EP0305574B1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Steuerung der Konsistenz von Frischbeton in stationären Betonmischanlagen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsan­ordnung zur Steuerung der Konsistenz von Frischbeton in statio­nären Betonmischanlagen, wobei während des Mischprozesses die erforderliche Wassermenge zur Gewährleistung der Sollkonsistenz adaptiv ermittelt und zugeführt wird.
• Um bei der üblichen chargenweisen Herstellung von Frischbeton reproduzierbare Güteeigenschaften des Betons zu erreichen, ist es notwendig die laut Betonrezeptur geforderten Mengenrela­tionen und Eigenschaften von Zement, Wasser, Zuschlagstoffen und weiteren Zusatzmitteln genau einzuhalten. Die genaue Ana­lyse aller Komponenten wäre deshalb vor jeder Mischung erfor­derlich, ist aber in der Praxis aus zeitlichen und ökonomi­schen Gründen nicht durchführbar.
• Besonderen Einfluß auf die Betongüte haben das Wasser-Zement-­Verhältnis und die Konsistenz des Frischbetons. Beide werden entscheidend durch die Eigenfeuchte der Zuschlagstoffe beein­flußt, die aber in der Praxis durch Lagerungsmöglichkeiten, Lagerstättengegebenheiten, Witterungseinflüsse usw. stark veränderlich ist. Damit die Güte des ausgehärteten Betons immer gesichert ist, wird bisher durch erhöhte Zementzugabe das infolge nicht bekannter Eigenfeuchte der Zuschlagstoffe entstehende Risiko bei der Frischbetonproduktion verringert. Ein naheliegendes Vorgehen zur Ermittlung der Eigenfeuchte der Zuschlagstoffe besteht in der Anwendung von Feuchtemeß­sonden, z. B. Mikrowellen- oder Neutronensonden. Mit diesen Sonden wird die Feuchte der feinkörnigen Zuschlagstoffe vor jeder Mischung direkt gemessen und diese Werte werden zur Be­rechnung einer korrigierten Wassermenge benutzt. Nachteile dieser Sonden sind der hohe Kostenaufwand und die Störanfäl­ligkeit infolge des komplizierten Aufbaus. Die Inhomogenität den Meßgutes, das zusätzlich Fremdkörper enthalten kann, ist die Ursache dafür, daß die alleinige Anwendung von Feuchte­meßsonden bisher nicht zu praktisch wirksamen Anlagen führte. Es wurden deshalb Verfahren entwickelt, in denen die Messung der Eigenfeuchte und die Messung der Konsistenz kombiniert werden. So ist es bekannt, mit der gemessenen Anfangsfeuchte die notwendige Wassermenge zu berechnen, einen Hauptteil der Wassermenge zuzuführen und zu einem Zeitpunkt während der Mischphase, an dem ein vorgegebener Konsistenzwert auftritt, den Rest als Nachdosierung zuzugeben (DD-WP 141 129).
• Die Konsistenzmessung erfolgt üblicherweise indirekt über die Messung des elektrischen Widerstandes des Mischgutes (DE-OS 1 784 920) oder über die Wirkleistungsbestimmung des Antriebsmotors der Mischtrommel. Die Wirkleistung des Motors ist dem Reibungswiderstand des Mischgutes (dieser Wert ent­spricht der Konsistenz) proportional (DE-OS 1 683 778).
• Die Messung der Wirkleistung in Abhängigkeit von der Zeit während der Mischphase ergibt eine charakteristische Kurve, die entsprechend dem aktuellen Konsistenzgrad des Mischgutes drei wesentliche Abschnitte besitzt
• 1. konstanter Verlauf während der Trockenmischphase,
• 2. Anstieg, Maximum und Abfall während der Zeit der Wasser­zufuhr und -untermischung,
• 3. konstanter Endwert, wenn das gesamte zugeführte Wasser untergemischt ist.
• In der DE-OS 2 855 324 wird ein Verfahren beschrieben, das diesen Kurvenverlauf ausnutzt. Für jede Rezeptur werden für eine Idealmischung in zeitäquidistanten Abständen Konsistenz­sollwerte ermittelt, diese in Wirkleistungswerte umgerechnet und in einer Tabelle als Sollwerte gespeichert. Durch Ver­gleich mit entsprechenden Meßwerten wird die erforderliche Restwassermenge bestimmt.
• Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß eine Viel­zahl von Meßwerten für jede Rezeptur ermittelt und gespeichert werden muß. Hinzu kommt, daß erstens der quantitative Kurven­verlauf und die zeitliche Lage des Kurvenmaximums von Anfangs­feuchte, Sieblinie und Korngeometrie der Zuschlagstoffe abhängen und zweitens durch harmonische und stochastische Störungen der Mischanlage die Meßwerte verfälscht werden. Dies erschwert die Berechnung der erforderlichen Restwassermenge. Eine exakte Be­stimmung der Restwassermenge ist unbedingt notwendig, da durch eine zu hohe Wasserzugabe unbrauchbarer Beton entsteht.
