DE4204060A1

DE4204060A1 - Pressure control in metallurgical containers - by means of a two-loop cascade control system

Info

Publication number: DE4204060A1
Application number: DE4204060A
Authority: DE
Inventors: Ralf Klinker; Michael Viedenz
Original assignee: Strikfeldt & Koch
Current assignee: Strikfeldt & Koch
Priority date: 1992-02-07
Filing date: 1992-02-07
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2012-02-08
Also published as: DE4204060C2

Abstract

Pressure in the container (1) with a pressure sensor (6) is controlled by means of a two-loop cascade system. A controller (7) in the first loop is suppied with the output from the sensor (6) and the required value of the pressure (from an external source). The output from the controller (7) and the required value of the pressure - which is modified by a scaling unit (13) - are fed to an adder (12) to produce a control variable for a proportional valve (3) in the second loop. The second loop also includes a pressure sensor (5) at the exit of the proportional valve controlling the supply from a pressure source (4). USE/ADVANTAGE - In the metal casting industry. It ensures accurate (with a deviation of +/- 0.75 mbar over the range 0-1 bar) and fast (response time approximately 0.2 s) pressure control in containers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zur Regelung des Drucks in Behältern, ins besondere in Dosier- und Niederdrucköfen sowie Me tallpumpen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs.The invention relates to a method and a direction for regulating the pressure in containers, ins especially in dosing and low pressure furnaces as well as me tall pumps according to the preamble of the main claim and the subsidiary claim.

In Gießanlagen nach dem Stand der Technik werden Gießvorgänge automatisch gesteuert und für einen rei bungslosen Ablauf ist eine schnelle und genaue Dosie rung des schmelzflüssigen Metalls von großer Wichtig keit. Es ist bekannt, Dosiervorgänge aus Dosieröfen über eine Drucksteuerung und/oder Druckregelung vor zunehmen, bei denen der Druck im Ofenraum erfaßt wird und von den gewünschten Dosiermengen entsprechend gesteuert bzw. geregelt wird. Es hat sich aber ge zeigt, daß bei bekannter Druckregelung die Dosierge nauigkeit nicht befriedigend ist, da die Regelung zu langsam ist und sich während des Dosiervorganges än dernde Parameter nicht oder nur ungenau erfaßt werden können. Darüber hinaus muß eine Nachregelung vorge nommen werden, wenn Langzeitänderungen auftreten; beispielsweise tritt bei einer Füllstandsabnahme im Ofen eine größer werdende Druckabweichung auf, die nur durch Nachregeln behoben werden kann.In casting plants according to the state of the art Casting processes automatically controlled and for a rei uncomplicated operation is a fast and precise dose of the molten metal is of great importance speed. It is known dosing processes from dosing furnaces via a pressure control and / or pressure control increase at which the pressure in the furnace chamber is detected and the required dosage amounts accordingly is controlled or regulated. But it has happened shows that with known pressure control the Dosierge accuracy is not satisfactory since the regulation too is slow and changes during the dosing process changing parameters are not recorded or only inaccurately can. In addition, an adjustment must be made be taken if long-term changes occur; for example, when the level decreases in Oven an increasing pressure deviation that can only be remedied by readjustments.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er findung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Drucks in Behältern, insbesondere in Dosier- und Niederdrucköfen sowie Metallpumpen zu schaffen, die auch bei unter schiedlichen Druckverhältnissen ein schnelles und genaues Regelverhalten aufweisen, so daß über die Lebensdauer des Behälters eine genaue und schnelle Dosierung ohne Nachparametrierung möglich ist.Based on this state of the art, the Er the task is based on a method and a Device for regulating the pressure in containers, especially in dosing and low pressure ovens as well To create metal pumps that are also under different pressure ratios a fast and have precise control behavior, so that the Lifespan of the container accurate and quick Dosing without parameterization is possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und des Ne benanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Dadurch, daß eine Druckkaskaden regelung mit Hilfe eines Proportionalventils, dessen Führungsgröße aus der Addition der Stellgröße eines überlagerten Leitreglers und eines Behälterdruck- Sollwertes gebildet wird, vorgesehen ist, wobei der Leitregler vorzugsweise einen Regler mit PI-Verhalten aufweist und als Eingabegrößen den Druck-Istwert aus dem Ofeninnenraum und den Druck-Sollwert empfängt, wird eine sehr schnelle Regelung möglich, da bei Druckänderungen im Behälterinnenraum beispielsweise beim Ausdosieren nur die Druckdifferenz geregelt wer den muß. Die Leitreglerstellgröße kompensiert darüber hinaus den Druckabfall in der Verrohrung zwischen Proportionalventil und Ofenraum, sowie Offset-, Tem peratur- und Alterungseffekte des gesamten Regelkrei ses.This object is achieved by the kenn features of the main claim and the Ne claim in connection with the features of General term solved. The fact that a pressure cascade regulation by means of a proportional valve, the Command variable from the addition of the manipulated variable superimposed master controller and a tank pressure Setpoint is formed is provided, the Master controller preferably a controller with PI behavior and the actual pressure value as input values the furnace interior and the pressure setpoint, a very fast regulation is possible because at Pressure changes in the interior of the container, for example only the pressure difference is regulated when dosing that must. The master controller manipulated variable compensates for this the pressure drop in the piping between Proportional valve and furnace chamber, as well as offset, tem temperature and aging effects of the entire control cycle ses.

