 24 in der Weise einzusetzen, daß sie zusätzlich auch die Funktion des Heizleistungsreglers übernimmt.
7 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

PatentansPrüche 1. Schaltungsanordnung zur Regelung der Heizleistung einer kontinuierlich arbeitenden Erwärmungsanlage, insbesondere zur Regelung der elektrischen Heizleistung einer induktiven Drahterwärmungsanlage, bei der ein Heizleistungsregler vorgesehen ist, dem eine die abgegebene Heizleistung charakterisierende Istwertspannung und eine entsprechende Sollwertspannung zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Sollwertspannung für den Heizleistungsregler (4a, 4b) ein Multiplizierer (17) vorgesehen ist, dem eingangsseitig eine der Differenz zwischen dem Temperatursollwert (tag) für die Austrittstemperatur des die Erwärmungsanlage (2) verlassenden Gutes (1) und der Eintrittstemperatur (t1) des in die Erwärmungsanlage (2) eintretenden Gutes (1) proportionale Spannung, sowie eine dem Volumen des Gutes (1) proportionale Spannung zugeführt sind, das pro Zeiteinheit durch die Erwärmungsanlage (2) hindurchtritt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturregler (15a, 15b) vorgesehen ist, dem eingangsseitig ein Meßwert für die Austrittstemperatur r (t2) und ein entsprechender Temperatursollwert (t2*) zugeführt sind, und dessen Ausgangsspannung über ein Summierglied (18) zur Ausgangsspannung des Multiplizierers (17) hinzugefügt wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der dem pro Zeiteinheit durch die Erwärmungsanlage hindurchtretenden Volumen proportionalen Spannung eine Meßeinrichtung (12) für die Geschwindigkeit des Gutes (1) vorgesehen ist, deren Ausgangsspannung mit dem Querschnitt des Gutes gewichtet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Geschwindigkeit-Meßeinrichtung (12) über ein Potentiometer (13) geführt ist, dessen Abgriff entsprechend dem Querschnitt des Gutes (1) veränderbar ist.
5. Schaltungsanbrdnung nach Anspruch 1, dadurchgakennzeichnet, daß zur Ermittlung der Sollwertspannung für den Heizleistungsregler eine programmierbare Recheneinrichtung (2), insbesondere ein Microcomputer, vorgesehen ist, der eingangsseitig digitale Meßwerte für die Eintrittstemperatur (t1) bzw. die Austrittstemperatur (t2) des Gutes, sowie digitale Meßwerte oder Einstellwerte für die Solltemperatur, die Geschwindigkeit und den Querschnitt des Gutes zugeführt sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Dateneingängen der Recheneinrichtung (24) ein Analog-Digital-Wandler (23) und ein analoger Speicher (22) vorgeschaltet ist, der seinerseits über einen Multiplexer (21) mit den Meßeinrichtungen (10, 11) für die Eintrittstemperatur (t1) bzw. die Austrittstemperatur (t2) sowie den Meßeinrichtungen bzw. Einstelleinrichtungen (19, 20) für die Geschwindigkeit, die Solltemperatur und den Querschnitt des Gutes verbunden ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von der Recheneinrichtung (24) die Funktion des Heizleistungsreglers zusätzlich übernommen. ist.