WO2010136255A1 - Digitalhydraulischer regler - Google Patents

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WO2010136255A1
WO2010136255A1 PCT/EP2010/054795 EP2010054795W WO2010136255A1 WO 2010136255 A1 WO2010136255 A1 WO 2010136255A1 EP 2010054795 W EP2010054795 W EP 2010054795W WO 2010136255 A1 WO2010136255 A1 WO 2010136255A1
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valve
digital hydraulic
controller
valve element
valve elements
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PCT/EP2010/054795
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Arto Ikonen
Eero Suomi
Ville Hopponen
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Metso Paper, Inc.
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Publication date
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    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/87917—Flow path with serial valves and/or closures

Definitions

  • the invention relates to a controller which is particularly useful in a hydraulic system for a machine for making a fibrous web, e.g. a paper or board machine, is usable.
  • actuators are hydraulically driven, with which large forces can be set and exercised with high accuracy.
  • a working fluid e.g. Hydraulic oil used
  • a pump which pressurizes the working fluid
  • a hydraulic actuator e.g. a hydraulic cylinder or hydraulic motor
  • a proportional control valve or proportional valve which may be electrically, hydraulically, or pneumatically driven.
  • Such a control valve has a displaceable or shiftable spool or spool which, in response to its location in an associated valve housing, can set a desired pressure at the outlet by adjusting the pressure downshifted by the pump supplied hydraulic oil.
  • the mobility of the control piston in the valve housing necessarily requires a certain clearance or gap between the control piston and valve housing, so that an internal leakage of the control valve is unavoidable.
  • the gap size must not be too narrow, otherwise the valve would be too susceptible to contamination in the hydraulic oil.
  • a digital hydraulic pressure regulator consists of a series of valves connected in parallel, which have only ON / OFF functions; So simple ON / OFF switching valves are that allow or interrupt a flow and can be consistently referred to in this application as valves.
  • the valves are all connected to a common supply line on the one hand and to a common output line on the other.
  • the valves themselves may be conventional solenoid valves, ie valves with electromagnetic drive. Of course, other forms of drive can be chosen.
  • valve elements which have a switching valve function and a rigid throttle function
  • the representation of the control curve is done by switching suitable combinations of the valve elements at the same time. If a single valve element stops working, the accuracy of the control decreases but the control function remains.
  • the object of the invention is to propose a digital hydraulic controller which ensures a high control precision even with failure of a valve element with simple means.
  • valve elements with low flow rates ie the small flow cross-sections, are of decisive importance for the precision of the control and that these valve elements are also those valve elements which are most frequently actuated.
  • a digital hydraulic controller has at least two valve element rows, of which one valve element row can connect a supply line to a controller output and the other valve element row can connect the controller output to an outlet line.
  • the valve elements of each valve element series are connected in parallel and can be switched individually or in different combinations with each other at the same time. At least some of the valve elements of a valve element row have a different flow cross section.
  • at least the valve element of each valve element row, which has the smallest flow cross-section is double in the valve element row. In this way, it is ensured that in the case of failure of the valve element with the smallest flow cross section by redundancy of this function, a consistent control quality is maintained.
  • valve elements actually have slightly different flow cross-sections or pass through different flows. These differences can be exploited in a digital hydraulic controller to the effect that when selecting a switching combination of valve elements for a controller intervention, the more suitable of the two valve elements smallest flow is selected. This allows the regulation to be further refined.
  • the valve elements are composed of an electromagnetic switching valve and a throttle provided on the valve.
  • the throttles can be made by simple bores and can then be combined with always the same valves. In this way, the elements that have moving parts and thus are susceptible to interference, always the same. This makes both the construction cheaper and simplifies the stocking of spare parts.
  • valve elements are combined with different flow cross-sections within a series of valve elements so that they have a step by step from valve element to valve element increasing flow cross-section.
  • the flow cross-section is doubled from stage to stage.
  • the flow cross sections form a binary row in which the smallest flow cross-section is 1 and the other flow cross-sections 2, 4, 8 and 16 and so on.
  • the digital hydraulic controller according to the invention is preferably designed such that switching valves and throttles are designed and suitable for use with liquids, in particular for hydraulic oil; Alternatively, switching valves and throttles for use with gases, in particular for compressed air, designed and suitable.
  • the switching valves may be electromagnetically driven valves.
  • the controller may be connected to a control unit which controls the switching valves or the switching valve combinations to open, wherein the controller can control the controller as a pressure regulator or as a flow regulator.
