EP1264110B1

EP1264110B1 - Einrichtung zur steuerung eines hydraulischen aktuators

Info

Publication number: EP1264110B1
Application number: EP01903765A
Authority: EP
Inventors: Albert KÖCKEMANN
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: DE10012405A1; WO2001069094A1; US20030078697A1; DE50103399D1; EP1264110A1; US6901315B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators mit einem elektrisch betätigten Ventil, das den Druckmittelfluß zu und von dem Aktuator steuert, mit einem in das Gehäuse des Ventils integrierten oder an diesem in einem eigenen Gehäuse gehaltenen Regler für die Position des Ventilkolbens.

Ein derartige Einrichtung mit einem elektrisch betätigten hydraulischen Ventil ist aus der DE 195 30 935 C2 bekannt. Ein Wegaufnehmer für die Position des Ventilkolbens formt die Position des Ventilkolbens in ein elektrisches Signal um, das einem Positionsregler als Istwert zugeführt ist. Der Regler für die Position des Ventilkolbens ist in einem eigenen Gehäuse angeordnet, das an dem Gehäuse des Ventils gehalten ist. Der Regler sorgt dafür, daß der Ventilkolben einem Positions-Sollwert folgt, der dem Regler als elektrische Eingangsgröße, z. B. in Form einer Spannung, zugeführt ist. Dabei bestimmt die Position des Ventilkolbens die Größe des Durchlaßquerschnitts des Ventils. Mit derartigen Ventilen wird der Druckmittelfluß zu und von einem Aktuator, z. B. einem hydraulischen Zylinder, gesteuert.

Aus der Druckschrift RD 30 131-P/10.99 "HNC 100 Serie 2X" der Mannesmann Rexroth AG ist eine digitale Reglerbaugruppe für elektromechanische und elektrohydraulische Antriebe bekannt. Mit einer derartigen Reglerbaugruppe können bis zu zwei unterschiedliche Antriebe unabhängig voneinander geregelt werden. Die Reglerbaugruppe ist für den Einbau in einem Schaltschrank vorgesehen. Vorzugsweise werden mehrere dieser Baugruppen gemeinsam in einem Schaltschrank montiert. Von dort aus führen elektrische Signalleitungen für die Übertragung von Sollwerten zu dem Antrieb und weitere Signalleitungen, die für die Übertragung von Istwerten dienen, von dem Antrieb zurück zu den in dem Schaltschrank angeordneten Reglerbaugruppen. Im Fall von elektrohydraulischen Antrieben liefern die Reglerbaugruppen den Sollwert für die Position des Ventilkolbens eines elektrisch betätigten hydraulischen Ventils, das den Druckmittelfluß zu und von einem hydraulischen Aktuator steuert. Von dem Antrieb werden verschiedene Istwerte, wie die Position des Ventilkolbens oder die Drücke im Bereich der Ausgangsanschlüsse des Ventils, an die Reglerbaugruppe zurückgeführt. Dies führt zu einem nicht unerheblichen schaltungstechnischen Aufwand. Dazu kommt, daß aufgrund der Vielzahl elektrischer Leitungen, die in dem Schaltschrank anzuschließen sind, die Gefahr von Fehlschaltungen bei der Montage und bei der Inbetriebnahme besteht.