Die Offset-, Temperatur- und Alterungseffekte entste hen dadurch, daß in Gießereibetrieben die Lufttempe ratur zwischen etwa 10°C und 50°C liegt, und daß das Proportionalventil auf einem Ofen montiert ist, dessen Deckel etwa 60°C Temperatur besitzt.The offset, temperature and aging effects arise hen in that the air temperature in foundries rature is between about 10 ° C and 50 ° C, and that the proportional valve is mounted on an oven, whose lid has a temperature of about 60 ° C.

Der Leitregler hingegen, hier Regelkreis 1, kann in einem Schaltschrank plaziert werden, der zudem mit Hilfeeines Lüftersystems oder eines Kühlaggregats gekühlt wird und auf einer Temperatur konstant gehal ten werden kann.The master controller, on the other hand, here control loop 1 , can be placed in a control cabinet, which is also cooled with the help of a fan system or a cooling unit and can be kept at a constant temperature.

Darüber hinaus wird eine maximale absolute Regelab weichung (+/- 0,5%) über den gesamten Druckbereich vorgegeben und die Regelparameter sind unkritisch und langzeitstabil, so daß keine Nachparametrierung über die gesamte Lebensdauer des Ofens erforderlich ist. Der Regelkreis weist kurze Ansprechzeiten (0,2-0,5 ms) auf, wodurch kein Überschwingen bei verschliffe nen Sollwertsprüngen auftritt. Der Regelkreis hat eine hohe Flexibilität, da eine beliebige Anpassung des gleichen Proportionalventils an verschiedene Re gelstrecken mit Hilfe des Leitreglers ohne Eingriff in das Proportionalventil möglich ist. Weiterhin ist vorteilhaft, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung das gleiche Regelverhalten für posi tive und negative Sollwertsprünge aufweist. In addition, a maximum absolute rule softening (+/- 0.5%) over the entire pressure range specified and the control parameters are not critical and long-term stable, so that no parameterization over the entire life of the oven is required. The control circuit has short response times (0.2-0.5 ms), which means that there is no overshoot when grinding a setpoint jump occurs. The control loop has a high degree of flexibility because any adjustment the same proportional valve to different re gel routes with the help of the master controller without intervention into the proportional valve. Still is advantageous that the inventive method and the device has the same control behavior for posi tive and negative setpoint jumps.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse rungen möglich.By the measure specified in the subclaims Men are advantageous further training and improvements possible.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung für einen Dosierofen näher erläutert; Es zeigen.An embodiment of the invention is in the Drawing shown and is in the following Description for a dosing furnace explained in more detail; It demonstrate.