  • the invention is applicable to a system unit with a differential cylinder and a digital hydraulic controller, in which the regulator has four rows of valve elements, two of which with their common regulator output with a cylinder-side pressure chamber of the
  • Differential cylinders are connected, while the other two valve element rows are connected with their common regulator output to a piston rod-side pressure chamber of the differential cylinder.
  • a flow sensor can be arranged in a line leading from the controller output to the cylinder-side pressure chamber.
  • the flow sensor can be used as a position sensor, as will be described later.
  • a differential cylinder i. a double-acting hydraulic cylinder with two each bounded by a piston side chambers
  • force generated only the pressure in one chamber of the cylinder, while in the other chamber ambient pressure or the pressure in the storage tank (tank pressure) prevails.
  • the pressure in the piston-side chamber is increased, otherwise, if the cylinder is to "pull” (eg, retract the piston rod), the pressure in the rod-side chamber is increased ,
  • control In the case of a load change from push to pull or vice versa, the control necessarily passes through a state (dead area) in which no force is exerted by the cylinder, in which state both chambers have tank pressure. In this condition both chambers are connected to the tank and the piston is in a sense loose or free.
  • the controller can be designed so that the pressures select so that the higher of the two chamber pressures is only slightly below the supply pressure. As a result, regardless of the forces to be generated, regulation is always carried out in the area of best control precision.
  • This digital hydraulic technique can also be used to adjust the aperture of a headbox nozzle (slot nozzle) in a paper or board machine.
  • the adjustment of the diaphragm which is to ensure a uniform material outlet from the nozzle slot of a headbox in the CD direction, is carried out by means of electric spindle drives.
  • These actuators equipped with stepper motors and a suitable gearbox, are mounted close to each other (approximately every 75 to 150 mm) along the diaphragm and the slot width of the slot nozzle is adjusted by locally (slightly) bending the lower edge of the diaphragm towards the lower edge of the slot nozzle ,
  • the piston rod is connected to a position sensor to obtain an accurate adjustment value for the piston position.
  • LVDT Linear Variable Differential Transformer
  • Other sensor types can be used.
  • a force can also be used as a feedback variable.
  • a simple digital hydraulic controller with two to two valve elements can be provided, which adjusts the pressures in the two pressure chambers, feedback the actual position, so that the orifice adjusts the desired slot width. It is possible to equip each differential cylinder with its own valve elements.
  • Fig. 1 is an arrangement of such
  • Differential cylinder for aperture adjustment shown schematically with only one cylinder.
  • the differential cylinder 1 has two pressure chambers 11 and 12.
  • the piston rod of the cylinder 1 is fixedly coupled to a diaphragm 6 and the cylinder 1 is effective to move the diaphragm 6 in Fig. 1 up and down to adjust.
  • Lines 21 and 22 are connected to the associated pressure chambers 11 and 12 and connected to a pressure regulator 2, which is a digital hydraulic controller, the has been previously described in detail.
  • a control unit 3 receives as information a position signal x, which is output from a position sensor (not shown), and the two pressures in the chambers 11 and 12. Further influencing variables on the desired chamber pressures or the desired position of the piston rod (or the diaphragm) can result from calculations, other specifications or measurands etc. Following these instructions of the control unit 3, the pressure regulator 2 then sets the desired pressures in the chambers 11 and 12.
  • Fig. 1 nor a supply unit 4 with pump and tank for the working fluid and reference numeral 5 shows a pressure accumulator.
  • a pump 10 supplies working fluid to two pressure regulators 2 each connected to a differential cylinder 1 via a flow meter 51 which measures the volume flow of working fluid supplied by the pump 10 to the system.
  • the delivery pressure of the pump 10 and possibly the temperature are detected at the measuring point 14.
  • Flowmeter 52 detect the flow of working fluid into the cylinder-side pressure chamber of the respective cylinder 1.
  • the measuring points 19 provide measurements of the pressures and possibly temperatures in the pressure lines to the cylinders 1.
  • the loss-free operation of the digital hydraulic pressure regulator 2 corresponds to the detected by the flow meters 52 amount of working fluid actually present in the respective cylinder-side pressure chambers, which is a reliable measure of the Piston position is.
  • Moving heavy loads such as Rolling in a paper machine
  • two hydraulic cylinders 1 is always a synchronization problem of the movement of the two piston rods.
  • the result of the flow measurements is a position sensor for the piston position, with the flow meters 52 should measure accurately.
  • gear systems are used that are relatively accurate.
  • the flow measurement with the flow meter 51 in the supply line provides a further measured value, which can be used for the plausibility check of the results of the flow meter 52 for the pressure chambers.