Der Artikel "Proportionalventile mit Feldbusschnittstelle", erschienen in "Ölhydraulik und Pneumatik, Krausskopf Verlag, Vol. 43, Nr.8, Seiten 602-606", offenbart ein Ventil mit integrierter digitater Regelung und Steuereinheit (Mikrokontroller), die eine eingebaute Busankopplung besitzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die kostengünstig in Steuerungs- und Regelungssystemen mit mehreren elektrohydraulischen Antrieben einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten. Merkmale gelöst. Durch die Integration der Baugruppen für die Steuerung des Antriebs in das hydraulische Ventil verringert sich der Aufwand für die Verkabelung, insbesondere verkürzt sich die Länge der Signalleitungen von den Sensoren für die Zustandsgrößen des Antriebs. Gleichzeitig verringert sich der im Schaltschrank erforderliche Platzbedarf, da dort nur noch Platz für die Aufnahme der übergeordneten Steuerung benötigt wird. Darüber hinaus ist es möglich, den Antrieb für eine Achse als Gesamtsystem zusammenzustellen und vorzuprüfen. Da an dieses beim Einbau, z. B. in eine werkzeugmaschine, nur noch die Versorgungsleitungen anzuschließen sind, verringern sich die Kosten der Inbetriebnahmekosten deutlich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Durch die Ausbildung der elektronischen Steuerung als frei programmierbare Ablaufsteuerung ergibt sich eine hohe Flexibilität. Durch Schnittstellen zu einem lokalen Bussystem, an das weitere gleich aufgebaute Einrichtungen anschließbar sind, können diese untereinander vernetzt werden. Diese Vernetzung erlaubt einen allgemeinen Datenaustausch zwischen mehreren Antrieben, z. B. zur Realisierung von Gleichlaufregelungen. Durch das lokale Bussystem ergibt sich ein modular skalierbares Automatisierungskonzept. Schnittstellen zu einem globalen Bussystem, z. B. einem Feldbussystem, erlauben eine Kommunikation mit übergeordneten Steuerungen. Hierfür geeignete Feldbussysteme sind z. B. unter den Bezeichnungen PROFIBUS-DB, INTERBUS-S und CAN bekannt. Die übergeordnete Steuerung ist als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder als PC ausgebildet. Sie gibt z. B. die Sollwerte der geregelten Größen des Bewegungsablaufs des Aktuators vor. In Form von unterlagerten Regelkreisen ist eine Regelung des Drucks des dem Aktuator zuge-Eührten Druckmittels allein oder in Verbindung mit einer Regelung der Menge des dem Aktuator zugeführten Druckmittels möglich. Die Ausbildung des Reglers für die für die Bewegung des Aktuators repräsentative Größe als mikroprozessorgesteuerter digitaler Regler erlaubt die Realisierung unterschiedlichster Algorithmen. Dabei ist eine Änderung der Regelparameter auch während des laufenden Betriebs möglich. Durch die Anordnung der Bauteile der Schnittstellen für die Busankopplung auf einer gesonderten Platine, die durch eine Steckverbindung auf einer Grundplatine gehalten ist, ist eine einfache Anpassung der Einrichtung an verschiedene Bussysteme möglich.

Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Figur 1: die Ansicht eines hydraulischen Ventils mit einem an diesem gehaltenen Gehäuse zur Aufnahme einer elektrischen Schaltung in teilweise geschnittener Darstellung,
Figur 2: das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators, die eingangsseitig an zwei Bussysteme und ausgangsseitig an einen Gleichgangzylinder angeschlossen ist und
Figur 3: eine schematische Darstellung von drei erfindungsgemäßen Einrichtungen, die an ein lokales und an ein globales Bussystem angeschlossen sind.