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfin dungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung des Drucks und Fig. 1 is a schematic diagram of the inventive device for regulating the pressure and

Fig. 2 die Prinzipdarstellung des in der Fig. 1 verwendeten Leitreglers. Fig. 2 shows the schematic diagram of the master controller used in Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Regelung des Drucks in einem Dosierofen weist einen Druckbe hälter 1 auf, der den Ofeninnenraum bildet und in dem das schmelzflüssige Metall aufgenommen ist. Vorzugs weise steht der Druckbehälter 1 unter Druck, wobei bei der Festlegung des Drucks der Füllstand im Ofen innenraum berücksichtigt wird. Zum Ausdosieren wird der Druck kurzfristig erhöht, so daß das flüssige Metall aus einer Ausgießöffnung herausgedrückt wird. Über eine Rohrleitung 2 ist der Druckbehälter 1 mit einem Pneumatik-Proportionalventil 3 verbunden, das an eine Versorgungsdruckquelle 4 angeschlossen ist und die Druckzufuhr in den Druckbehälter 1 regelt. In die Rohrleitung 2 ist am Ausgang des Proportionalven tils 3 ein Drucksensor 5 für den Ventilausgangsdruck geschaltet, der die Information über den Druck P_VA am Ausgang des Ventils 3 an das Ventil als Regelgröße liefert. The device shown in Fig. 1 for regulating the pressure in a dosing furnace has a Druckbe container 1 , which forms the furnace interior and in which the molten metal is received. The pressure vessel 1 is preferably under pressure, the interior filling level being taken into account when determining the pressure. For dosing, the pressure is increased briefly so that the liquid metal is pressed out of a pouring opening. The pressure vessel 1 is connected via a pipeline 2 to a pneumatic proportional valve 3 which is connected to a supply pressure source 4 and regulates the pressure supply into the pressure vessel 1 . In the pipe 2 at the output of the Proportionalven valve 3, a pressure sensor 5 is switched for the valve outlet pressure, which provides the information about the pressure P _VA at the outlet of the valve 3 to the valve as a controlled variable.

Die Rohrleitung 2 zwischen dem Pneumatikventil 3 und dem Ofen dient zum Kühlen der heißen Ofenluft (700°C-900°C) und zum Abweisen der aggressiven Metalldämpfe. Sonst würde das Pneumatikventil sofort zerstört werden (normale Lufttemperatur von 50°C). Die Rohrleitung 2 hat aber einen Druckabfall zur Fol ge.The pipe 2 between the pneumatic valve 3 and the furnace serves to cool the hot furnace air (700 ° C-900 ° C) and to repel the aggressive metal vapors. Otherwise the pneumatic valve would be destroyed immediately (normal air temperature of 50 ° C). The pipeline 2 but has a pressure drop to fol

Ein weiterer Drucksensor 6 ist an bzw. in dem Druck behälter 1 angeordnet, der den Druck im Ofeninnenraum erfaßt. Der Drucksensor 6 ist mit einem Eingang eines PI-Leitreglers 7 verbunden, dessen anderer Eingang den Sollwert für den Ofeninnenraumdruck von einer externen Sollwertvorgabe erhält. Das Blockschaltbild des Leitreglers ist in Fig. 2 dargestellt. Er besteht aus einem Addierer 8, dem der Druck-Istwert und Druck-Sollwert zugeführt wird, einem mit dem Ausgang des Addierers 8 verbundenen Verstärker 9 und einem dazu parallelliegenden Integrierer 10 und einem wei teren Addierer 11, der die Ausgangssignale des Ver stärkers 9 und des Integrators 10 empfängt. Wie zu erkennen ist, ist der Leitregler 7 als bekannter PI- Regler ausgebildet.Another pressure sensor 6 is arranged on or in the pressure vessel 1 , which detects the pressure in the furnace interior. The pressure sensor 6 is connected to an input of a PI master controller 7 , the other input of which receives the setpoint for the furnace interior pressure from an external setpoint. The block diagram of the master controller is shown in Fig. 2. It consists of an adder 8 to which the actual pressure value and pressure setpoint is supplied, an amplifier 9 connected to the output of the adder 8 and an integrator 10 in parallel with it and a further adder 11 which amplifies the output signals of the amplifier 9 and of the integrator 10 receives. As can be seen, the master controller 7 is designed as a known PI controller.

Der Ausgang des Leitreglers 7 ist mit einem Addierer 12 verbunden, an dessen anderem Eingang eine Skalier einheit 13 liegt, die mit der externen Sollwertvor gabe verbunden ist und an ihren Ausgang den skalier ten Sollwert liefert. Der Addierer 12 ist mit dem Proportionalventil 3 verbunden und liefert die Füh rungsgröße für den im Proportionalventil 3 vorhande nen Regelkreis.The output of the master controller 7 is connected to an adder 12 , at the other input of which there is a scaling unit 13 , which is connected to the external setpoint specification and supplies the scaled setpoint value to its output. The adder 12 is connected to the proportional valve 3 and provides the guide size for the control loop present in the proportional valve 3 .