  • the absolute value for the piston position can also be slightly faulty, but it can be the two measured values (each for a cylinder 1), which are detected simultaneously and thereby exposed to the same external influences, hints on how synchronously The two pistons move, or whether the movements deviate from each other in an impermissibly strong manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen digitalhydraulischen Regler (2) mit mindestens zwei Ventilelementreihen, von denen die eine Ventilelementreihe eine Versorgungsleitung mit einem Reglerausgang verbinden kann und die andere Ventilelementreihe den Reglerausgang mit einer Auslassleitung verbinden kann. In dem Regler (2) sind die Ventilelemente jeder Ventilelementreihe parallel angeschlossen und einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander gleichzeitig schaltbar. Die Ventilelemente einer Ventilelementreihe haben einen jeweils anderen Strömungsquerschnitt. Erfindungsgemäß ist das Ventilelement, das den kleinsten Strömungsquerschnitt hat, in der Ventilelementreihe doppelt vorhanden. Es ist ferner eine Systemeinheit mit einem Differentialzylinder (1) und einem digitalhydraulischen Regler (2) beschrieben, der vier Ventilelementreihen hat, von denen zwei mit ihrem gemeinsamen Reglerausgang mit der einen Druckkammer des Differentialzylinders verbunden sind, während die beiden anderen Ventilelementreihen mit ihrem gemeinsamen Reglerausgang mit der anderen Druckkammer des Differentialzylinders (1) verbunden sind. Durch die unabhängige Einstellung der Drücke in den beiden Druckkammern ist der Differentialzylinder als präzise einstellbares Linearstellglied verwendbar.

Description

Digitalhydraulischer Regler Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Regler, der insbesondere in einem Hydrauliksystem für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, z.B. eine Papier- oder Kartonmaschine, verwendbar ist.
In Papiermaschinen wird verbreitet Hydraulik als Betätigungs- und Steuerungsmittel eingesetzt; insbesondere werden Stellglieder hydraulisch angetrieben, mit denen große Kräfte mit hoher Genauigkeit eingestellt und ausgeübt werden können.
In der Regel wird ein Arbeitsfluid, z.B. Hydrauliköl verwendet, das von einer Pumpe unter Druck gesetzt wird. Die Einleitung des unter Druck stehenden Hydrauliköls in ein hydraulisches Stellglied, wie z.B. einen Hydraulikzylinder oder einen Hydraulikmotor wird typischerweise durch ein proportionales Steuerventil oder Proportionalventil gesteuert, das elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben sein kann.
Ein solches Steuerventil hat einen verschieb- oder verlagerbaren Steuerschieber oder Steuerkolben, der in Antwort auf seine Lage in einem zugehörigen Ventilgehäuse einen Solldruck am Ausgang einstellen kann, indem der Druck von der Pumpe gelieferten Hydrauliköls heruntergeregelt wird. Die Beweglichkeit des Steuerkolbens im Ventilgehäuse erfordert zwingend ein gewisses Spiel oder Spaltmaß zwischen Steuerkolben und Ventilgehäuse, so dass eine innere Leckage des Steuerventils unvermeidbar ist. Das Spaltmaß darf nicht zu eng gewählt werden, denn sonst würde das Ventil zu anfällig gegen Verschmutzungen im Hydrauliköl .
In letzter Zeit wurden alternative Druckregler entwickelt, die in dieser Anmeldung durchgängig als digitalhydraulische Druckregler bezeichnet werden sollen. Werden solche digitalhydraulischen Druckregler als Druckminderer eingesetzt, werden diese in der vorliegenden Anmeldung durchgehend als digitalhydraulische Druckminderer bezeichnet .
Die Arbeitsweise der digitalhydraulischen Druckregler bzw. Druckminderer ist beispielsweise in der Zeitschrift Fluid Nr. 7-8, 2008 Seiten 12,13 beschrieben. Der verbesserten Lesbarkeit dieser Anmeldung halber wird die Arbeitsweise digitalhydraulischer Druckregler nochmals kurz zusammengefasst dargestellt:
Ein digitalhydraulischer Druckregler besteht im einfachen Fall aus einer Reihe parallel geschalteter Ventile, die lediglich AUF/ZU Funktion besitzen; also einfache EIN/AUS- Schaltventile sind, die einen Durchfluss zulassen oder unterbrechen und in dieser Anmeldung durchgängig als Ventile bezeichnet werden können. Die Ventile sind alle mit einer gemeinsamen Zuführleitung einerseits und mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung andererseits verbunden. Die Ventile selbst können herkömmliche Solenoidventile, d.h. Ventile mit elektromagnetischem Antrieb sein. Natürlich können auch andere Antriebsformen gewählt werden. Durch Anschluss oder Einbau von Drosselelementen bzw. durch die Ventile selbst ist dafür gesorgt, dass die Ventile unterschiedliche Durchflüsse haben, wenn sie geöffnet sind. Wenn beispielsweise vier Ventile vorgesehen sind, so können die Durchflussraten Q in den einzelnen, jeweils von dem zugehörigen Ventil wahlweise freigebbaren Durchlässen im Verhältnis von 1:2:4:8 zueinander stehen; bei einer größeren Anzahl von Ventilen wird diese Reihe entsprechend fortgesetzt .