• In der DE-AS 2 432 609 wird vorgeschlagen, die Zuflußgeschwin­digkeit des Wassers sehr gering zu halten. Dies führt aber zu unökonomischen Mischzeiten, wobei außerdem die Gefahr der Ent­mischung des Betons auftritt. Weitere Verfahren versuchen, eine definierte Anfangsfeuchte z. B. durch Sättigung der Zuschlagstof­fe mit Wasser und danach kontrollierte teilweise Entfernung des Wassers (DE-OS 2 756 039) oder durch Zuführung des Wassers in Dampfform (DE-OS 1 950 910) zu erzielen. Diese Verfahren erfordern einen zusätzlichen apparativen Aufwand und erhöhten Zeit­bedarf pro Mischung.
• Fernen wird in der DE-A-2124697 und in der US-A- 3593966 vorgeschlagen, daß bei einer Materialaufbereitungsanlage der von dem Antriebsmotor des Mischers aufgenommene Strom dem Wassergehalt des aufbereiteten Materials, d.h. der Plastizität des Materials, reziprok proportional ist, so daß für eine Regelung des Wassergehaltes nummehr ein Istwert vorlieght.
• Ziel der Erfindung ist es, mittels eines Verfahrens und einer Schaltungsanordnung zur Steuerung der Konsistenz von Frischbe­ton zum frühest möglichen Zeitpunkt den zu erwartenden Konsistenz­wert der Mischung adaptiv zu bestimmen, so daß die zur Erzie­lung der Sollkonsistenz erforderliche Wassermenge dem Betonge­misch bereits während der Untermischphase gesteuert zugeführt werden kann, wodurch sich eine Überdosierung von Zement vermei­den läßt. Zweck der Erfindung ist weiterhin die Vermeidung von Wasserdosierfehlern, die sich durch die unbekannte Anfangsfeuch­te und durch quantitative Veränderungen einer ermittelten Wirk­leistungs-Zeit-Kurve ergeben können.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Konsistenz von Frisch­beton anzugeben, womit während der Naßmischphase, d. h. vom Beginn der Wasserzuführung an, in diskreten Zeitabständen der zu erwartende Konsistenzwert des Mischgutes, das sich aktuell in der Trommel befindet, bestimmt wird. Der Soll-Ist-Wertver­gleich zur Steuerung der Wasserzufuhr soll sich hierbei auf den Vergleich nur eines bekannten Konsistenzwertes, nämlich des sta­tionären Endwertes entsprechend der Rezeptur, mit dem adaptiv ermittelten prognostizierten Endwert reduzieren.
• Die Schaltungsanordnung soll weiterhin die Erweiterung üblicher konventioneller Betonmischanlagen ermöglichen, so daß eine auto­matische Steuerung der Konsistenz des Frischbetons auf den Kon­sistenzsollwert durch kontrollierte Wasserdosierung zeitoptimal möglich ist.
• Ausgehend von der Erkenntnis, daß die Konsistenz des Mischgutes nur durch die aktuell untergemischte Wassermenge bestimmt wird und die direkt nicht meßbare Zustandsgröße - untergemischte Wassermenge - sich durch die meßbare Zustandsgröße - zugeführte Wassermenge - beschreiben läßt, ist die Durchführung des im folgenden beschriebenen Konsistenzsteuerverfahrens möglich. Weiterhin wurde ein Zusammenhang zwischen dem Verlauf der Wirkleistung in Abhängigkeit von der untergemischten Wasser­menge gefunden und zur Realisierung des Steuerverfahrens be­nutzt.
• Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfah­ren gemäß Patentanspruch 1 und durch die Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 3 gelöst.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist im Pa­tentanspruch 2 gekennzeichnet.
• Erfindungsgemäß wird also vor Beginn der eigentlichen Misch­phase ein Leistungsendwert, d. h. ein für einen entsprechen­den Füllungsgrad der Mischeinrichtung bzw. für eine Rezep­turvorschrift repräsentativer Wert, ermittelt. Die Bestim­mung der zu erwartenden Leistungsendwerte entsprechend dem jeweiligen Füllungsgrad erfolgt einmalig und ist als Anla­genparameter fixierbar. Während der in bekannter Weise er­folgenden Beschickung der Mischanlage wird weiterhin ein Trockenmischleistungswert, beispielsweise durch die Bestim­mung der Wirkleistung des Antriebsmotors der Mischanlage, ermittelt.