Die Figur 1 zeigt die Ansicht einer Einrichtung 10 zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators. An einem hydraulischen Ventil 11 ist ein Gehäuse 12 gehalten. Das Ventil 11 ist von der Seite gesehen dargestellt. Das Ventil 11 steuert den Druckmittelfluß von einer Pumpe zu einem hydraulischen Aktuator und von diesem zurück zu einem Tank. In dem Ausführungsbeispiel ist der Aktuator ein hydraulischer Zylinder, der in den Figuren 2 und 3 als Gleichgangzylinder 13 dargestellt ist. Alternativ kann als Aktuator ein Differentialzylinder oder ein Hydromotor dienen. Die hydraulischen Anschlüsse des Ventils 11 sind mit P für den Pumpenanschluß, mit T für den Tankanschluß sowie mit A und B für die Anschlüsse des Gleichgangzylinders 13 bezeichnet. In das Gehäuse 12 ragt ein Wegaufnehmer 14 für die Position x des Ventilkolbens. Der Wegaufnehmer 14 formt die Position x des Ventilkolbens in ein elektrisches Signal xi um, das einem in der Figur 2 dargestellten Regler 15 als Istwert zugeführt ist. Die Bauteile des Reglers 15 sind zusammen mit einem weiter unten im Zusammenhang mit der Figur 2 näher beschriebenen Regler 16 für die Position s der Kolbenstange des Gleichgangzylinders 13 auf einer Platine 17 angeordnet, die in dem Gehäuse 12 gehalten ist. An der Platine 17 ist eine zweite Platine 18 über Steckverbindungen 19 und 20 gehalten. Die Steckverbindungen 19 und 20 dienen sowohl zur elektrischen Verbindung von Leiterbahnen der Platine 17 mit Leiterbahnen der Platine 18 als auch zur mechanischen Verbindung der Platinen 17 und 18. Wie im Folgenden anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben ist, trägt die Platine 18 Schnittstellen, über die die Einrichtung 10 an zur Signalübertragung dienende Bussysteme ankoppelbar ist. Durch einen Austausch der Platine 18 ist eine einfache Anpassung der Einrichtung 10 an unterschiedliche Bussysteme möglich.

Die Figur 2 zeigt das Blockschaltbild der in der Figur 1 dargestellten Einrichtung 10 zur Steuerung des Gleichgangzylinders 13. Dabei sind für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in der Figur 1 verwendet. Dem Regler 15 für die Position x des Ventilkolbens des Ventils 11 sind das Ausgangssignal xi des Wegaufnehmers 14 als Istwert und ein Sollwert xs als Eingangssignale zugeführt. Die Endstufe des Reglers 15 führt den Spulen 11a und 11b des Ventils 11 die Ströme ia bzw. ib zu, die als Stellgröße dienen und den Ventilkolben entsprechend der Regelabweichung und dem Übertragungsverhalten des Reglers 15 derart auslenken, daß der Ventilkolben die durch das Signal xs vorgegebene Position einnimmt. Damit der Istwert der Position des Ventilkolbens möglichst schnell seinem Sollwert folgt, ist der Regler 15 als analoger Regler ausgebildet. Die Anschlüsse A und B des Ventils 11 sind über hydraulische Leitungen 21 bzw. 22 mit dem Gleichgangzylinder 13 verbunden. Die Kolbenstange des Gleichgangzylinders 13 ist mit einem Wegaufnehmer 23 versehen, der die Position der Kolbenstange in ein elektrisches Signal si umformt. Das Signal si ist dem Regler 16 als Positions-Istwert zugeführt. Durch Differenzieren des Signals xi erhält man bei Bedarf den für eine Geschwindigkeitsregelung benötigten Istwert der Geschwindigkeit der Kolbenstange des Gleichgangzylinders 13. Ein Drucksensor 24 erfaßt den Druck im Bereich des Anschlusses A des Ventils 11 und führt einer Rechenschaltung 25 ein diesem Druck entsprechendes Signal pA zu. Ein weiterer Drucksensor 26 erfaßt den Druck im Bereich des Anschlusses B des Ventils 11 und führt der Rechenschaltung 25 ein diesem Druck entsprechendes Signal pB zu. Zusätzlich zu den Signalen pA und pB ist der Rechenschaltung 25 der Istwert xi der Position des Ventilkolbens zugeführt. Die Rechenschaltung 25 bildet aus der gewichteten Druckdifferenz der Signale pA und pB einen Druck-Istwert pi, der auch ein Maß für die auf die Kolbenstange des Gleichgangzylinders 13 wirkenden Kraft ist. Das Signal pi ist dem Regler 16 z. B. als Istwert eines unterlagerten Druckregelkreises zugeführt. Sofern gewünscht, bildet die Rechenschaltung 24 aus den Signalen pA, pB und xi zusätzlich einen Mengen-Istwert Qi. Dieses Signal ist dem Regler 16 als Istwert eines unterlagerten Mengenregelkreises zugeführt. Eine hier nicht näher dargestellte Auswahlschaltung sorgt dafür, daß entweder der Druckregelkreis oder der Mengenregelkreis wirksam ist. Der Regler 16 ist als mikroprozessorgesteuerter digitaler Regler ausgeführt. Er ist daher in der Lage, zusätzlich zu den Algorithmen der Positionsregelung der Kolbenstange des Gleichgangzylinders 13 die Algorithmen der Druck- oder Mengenregelung des dem Gleichgangzylinders 13 zugeführten Druckmittels abzuarbeiten. Anstelle der beschriebenen Positionsregelung ist auch eine Geschwindigkeitsregelung, eine Kraftregelung oder eine Druckregelung mit dem digitalen Regler 16 realisierbar.