Durch Öffnen und Schließen einzelner Ventile bzw. Ventilkombinationen, die auf der Basis von mathematischen Modellen von einem Rechner bestimmt und ausgewählt werden, kann nun eine sehr rasche und präzise Druckeinstellung in der Ausgangsleitung bzw. in dem daran angeschlossenen Stellglied erreicht werden. Dies wird erreicht, indem die analoge Regelkurve des eingangs geschilderten proportionalen Steuerventils durch eine digital erstellte (angenäherte) Regelkurve ersetzt wird. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von Nichtlinearitäten und/oder Hysterese des analogen Proportionalventils eine stufenförmig angenäherte Gerade sein, die es erlaubt, einen Regelpunkt schnell und (nahezu) überschwingungsfrei anzufahren.
In den Druckreglern der genannten Art sind mehrere Ventile (nachfolgend als Ventilelemente bezeichnet, die eine Schaltventilfunktion und eine starre Drosselfunktion haben) unabhängig voneinander betätigbar. Die Darstellung der Regelkurve erfolgt durch Schalten geeigneter Kombinationen der Ventilelemente zur gleichen Zeit. Wenn ein einzelnes Ventilelement nicht mehr funktioniert, nimmt die Genauigkeit der Regelung zwar ab, die Regelungsfunktion bleibt aber erhalten. Aufgabe der Erfindung ist es, einen digitalhydraulischen Regler vorzuschlagen der mit einfachen Mittels eine hohe Regelungspräzision auch bei Ausfall eines Ventilelements sicherstellt .
Diese Aufgabe wird mit einem digitalhydraulischen Regler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es wurde gefunden, dass Ventilelemente mit geringen Durchflüssen, also den kleinen Strömungsquerschnitten, für die Präzision der Regelung von ausschlaggebender Bedeutung sind und dass diese Ventilelemente auch jene Ventilelemente sind, die mit am häufigsten betätigt werden.
Dies wurde als besonderes Beispiel bei der Regelung der Linienlast in einem mit Hydraulikzylindern betätigten Walzenspalt eines Kalanders untersucht und die Aussage, dass die Ventilelemente mit den geringen Durchflüssen, also den kleinen Strömungsquerschnitten, für die Präzision der dieser Regelung von ausschlaggebender Bedeutung sind, wurde bestätigt .
Erfindungsgemäß hat ein digitalhydraulischer Regler mindestens zwei Ventilelementreihen, von denen die eine Ventilelementreihe eine Versorgungsleitung mit einem Reglerausgang verbinden kann und die andere Ventilelementreihe den Reglerausgang mit einer Auslassleitung verbinden kann. Die Ventilelemente jeder Ventilelementreihe sind parallel angeschlossen und einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander gleichzeitig schaltbar. Mindestens einige der Ventilelemente einer Ventilelementreihe haben einen jeweils anderen Strömungsquerschnitt. Erfindungsgemäß ist mindestens das Ventilelement jeder Ventilelementreihe, das den kleinsten Strömungsquerschnitt hat, in der Ventilelementreihe doppelt vorhanden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass im Fall des Versagens des Ventilelements mit dem kleinsten Strömungsquerschnitt durch Redundanz dieser Funktion eine gleichbleibende Regelungsqualität erhalten bleibt.
Die getroffene Anordnung hat zudem den Vorteil, dass erfahrungsgemäß auch nominell baugleiche Ventilelemente tatsächlich geringfügig verschiedene Strömungsquerschnitte haben bzw. verschiedene Durchflüsse durchlassen. Diese Unterschiede können in einem digitalhydraulischen Regler dahingehend genutzt werden, dass bei der Festlegung einer zu schaltenden Kombination von Ventilelementen für einen Reglereingriff, das geeignetere der beiden Ventilelemente kleinsten Durchflusses gewählt wird. Damit lässt sich die Regelung noch weiter verfeinern.