• Der Trockenmischleistungswert und der entsprechend dem je­weiligen Füllungsgrad bzw. der Rezepturvorschrift repräsen­tative Leistungsendwert werden für die weitere Durchführung des Konsistenzsteuerfahrens abgespeichert. Zum Beginn des Trockenmischvorganges befinden sich dementsprechend ein Lei­stungsendwert und ein Trockenmischwert im Speicher der Mischanlage. Vom Beginn des Trockenmischvorganges bis zur Beendigung des Mischens wird, beispielsweise ebenfalls durch die Bestimmung der Wirkleistung des Antriebsmotors der Mischanlage, in äquidistanten Zeitabständen ein Leistungs­mittelwert erfaßt. Die eigentliche Trockenmischphase erfolgt in bekannter Weise. Während der Trockenmischphase werden er­findungsgemäß innerhalb des Konsistenzsteuerverfahrens in äquidistanten Zeitabständen die Leistungsmittel(-meß)-werte unter Verwendung eines geeigneten diskreten Kalman-Filters 1. Ordnung derart verarbeitet, daß ein Pseudo-Istwert, d. h. ein dem tatsächlichen Leistungswert am Ende der Trocken­mischphase nahekommender Wert, ableitbar ist.
• Die Bestimmung des Pseudo-Istwertes und der Vergleich mit dem jeweiligen Leistungsmittel(meß)-wert lassen Fehldosie­rungen, d. h. Beschickungsfehler und grobe Abweichungen von der zulässigen Solleigenfeuchte der Zuschlagstoffe sofort erkennen.
• Zum Beginn der Wasserzuführung wird der abgeleitete Pseudo-­Istwert als Anfangswert einer ersten Komponente eines drei Komponenten enthaltenden Zustandsvektors benutzt. Die weite­ren Komponenten sind innerhalb des betrachteten Systems frei wählbar.
• Entsprechend der eingangs genannten Erkenntnis erfolgt mittels der erfaßten Leistungsmittel(-meß)-werte eine Übertragung der meßbaren Zustandsgröße - zugeführte Wassermenge - auf die nicht meßbare Zustandsgröße - untergemischte Wassermenge -, die letztendlich die Konsistenz des Mischgutes bestimmt, inner­halb des Zeitabschnittes vom Beginn der Wasserzuführung bis zum Ende der Wasserzuführung. Diese jetzt zur Verfügung ste­henden Werte repräsentieren die Abhängigkeit zwischen der Leistung des Motors der Mischanlage und der untergemischten Wassermenge. Auf Grund der weiteren eingangs genannten Erkennt­nis, d. h. des darstellbaren Zusammenhanges zwischen dem Verlauf der Leistung und der untergemischten Wassermenge, ist das Steuersystem vollständig beschreibbar. Mittels eines geeigne­ten diskreten Kalman-Filters 3. Ordnung werden Steuerkomponen­ten als Schätzwerte bereitgestellt, d. h. es wird festge­stellt, welche Werte zum Zeitpunkt der nächsten Leistungsmes­sungen zu erwarten sind. Diese Steuerkomponenten korrelieren mit dem zu erwartenden Leistungsendwert. Aus dem Vergleich des zu erwartenden Endwertes mit dem abgespeicherten Leistungsend­wert läßt sich die Steuergröße zur Beendigung oder Fortführung der Wasserzufuhr mit hoher Genauigkeit ableiten.
• Wird im nächstfolgenden Mischprozeß eine gleiche Rezeptur verarbeitet, so ist es zweckmäßig, die ermittelten Steuer­komponenten, d. h. den Schätzendwert, zum Zeitpunkt der ge­samten Untermischung des Wassers festzuhalten, diesen Wert auf den Anfangswert zu übertragen und als Ausgangskompo­nente, d. h. als Schätzanfangswert im Steuerprozeß einzu­setzen. Eine derartige Verfahrensweise sichert eine geringe Einschwingzeit des Gesamtsteuerprozesses und beeinflußt den Mischprozeß in zeitlicher und qualitativer Hinsicht positiv.
• Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:
• Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte; und
• Fig. 2 ein Schaltschema der Schaltungsanordnung.
• Der zeitliche Ablauf der erfindungsgemäßen Verfahrens­schritte soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur 1 näher erläutert werden.
• Fig. 1a zeigt den zeitlichen Verlauf der Wirkleistung des Motors der Mischanlage mit überlagerten Störsignalen während der Mischung einer üblichen Rezeptur.
• Die mittlere Wirkleistung des Antriebsmotors wird vorteil­hafterweise durch Messung von Strom und Spannung in zeit­äquidistanten Abständen und Berechnung der Produktsummen bestimmt.
• Auf der Abszisse der Figur 1 sind die Zeitmarken t₀ bis t₆ angegeben, die den wesentlichen Schritten des erfindungs­gemäßen Verfahrens entsprechen.
Hierbei bedeuten:

t₀

- Beginn der Beschickung

t₁

- Beginn der Trockenmischphase

t_1.1

- Beginn des Vergleichs von Anfangswert des Filters mit Anlagenparameter

t₂

- Ende der Trockenmischphase und Beginn der Wasserzulauf- und Untermischphase

t₃

- Zeitpunkt der Übereinstimmung zwischen Prognose- und Sollendwert

t₄

- Ende der Untermischphase

t₅

- Beginn der Lernphase

t₆

- Ende der Lernphase

• Zur Nutzung des Verfahrens ist es erforderlich, für jede Betonrezeptur einmalig eine Eichmischung mit bekannten Mengen­relationen und Eigenschaften aller eingesetzten Komponenten herzustellen und den Leistungswert N₂ an der Zeitmarke t₂ und den Leistungswert N₆ als Anlagen- und Rezepturparameter an der Zeitmarke t₆ zu fixieren.
• In bekannter Weise wird die Mischtrommel in der Zeitphase von t₀ bis t₁ mit den Trockenkomponenten des Betons und einer ge­ringen Wassermenge, die mit der unbekannten Eigenfeuchte der Zuschlagstoffe die Anfangsfeuchte W₀ bestimmt, beschickt.
• In der Trockenmischphase t₁ bis t₂ werden die Trockenkomponen­ten durchmischt. Die mit der Konsistenz korrelierende Wirk­leistung N ist hierfür konstant. Die zahlenmäßige Größe dieser Konstanten variiert in Abhängigkeit von der Anfangsfeuchte W₀ und von den Wägeungenauigkeiten.
• Diese Konstante, die infolge der überlagerten Störungen direkt schwierig meßbar ist, wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen An­wendung eines diskreten Kalman-Filters prognostiziert.
• Mit Hilfe des einfachen Modells N_k+1 = N_k und der aufgenomme­nen Meßwerte, die mit Störungen der Varianz R überlagert sind, werden der Schätzwert N̂_k+1 der Wirkleistung und die Fehlerkova­rianzmatrix P_k+1 ermittelt. Die Werte N̂_k sind in Figur 1b dar­gestellt.
• Vom Zeitpunkt t_1.1 an wird der Schätzwert N̂_k+1 des Filters mit den ermittelten Anlagen-und Rezepturparametern N₂ verglichen.
• Bei grober Abweichung kann entweder ein Beschickungsfehler aufgetreten sein oder eine ungewöhnlich große Eigenfeuchte der Ausgangsstoffe vorliegen. In beiden Fällen erfolgen ent­sprechende Reaktionen. Der zum Zeitpunkt t₂ prognostizierte Leistungwert N̂₀ korreliert mit der Anfangsfeuchte W₀ und wird als Anfangswert für die Schätzung der weiteren Leistungswerte N̂ während der folgenden Phasen benutzt.
• Mit Beginn der Zulauf- und Untermischphase von t₂ bis t₄ fließt Wasser mit konstanter Fließgeschwindigkeit A_w in die Mischtrommel (Fig. 1c). Entsprechend der Erkenntnis, daß nur die aktuell untergemischte Wassermenge W₂ die Konsistenz be­stimmt, wird die untergemischte Wassermenge mit der Beziehung
  $${\text{W₂(t) = A}}_{\text{w}}{\text{t - A}}_{\text{w/α}}{\text{· (1-e}}^{\text{-αt}}\text{) + W₀}$$

  

  
  indirekt bestimmt, wobei α die Zeitkonstante der Mischanlage darstellt.
• Die Abhängigkeit der Wirkleistung N von der untergemischten Wassermenge W₂ wird durch ein Polynom 2. Grades, wie folgt be­schrieben

  
• Da die Konstante A des Polynoms ebenfalls unbekannt ist, wird der gefundene Zusammenhang unter Verwendung eines er­weiterten Zustandsvektors mit 3 Komponenten in diskreter Form dargestellt, wobei beachtet werden muß, daß die Leistungs­werte N jetzt von W₂ abhängen (N = N(W₂)):

  
• D ist hierbei die nichtäquidistante Schrittweite zwischen zwei Leistungswerten, da infolge der Transformation der Leistungswerte

  

  
  Nichtäquidistanz in W2 auftritt.
• Mit der Meßgleichung yk = ( 1 0 0) N_k + V_k kann die Kalman­Beziehung für ein Filter 3. Ordnung aufgestellt werden. Dies führt zur optimalen Prognose eines Zustandsvektors

  
• In einem weiteren Verfahrensschritt wird mit dem prognosti­zierten Zustandsvektor N̂ _K und der durch die Rezeptur vorge­gebenen Gesamtwassermenge W_G der Leistungsendwert nach der Beziehung

  

  
  bestimmt.
• Den Verlauf des prognostizierten Endwertes N̂ end während der Naßmischphase zeigt Fig. 1d.
• Es wurde gefunden, daß spätestens zum Zeitpunkt t₃, der noch innerhalb der Wasserzulaufphase liegt, der prognosti­zierte Endwert mit dem zeitlich später auftretenden tat­sächlichen Endwert ausreichend genau übereinstimmt. Deshalb wird zu diesem Zeitpunkt ein Vergleich zwischen dem Sollend­wert N₆ und dem prognostizierten Endwert N̂ _end durchgeführt. Die Differenz zwischen beiden dient als Kriterium zur Steue­rung des Wasserzulaufventils.
• Ist die Differenz zwischen Sollendwert und prognostiziertem Endwert zum Zeitpunkt des Vergleichs größer als Null, wird das Wasserzulaufventil vor dem Erreichen der vorgegebenen Rezepturwassermenge geschlossen, im umgekehrten Fall ist das Ventil später zu schließen.
• Aus dem Absolutwert der Differenz wird die Zeitdauer der veränderten Ventilsteuerzeiten bestimmt.
• Nach dem Schließen des Wasserzulaufventils wird im Zeitraum t₄ bis t₅ das restliche Wasser untergemischt, wobei nach dem gefundenen Zusammenhang jetzt folgende Beziehung gilt:

  
• Zur Kontrolle des Mischvorganges wird mit dem beschriebenen Verfahrensschritt weiterhin der Zustandsvektor

  

  
  ermittelt. Zum Zeitpunkt t₅ ist das gesamte Wasser untergemischt, und es kann nochmals ein Vergleich von N̂ end mit N₆ zur Qualitätskon­trolle durchgeführt werden.
• Werden mehrere Chargen gleicher Rezeptur hintereinader ge­mischt kann der Zustandsvektor

  

  
  zur Bestimmung der Kom­ponenten des Zustandsvektors

  

  
  verwendet werden. Erfindungs­gemäß wird die Komponente N̂₀ während der Trockenmischphase ermittelt. Die Komponente  ist eine Konstante und kann direkt übernommen werden. Die Komponente N̂ ₀ wird auf Grund des ge­fundenen Zusammenhanges mit der Beziehung

  

  
  bestimmt
• Gleichzeitig werden die Endwerte der Komponenten der Fehlerko­varianzmatrix des Kalman-Filters in geeigneter Form umgewandelt und als Anfangswerte zum Zeitpunkt t₂ verwendet.
• Fig. 1e zeigt den Verlauf der prognostizierten Endwerte N̂_end während einer weiteren Mischung, wenn obiger Lernprozeß im Zeitraum zwischen t₅ und t₆ stattfand.
• Für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Steuerung der Konsistenz wird eine an sich bekannte Anlagen­dosiervorrichtung durch einen Ausgang und zwei Eingänge er­weitert, wobei der Erweiterungsaugsang mit dem Ausgsang der Zeitsteuerung, der erste Erweiterungseingang mit dem Eingang des Havarieschalters und der zweite Erweiterungseingang mit dem Steuereingang des Wasserventils der bekannten Anlage ver­bunden sind. In den Speiseleitungen des Antriebsmotors der Mischanlage sind Strom- und Spannungswandler angeordnet. Der Ausgang der hierbei gebildeten Wandlereinheit ist mit dem Eingang einer Wirkleistungsmeßeinrichtung verbunden. Der Aus­gang der Wirkleistungsmeßeinrichtung führt zum Schalteingang eines elektronischen Umschalters mit drei Ausgängen. Der Steuereingang des elektronischen Umschalters ist mit dem ge­nannten Erweiterungsausgang der bekannten Anlagendosiervor­richtung verbunden.
• Der erste Ausgang des elektronischen Umschalters führt zu einem Kalman-Filter erster Ordnung, der zweite Ausgang zu einer ersten Meßwertwandlereinheit und der dritte Ausgang zu einer zweiten Meßwertwandlereinheit. Der Ausgang des Kalman-Filters erster Ordnung ist sowohl mit einem ersten Eingang eines ersten Differenzverstärkers als auch mit einem ersten Anfangswertsetzeingang eines Kalman­Filters dritter Ordnung verbunden. Der zweite Eingang des ersten Differenzverstärkers ist mit dem Ausgang eines ersten Festwertspeichers verbunden. Der Ausgang des ersten Differenz­verstärkers führt zum Eingang einer ersten Bewertungsschaltung, deren Ausgang mit dem ersten Erweiterungseingang der Anlagendo­siervorrichtung verknüpft ist.
• Die Ausgänge der ersten und zweiten Meßwertwandlereinheit sind miteinander verbunden und führen zum Informationseingang des Kalman-Filters dritter Ordnung, dessen zweiter Anfangswert­ setzeingang zum Ausgang einer Rechenschaltung führt und dessen dritter Anfangswertsetzeingang mit einem ersten Ausgang einer Endwertbestimmungschaltung verbunden ist, deren zweiter Ausgang zum Eingang der Rechenschaltung führt. Ein erster, zweiter und dritter Eingang der Endwertbestim­mungsschaltung sind mit dem ersten, zweiten und dritten Aus­gang des Kalman-Filters dritter Ordnung verbunden. Der dritte Ausgang der Endwertbestimmungsschaltung ist mit dem ersten Eingang eines zweiten Differenzverstärkers verbunden, dessen zweiter Eingang zum Ausgang eines zweiten Festwertspeichers führt. Der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers führt zu einer zweiten Bewertungsschaltung, deren Ausgang mit einer Anzeigeeinheit und mit dem zweiten Erweiterungseingang der Anlagendosiervorrichtung verbunden ist.
• Die Beschreibung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erfolgt anhand des Zeitverlaufs eines typischen Mischprozesses nach dem bereits dargelegten Kon­sistenzsteuerverfähren.