Als Sollwert für den Regler 16 dient das Ausgangssignal einer elektronischen Steuerung 27. Bei der Steuerung 27 handelt es sich um eine frei programmierbare Ablaufsteuerung mit NCund/oder SPS-Funktionalität. Dabei ist NC die bei Maschinensteuerungen gebräuchliche Bezeichnung für "numeric control" und SPS die gebräuchliche Bezeichnung für "speicherprogrammierbare Steuerungen", für die im englischen Sprachraum auch die Bezeichnung PLC für "programmable logic controls" verwendet wird. Die Programmierung der Ablaufsteuerung kann anwenderseitig erfolgen. Durch die Unabhängigkeit des Anwenders beim Programmieren von dem Hersteller ergibt sich eine sehr hohe Flexibilität der erfindungsgemäßen Einrichtung. Vor allem aber bleibt auf diese Weise das Prozeß-Know-how des Anwenders geschützt. Die Steuerung 27 weist eine erste Schnittstelle 30 zu einem lokalen Bussystem 31 auf. Mit diesem Bussystem sind - wie in der Figur 3 dargestellt - weitere Einrichtungen 10', 10" zur Steuerung jeweils eines weiteren Gleichgangzylinders 13', 13" verbunden. Die Steuerung 27 weist eine Schnittstelle 32 zu einem globalen Bussystem 33 auf, über das die Einrichtung 10 mit einer in der Figur 3 dargestellten übergeordneten Steuerung 34 verbunden ist. Die Schnittstellen 30 und 32 sind auf der in der Figur 1 dargestellten Platine 18 angeordnet. Durch einen Austausch der Platine 18 läßt sich die Einrichtung 10 auf einfache Weise mit unterschiedlichen Bussystemen verbinden.

Die Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung die Einrichtung 10 sowie zwei weitere gleichartig aufgebaute Einrichtungen 10' und 10". An die Einrichtungen 10, 10', 10" sind ausgangsseitig je ein Gleichgangzylinder 13, 13' bzw. 13" angeschlossen. Eingangsseitig sind die Einrichtungen 10, 10', 10" an das lokale Bussysstem 31 und an das globale Bussystem 33 angeschlossen. Das lokale Bussystem 31 ist beispielsweise ein CAN-Bus. Er verbindet die Einrichtungen 10, 10', 10" sowie ggf. weitere - hier nicht dargestellte - gleichartige Einrichtungen miteinander. Es erlaubt den Austausch von Daten zwischen mehreren Antrieben. Über diesen Datenaustausch lassen sich z. B. Gleichlaufregelungen der Kolbenstangen der Gleichgangzylinder 13, 13', 13" realisieren. Das globale Bussystem 33 verbindet die Einrichtungen 10, 10', 10" mit der übergeordneten Steuerung 34. Es dient zur Kommunikation der einzelnen Einrichtungen 10, 10', 10" mit der übergeordneten Steuerung 34. Diese ist in der Figur 3 als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) dargestellt, sie kann aber auch durch einen PC realisiert sein. Die übergeordnete Steuerung 34 gibt z. B. die Sollwerte der geregelten Größen des Bewegungsablaufs des Aktuators vor. Bei den geregelten Größen des Bewegungsablauf des Aktuators handelt es sich z. B. um die Position s der Kolbenstange des Gleichgangzylinders 13 oder um ihre Geschwindigkeit oder um die auf die Kolbenstange des Gleichgangzylinders 13 wirkende Kraft. Über das globale Bussystem 33 können der übergeordneten Steuerung 34 die verschiedenen Istwerte des Antriebs, wie xi, si, pi, Qi, z. B. zu Überwachungswecken zugeführt werden.