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung bildet eine Druckkaskadenregelung mit einem Proportionalventil 3, dessen Führungsgröße aus der Addition der Stellgröße des Leitreglers 7 und des skalierten Sollwertes des Ofeninnenraumdrucks gebildet wird. Das Proportional ventil 3 arbeitet über die Pneumatikrohrleitung 2 als Druckregler für das Luftvolumen des Druckbehälters 1. Seine elektrische Führungsgröße wird mit Hilfe des ventilinternen Regelkreises in einen proportionalen Druck an seinem Ausgang umgewandelt, wobei dieser Druck größer als der Ofeninnenraumdruck ist, da ein Druckabfall in der Rohrleitung 2 auftritt. Es gilt also:The device shown in FIG. 1 forms a pressure cascade control with a proportional valve 3 , the reference variable of which is formed from the addition of the manipulated variable of the master regulator 7 and the scaled setpoint of the furnace interior pressure. The proportional valve 3 works via the pneumatic pipeline 2 as a pressure regulator for the air volume of the pressure container 1 . Its electrical command variable is converted into a proportional pressure at its outlet with the aid of the valve-internal control circuit, this pressure being greater than the furnace interior pressure, since a pressure drop occurs in the pipeline 2 . So the following applies:

Ventilausgangsdruck = Ofeninnenraumdruck + Druckab fall,Valve outlet pressure = furnace interior pressure + pressure case,

wobei der Druckabfall keine fest kalkulierbare Größe ist, da er vom jeweiligen Volumenstrom und der Rohr geometerie abhängt. Um eine sehr genaue Ofenraum druckregelung zu verwirklichen, setzt sich die Füh rungsgröße, wie schon oben erwähnt, aus zwei Kompo nenten zusammen, d. h.whereby the pressure drop is not a calculable quantity is because it depends on the volume flow and the pipe geometry depends. To a very accurate furnace room To implement pressure control is the lead size, as already mentioned above, from two compos together, d. H.

Führungsgröße = skalierter Sollwert + Leitregler stellgröße.Command variable = scaled setpoint + master controller manipulated variable.

Dabei sind die Druckgrößen Ventilausgangsdruck, Ofen innenraumdruck, Druckabfall den zugeordneten elektri schen Größen Führungsgröße, skalierter Sollwert, Leitreglerstellgröße proportional, wobei von der Leitreglerstellgröße neben dem Druckabfall gleichzei tig die Temperatur-, Offset- und Alterungseffekte mitberücksichtigt wird.The pressure variables are valve outlet pressure, furnace interior pressure, pressure drop the associated electri variables reference variable, scaled setpoint, Master controller manipulated variable proportional, of which Master controller manipulated variable in addition to the pressure drop the temperature, offset and aging effects is also taken into account.

Wenn im Ofeninnenraum, d. h. im Druckbehälter, sich der Druck gegenüber dem Druck-Sollwert ändert, lie fert der Leitregler 7 eine Stellgröße, die die Diffe renz zwischen Soll- und Ist-Wert berücksichtigt, wo bei aufgrund der Ausbildung des Leitreglers als PI- Regler auch schnelle Änderungen erfaßt werden. Da die Führungsgröße für das Proportionalventil sich aus dem skalierten Druck-Sollwert und der der Differenz des Drucks im Ofeninnenraum und des Solldrucks entspre chenden Stellgröße zusammensetzt, wird der Druck am Ventilausgang so geregelt, daß er höher ist als der Ofeninnenraumdruck, wodurch der Druckabfall in der Verrohrung zwischen Ventil und Ofenraum sowie die Offset-, Temperatur- und Alterungseffekte des gesam ten Regelkreises kompensiert werden.If in the furnace interior, ie in the pressure vessel, the pressure changes compared to the pressure setpoint, the master controller 7 delivers a manipulated variable that takes into account the difference between the setpoint and actual value, where due to the design of the master controller as a PI controller rapid changes can also be recorded. Since the reference variable for the proportional valve is made up of the scaled pressure setpoint and the manipulated variable corresponding to the difference between the pressure in the furnace interior and the setpoint pressure, the pressure at the valve outlet is regulated so that it is higher than the furnace interior pressure, causing the pressure drop in the Piping between the valve and the furnace chamber as well as the offset, temperature and aging effects of the entire control loop can be compensated.