• Nach der Beschickung der Mischtrommel mit den der Rezeptur entsprechenden Mengen von Zuschlagstoffen und Bindemitteln liegt am Ausgang der Wirkleistungsmeßeinrichtung der Meßwert der augenblicklichen Wirkleistung in zeitäquidistanten Ab­ständen vor. Der elektronische Umschalter ist während der Trockenmischphase so geschaltet, daß der Eingang mit dem ersten Ausgang verbunden ist und damit der aktuelle Wirklei­stungsmeßwert am Eingang des Kalman-Filters erster Ordnung anliegt und an dessen Ausgang der gefilterte Wirkleistungsmeß­wert vorhanden ist. Im ersten Differenzverstärker erfolgt der Vergleich dieses Wertes mit dem ersten einmalig ermittelten und fixierten Anlagen- und Rezepturparameter, der im ersten Festwertspeicher gespeichert ist. Am Ende der Trockenmisch-­ phase wird der elektronische Umschalter über seinen Steuer­eingang von der Anlagendosiervorrichtung so umgeschaltet, daß der Schalteingang mit dem zweiten Ausgang des Umschalters verbunden ist. Gleichzeitig wird geprüft, ob das Ausgangs­signal des ersten Differenzverstärkers eine anlagenspezifi­sche Schwelle überschreitet. Geebenenfalls wird Havarie ausge­löst, ansonsten erfolgt die Übernahme des gefilterten Wirklei­stungsmeßwertes am Ende der Trockenmischphase über den ersten Anfangswertsetzeingang in das Kalman-Filter dritter Ordnung. Am zweiten und dritten Anfangswertsetzeinang liegen bei einer ersten Mischung beliebige oder in Abhängikeit vom Er­ebnis der vorangegangenen Mischung ausgewählte Anfangswerte an, wobei am zweiten Setzeingang das Ausgangssignal der Rechen­schaltung und am dritten Setzeingang das Ausgangssignal des ersten Ausgans der Endwertbestimmungsschaltung anliegen,wo­durch eine Verbesserung der Genauigkeit der Ausgangssignale des Kalman-Filters dritter Ordnung erreicht wird.
• Am Eingang des Kalman-Filters dritter Ordnung liegt die Aus­gangsgröße der ersten Meßwertwandlereinheit vor, in welcher der Wirkleistungsmeßwert mit Hilfe eines definierten Zusam­menhanges zwischen zugeführter und untergemischter Wasser­menge während der Zeit der Wasserzuführung umgeformt wird. An den Ausgängen des Kalman-Filters dritter Ordnung liegen die die Konsistenz beschreibenden, gefilterten Werte vor. Diese Werte werden zu den Eingängen der Endwertbestimmungsschal­tung geführt, mit der die Werte, die am Ende der Mischphase die Konsistenz des Mischgutes charakterisieren, bereits wäh­rend der Mischphase bestimmt werden. Am dritten Ausgang der Endwertbestimmungsschaltung liegt das die Endwirkleistung repräsentierende Signal an, das in einem zweiten Differenz­verstärker mit dem zweiten fixierten Anlagen- und Rezeptur-­ parameter verglichen wird. Das Ausgangssignal des zweiten Differenzverstärkers wird einer zweiten Bewertungsschal­tung zugeführt. Der Ausgang der zweiten Bewertungsschaltung ist mit einer Anzeigeeinheit verbunden, die zur visuellen Kontrolle der Steuergröße für die Wasserdosierung dient. Weiterhin ist der Ausgang der zweiten Bewertungsschaltung mit dem zweiten Erweiterungseingang der Anlagendosiervorrich­tung verbunden, wobei in Abhängigkeit von Vorzeichen und Größe des Ausgangssignals die Öffnungszeit des Wasserventils ge­steuert wird. Nach dem Schließen des Wasserventils wird der elektronische Umschalter in einen dritten Zustand gebracht. Die Wirkleistungsmeßwerte gelangen jetzt über die zweite Meß­wertwandlereinheit, in der die Meßwerte nach einem definier­ten Zusammenhang, der bei alleiniger Untermischung des Was­sers gilt, tranformiert werden, an den Informationseingang des Kalman-Filters dritter Ordnung. In analoger Weise werden die prognostizierten Endwerte bereitgestellt und können am Ende der Gesamtmischphase vom ersten Ausgang der Endwertbestim­mungsschaltung und vom zweiten Ausgang über die Rechenschal­tung an die Anfangswertsetzeingänge des Kalman-Filters dritter Ordnung gegeben und an der Anzeigeeinheit zur Kontrolle des erreichten Konsistenzendwertes benutzt werden.
• Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung soll anhand eines Beispiels und der Figur 2 näher erläutert werden.
• Die Mischtrommel 5, welche mechanisch mit der Antriebsei­heit 6 verbunden ist, wird über die Silos 1, 2 und 3 sowie das Wasserventil 4 beschickt. Die Dosierung der Zuschlag­stoffe sowie des Bindemittels entsprechend der vorliegenden Rezeptur erfolgt durch die bekannte Anlagendosiervorrichtung 28. Hierfür sind die Ausgänge A₂, A₃ und A₄ der Anlagendosier­vorrichtung 28 mit den dazu erforderlichen Elementen der Silos 1, 2 und 3 verbunden. Die Steuerung des Wasserventils 4 erfolgt über die Verbindung des Ausgangs A₁ der Anlagendosier­vorrichtung 28 mit dem Wasserventil 4. In die Speiseleitunen der Antriebseinheit 6 sind die Stromwandler 7, 9 und 11 und die Spannungswandler 8, 10 und 12 eingeschaltet. Die Ausgänge der Wandler führen zu den Eingängen der Wirkleistungsmeßein­richtung 13. Der Ausang der Wirkleistungsmeßeinrichtung 13 ist mit dem Eingang E₃ des elektronischen Umschalters 14 ver­bunden. Der Eingang E₄ des elektronischen Umschalters 14 steht mit dem Erweiterungsausgang