In der Figur 1 ist ein gesondertes Gehäuse 12 zur Aufnahme der Platinen 17 und 18, die die elektronischen Schaltungen tragen, an dem Ventil 11 gehalten. Es ist aber auch möglich, das Gehäuse des Ventils so auszubilden, daß die die elektronischen Schaltungen tragenden Platinen 17 und 18 direkt in dem Gehäuse des Ventils gehalten sind. In diesem Fall ist es vorteilhaft, in dem Gehäuse des Ventils Trennwände vorzusehen, die verhindern, daß Druckmittel in den Bereich gelangt, in dem die Platinen gehalten sind.

Claims

Einrichtung zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators mit einem elektrisch betätigten Ventil, das den Druckmittelfluß zu und von dem Aktuator steuert, mit einem in das Gehäuse des Ventils integrierten oder an diesem in einem eigenen Gehäuse gehaltenen Regler für die Position des Ventilkolbens, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (16) für eine für die Bewegung des Aktuators (13) repräsentative Größe (s) sowie eine elektronische Steuerung (27) für den Bewegungsablauf des Aktuators (13) in demselben Gehäuse (12) wie der Regler (15) für die Position (x) des Ventilkolbens angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung (27) eine frei programmierbare Ablaufsteuerung mit NC- und/oder SPS-Funktionalität ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung (27) eine Schnittstelle (30) zu einem lokalen Bussystem (31) aufweist, an das weitere Einrichtungen (10', 10") zur Steuerung von jeweils einem weiteren Aktuator (13', 13") anschließbar sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung (27) eine Schnittstelle (32) zu einem globalen Bussystem (33) aufweist, über das die Einrichtung (10) mit einer übergeordneten Steuerung (34) verbindbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die übergeordnete Steuerung (34) eine speicherprogrammierbare Steuerung ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die übergeordnete Steuerung (34) durch einen PC erfolgt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (11) mit zwei Drucksensoren (24, 26) versehen ist, die die Drücke (pA, pB) im Bereich der Ausgangsanschlüsse (A, B) des Ventils (11) erfassen, daß die Ausgangssignale (pA, pB) der Drucksensoren (24, 26) einer Rechenschaltung (25) zugeführt sind, die die ihr zugeführten Signale (pA, pB) zu einem Druck-Istwert (pi) für die Druckregelung verknüpft, und daß die Rechenschaltung (25) in demselben Gehäuse (12) wie der Regler (15) für die Position (x) des Ventilkolbens angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Positions-Istwert (xi) der Rechenschaltung (25) zugeführt ist und daß die Rechenschaltung (25) die ihr zugeführten Signale (pA, pB, xi) zu einem Mengen-Istwert (Qi) für die Mengenregelung des Druckmittels verknüpft.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (16) für die für die Bewegung des Aktuators (13) repräsentative Größe (s) als mikroprozessorgesteuerter digitaler Regler ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte (ss) für die geregelten Größen (s) des Bewegungsablaufs des Aktuators (13) durch digitale Steuersignale einstellbar sind, die der Einrichtung (10) über das globale Bussystem (33) zugeführt sind.
Einrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4 in Verbindung mit einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile der elektronischen Steuerung (27) auf einer ersten Platine (17) angeordnet sind, daß die Bauteile der Busankopplung (30, 32) auf einer weiteren Platine (18) angeordnet sind und daß die weitere Platine (18) über eine Steckverbindung (19, 20) an der ersten Platine (17) gehalten ist.