Üblicherweise sind die schnellen aber kostengünstigen Proportionalventile für höhere Drücke (0,2-10 bar) als im in der Erfindung verwendeten Ofen erforderlich (0-0,2 bar). In diesem niedrigen Druckbereich wür den bei Proportionalventilen im üblichen Anwen dungsfall (Rohrleitung 2 ist nicht vorhanden und der Drucksollwert wird direkt auf das Proportionalventil gegeben) erhebliche Abweichungen im Ausgängsdruck auftreten. Der Leitregler 7 zwingt dem regelbaren Proportionalventil eine hochgenaue Proportionalität auf, auch im Druckbereich, für den es nicht ausgelegt ist.Usually, the fast but inexpensive proportional valves are required for higher pressures (0.2-10 bar) than in the furnace used in the invention (0-0.2 bar). In this low pressure range, there would be considerable deviations in the outlet pressure in the case of proportional valves in the usual application (pipe 2 is not available and the pressure setpoint is given directly to the proportional valve). The master controller 7 forces the controllable proportional valve to have a highly precise proportionality, even in the pressure range for which it is not designed.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Proportional ventil im thermischen Grenzbereich (Umgebungstempera tur auf dem Ofen 30°-50°C) betrieben. Dadurch be steht eine Alterung, die die interne Parametrierung über Jahre gesehen verändert. Diese Verschiebung wird ebenfalls durch den Zeitregler 7 ausgeglichen, der geschützt im Schaltschrank untergebracht ist und über ca. 10 Jahre seine Parametrierung behält. In the method according to the invention, the proportional valve is operated in the thermal limit range (ambient temperature on the furnace 30 ° -50 ° C.). This results in aging that changes the internal parameterization over the years. This shift is also compensated for by the time controller 7 , which is protected in the control cabinet and retains its parameterization for approx. 10 years.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Druckregelung mit sehr kleiner und über den gesamten Druckbereich (0 bis 1 bar) konstanter Regelabweichung (+/- 0,75 mbar) sowie mit sehr kurzer Ansprechzeit (ca. 0,2 sec) realisiert werden.The device according to the invention can be used to implement pressure control with a very small control deviation (+/- 0.75 mbar) which is constant over the entire pressure range ( 0 to 1 bar) and with a very short response time (approx. 0.2 sec).

Die Erfindung wurde an dem Beispiel eines Dosierofens beschrieben. Selbstverständlich ist sie auch für an dere Behälter anwendbar, aus denen dosiert werden soll, beispielsweise für Niedrucköfen oder Metallpum pen zur Förderung einer Metallschmelze.The invention was based on the example of a dosing furnace described. Of course it is also for on applicable containers from which are dosed should, for example for low pressure furnaces or metal pumps pen to promote molten metal.

Claims

1. A method for controlling the pressure in containers, in particular in metering and low-pressure ovens such as metal pumps, in which the pressure in the interior of the furnace is detected and regulated via a control circuit, characterized in that a pressure cascade control is carried out, the pressure Actual value in and the pressure setpoint for the container interior are fed to a first control loop and the resulting manipulated variable is added to the pressure setpoint and the result is fed as a control variable for a second control loop having a proportional valve.

2. Device for regulating the pressure in the container ters, especially in metering and low pressure oil as well as metal pumps with a pressure in the Pressure sensor and container interior a control circuit for regulating the pressure in the loading container interior, characterized, that the control loop out as a cascade control loop forms, with a first control loop one Master controller forms the ge from the pressure sensor delivered actual pressure value and a pressure setpoint receives and provides a manipulated variable which, with added to the setpoint, the command variable for egg NEN a second proportional valve Control loop forms and that another Drucksen sor in the connecting line to the inside of the container space at the outlet of the valve and with the second control loop is connected.

3. Device according to claim 1, characterized records that the command variable of the second Re gelkreises the sum of the manipulated variable of the er most control loop and the scaled pressure setpoint is worth for the internal pressure in the furnace.

4. The device according to claim 1, characterized records that the first control loop is a controller with a PI behavior.