A₅ der Anlagendosiervor­richtung 28 in Verbindung. Weiterhin sind der Ausgang A₆ des Umschalters 14 mit dem Eingang des Kalman-Filters erster Ord­nung 15, der Ausgang A₇ mit dem Eingang der ersten Meßwert­wandlereinheit 16 und der Ausgang A₈ mit dem Eingang der zwei­ten Meßwertwandlereinheit 17 verbunden. Der Ausgang des Kalman­Filters erster Ordnung 15 führt zum Eingang E₅ des ersten Dif­ferenzverstärkers 19 und zum Eingang E₇ des Kalman-Filters dritter Ordnung 20. Der Eingang E₆ des ersten Differenzver­stärkers 19 ist mit dem Ausgang des Festwertspeichers 21 ver­bunden. Der Ausgang des ersten Differenzverstärkers 19 steht mit dem Eingang einer ersten Bewertungsschaltung 18 und der Ausgang dieser Bewertungsschaltung mit dem ersten Erweiterungs­eingang E₁ der Anlagendosiervorrichtung 28 in Verbindung. Die Ausgänge der ersten und der zweiten Meßwertwandlereinheit 16, 17 führen zum Eingang E₁₀ des Kalman-Filters dritter Ordnung 20. Der Eingang E₈ des Kalman-Filters 20 ist am Ausgang einer Rechenschaltung 22 und der Eingang E₉ ist am Ausgang A₉ einer Endwertbestimmungsschaltung 23 angeschlossen. Die Ausgänge des Kalman-Filters 20 sind mit den Eingängen der Endwertbe­stimmungsschaltung 23 verbunden. Der Ausgang A₁₀ der Endwert­bestimmungsschaltung 23 führt zum Eingang der Rechenschaltung 22, der Ausgang A₁₁ der Endwertbestimmungsschaltung 23 ist mit dem Eingang E₁₂ des zweiten Differenzverstärkers 24 ver­bunden,und der Eingang E₁₁ dieses Differenzverstärkers 24 steht mit dem Ausgang des zweiten Festwertspeichers 25 in Verbindung. Weiterhin ist der Ausgang des zweiten Differenz­verstärkers 24 mit dem Eingang der zweiten Bewertungsschal­tung 27 verbunden. Der Ausgang der Bewertungsschaltung 27 ist am zweiten Erweiterungseingang E₂ der Anlagendosiervor­richtung 28 sowie am Eingang der Anzeigeeinheit 26 ange­schlossen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Steuerung der Konsistenz von Frischbeton in stationären Betonmischanlagen unter Nutzung der Wirklei­stumgsmessung des Antriebsmotors der Mischanlage,
dadurch gekennzeichnet, daß
- einmalig vor Beginn der Mischphase ein für einen ent­sprechenden Füllungsgrad der Betonmischanlage bzw. für eine Rezepturvorschrift repräsentativer Leistungsendwert ermittelt und als Anlagenparameter fixiert wird,
- während der in bekannter Weise erfolgenden Beschickung der Betonmischanlage ein Trockenmischleistungswert er­mittelt wird,
- eine Abspeicherung des entsprechend dem jeweiligen Füllungsgrad bzw. der Rezepturvorschrift ermittelten Trockenmischleistungswertes und des Leistungsendwertes erfolgt,
- vom Beginn der Trockenmischphase bis zur Beendigung des Mischens in äquidistanten Zeitabständen ein Leistungs­mittelwert erfaßt wird,
- während der in bekannter Weise ablaufenden Trockenmisch­phase in äquidistanten Zeitabständen die Leistungsmit­telmeßwerte innerhalb eines diskreten Kalman-Filters erster Ordnung derart verarbeitet werden, daß ein dem tatsächlichen Leistungsendwert am Ende der Trockenmisch­phase nahekommender Pseudo-Istwert prognostiziert wird,
- durch Vergleich des prognostizierten Pseudo-Istwertes mit dem jeweiligen abgespeicherten Leistungsendwert bei erkennbarer Differenz an sich bekannte Maßnahmen zum Ausgleich von Fehldosierungen und Beschickungsfehlern sowie Abweichungen von der zulässigen Solleigenfeuchte der Zuschlagstoffe eingeleitet werden,
- mit Beginn der Wasserzuführung der prognostizierte Pseudo-­Istwert als Anfangswert einer ersten Komponente eines drei Komponenten enthaltenden Zustandsvektors eingesetzt wird, sowie mittels des Leistungsmittelmeßwertes eine Übertra­gung der gemessenen Zustandsgröße - zugeführte Wassermenge
- auf die nicht meßbare Zustandsgröße - untergemischte Wassermenge - innerhalb des Zeitabschnittes vom Beginn der Wasserzuführung bis zum Ende der Mischphase erfolgt,
- mittels eines diskreten Kalman-Filters 3. Ordnung eine Ableitung des zu erwartenden Leistungsendwertes erfolgt, anschließend ein Vergleich des zu erwartenden Wertes bei unveränderter Wasserzuführung mit dem abgespeicherten Leistungsendwert realisiert wird und eine auf der Auswer­tung dieses Vergleichs beruhende Beeinflussung,der Wasserzufuhr in bekannter Weise erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß bei der zeitlich aufeinanderfolgenden Durchführung von mehreren Mischungen gleicher Rezeptur eine Transfor­mation der Prognoseendwerte auf den Prognoseanfangswert im Sinne einer Lernphase des Systems durchgeführt wird.

3. Schaltungsanordnung zur Steuerung der Konsistenz von Frischbeton in stationären Betonmischanlagen unter Nutzung einer Anlagendosiervorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Anlagendosiervorrichtung (28) einen mit einer Zeitsteuerung (14) verbundenen Erweiterungsausgang, einen mit dem Havarieschalter verbundenen ersten Erwei­terungseingang sowie einen mit dem Steuereingang des Wasserventils (4) verbundenen zweiten Erweiterungsein­gang aufweist,

- die Speiseleitungen des Motors (6) der Betonmischanlage (5) eine Wandlereinheit bildende Strom- und Spannungswandler (7 - 12) enthalten sowie eine Verbindung zwischen der Wandlereinheit mit dem Eingang einer Wirkleistungsmeß­einrichtung (13) besteht,

- der Ausgang der Wirkleistungsmeßeinrichtung (13) mit dem Schalteingang eines elektronischen Umschalters (14) ver­bunden ist,

- der Steuereinang des elektronischen Umschalters (14) am Erweiterungsausgang der Anlagendosiervorrichtung (28) an­geschlossen ist,

- der erste Ausgang des elektronischen Umschalters (14) mit einem Kalman-Filter erster Ordnung (15), der zweite Aus­gang mit einer ersten Meßwertwandlereinheit (16) sowie der dritte Ausgang des elektronischen Umschalters (14) mit einer zweiten Meßwertwandlereinheit (17) verbunden sind,

- der Ausgang des Kalman-Filters erster Ordnun (15) mit dem ersten Eingang eines ersten Differenzverstärkers (19) sowie mit dem ersten Anfangswertsetzeingang eines Kalman-­Filters dritter Ordnung (20) verbunden ist,

- der zweite Eingang des ersten Differenzverstärkers (19) mit einem ersten Festwertspeicher (21) in Verbindung steht,

- der Ausgang des ersten Differenzverstärkers (19) am Ein­gang einer ersten Bewertungsschaltung (18) angeschlossen ist und die Bewertungsschaltung (18) mit dem ersten Er­weiterungseingang der Anlagendosiervorichtung (28) ver­bunden ist,

- der Ausgang der ersten Meßwertwandlereinheit (16) sowie der Ausgang der zweiten Meßwertwandlereinheit (17) mit dem Informationseingang des Kalman-Filters dritter Ordnung (20) in Verbindung stehen,

- der zweite Anfangswertsetzeingang des Kalman-Filters dritter Ordnung (20) zum Ausgang einer Rechenschaltung (22) führt sowie der dritte Anfangswertsetzeingang des Kalman-Filters dritter Ordnung (20) mit dem Ausgang einer Endwertbestimmungsschaltung (23) verbunden ist, deren zweiter Ausgang am Eingang der Rechenschaltung (22) anliegt,

- mehrere Eingänge der Endwertbestimmungsschaltung (23) mit den Ausgängen des Kalman-Filters dritter Ordnung (20) verbunden sind,

- der dritte Ausgang der Endwertbestimmungsschaltung (23) mit dem ersten Eingang eines zweiten Differenzverstär­kers (24) und der zweite Eingang des zweiten Differenz­verstärkers (24) mit dem Ausgang eines zweiten Festwert­speichers (25) verbunden sind und

- der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (24) über eine zweite Bewertungsschaltung (27) mit dem zweiten Erweiterungseingang der Anlagendosiervorrichtung (28) und dem Eingang einer Anzeigeeinheit (26) in Verbin­dung steht.

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