Vorzugsweise sind die Ventilelemente aus einem elektromagnetischen Schaltventil und einer an dem Ventil vorgesehenen Drossel zusammengesetzt. Die Drosseln können durch einfache Bohrungen hergestellt sein und können dann mit immer gleichen Ventilen kombiniert werden. Auf diese Weise sind die Elemente, die bewegte Teile haben und damit störanfälliger sind, immer gleich. Dies Macht sowohl den Aufbau preiswerter und vereinfacht die Bevorratung von Ersatzteilen .
Vorzugsweise sind innerhalb einer Ventilelementreihe die Ventilelemente mit verschiedenen Strömungsquerschnitte so zusammengestellt, dass sie einen von Ventilelement zu Ventilelement stufenweise zunehmenden Strömungsquerschnitt haben. Vorzugsweise ist der Strömungsquerschnitt von Stufe zu Stufe verdoppelt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung bilden die Strömungsquerschnitte eine binäre Reihe, in der kleinste Strömungsquerschnitt 1 beträgt und die anderen Strömungsquerschnitte 2, 4, 8 und 16 usw. betragen.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße digitalhydraulische Regler so gestaltet dass Schaltventile und Drosseln zum Einsatz mit Flüssigkeiten, insbesondere für Hydrauliköl, ausgelegt und geeignet sind; alternativ können Schaltventile und Drosseln zum Einsatz mit Gasen, insbesondere für Druckluft, ausgelegt und geeignet sein. Dabei können die Schaltventile elektromagnetisch angetriebene Ventile sein.
In Anwendung der Erfindung kann der Regler mit einem Steuergerät verbunden sein, das die Schaltventile oder die Schaltventilkombinationen zum Öffnen ansteuert, wobei das Steuergerät den Regler als Druckregler oder als Durchflussregler steuern kann.
Die Erfindung ist auf eine Systemeinheit mit einem Differentialzylinder und einem digitalhydraulischen Regler anwendbar, in der der Regler vier Ventilelementreihen hat, von denen zwei mit ihrem gemeinsamen Reglerausgang mit einer zylinderseitigen Druckkammer des
Differentialzylinders verbunden sind, während die beiden anderen Ventilelementreihen mit ihrem gemeinsamen Reglerausgang mit einer kolbenstangenseitigen Druckkammer des Differentialzylinders verbunden sind. In dieser Systemeinheit kann in einer vom Reglerausgang zur zylinderseitigen Druckkammer führenden Leitung ein Durchflusssensor angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann der Durchflusssensor als Positionssensor verwendet werden, wie später beschrieben wird. Besondere Vorteile zeigt dann eine Anordnung mit zwei solchen Systemeinheiten, in der jeder Differentialzylinder an einem Lagerpunkt einer an ihren beiden Enden gelagerten Walze angreift, wobei das Steuergerät die Signale der Durchflusssensoren als Positionsinformation des jeweiligen Walzenendes auswertet und die Bewegung der beiden Differentialzylinder auf der Grundlage dieser PositionsInformation synchronisiert .
Verschiedene Anwendungen des erfindungsgemäßen Reglers werden nachfolgend erläutert.
In der Regel wird zur Steuerung der von einem Differentialzylinder, d.h. einem doppeltwirkenden Hydraulikzylinder mit zwei jeweils von einer Kolbenseite begrenzten Kammern, erzeugten Kraft lediglich der Druck in einer Kammer des Zylinders eingestellt, während in der anderen Kammer Umgebungsdruck bzw. der Druck im Vorratstank (Tankdruck) herrscht.
Wenn der Zylinder „drücken" soll (z.B. die Kolbenstange ausgefahren werden soll), wird der Druck in der kolbenseitigen Kammer erhöht. Wenn andernfalls der Zylinder „ziehen" soll (z.B. die Kolbenstange eingezogen werden soll), wird der Druck in der stangenseitigen Kammer erhöht.
Im Falle eines Lastwechsels von Drücken zu Ziehen oder umgekehrt, durchläuft die Regelung zwingend einen Zustand (toten Bereich) in dem keine Kraft vom Zylinder ausgeübt wird, wobei in diesem Zustand beide Kammern Tankdruck haben. In diesem Zustand sind beide Kammern mit dem Tank verbunden und der Kolben ist gewissermaßen lose oder frei.
Wenn zudem ein großer Bereich von Kräften abzudecken ist, ist es schwierig, entsprechend feinfühlige Regelungen bereitzustellen, die eine genaue Regelung kleiner Kräfte sicherstellen .
Mit der Präzision einer digitalhydraulischen Druckregelung ist es möglich, beide Kammern des Differentialzylinders gleichzeitig mit Druck zu beaufschlagen und den Druck in den Kammern unabhängig voneinander zu regeln. Auf diese Weise ist es möglich, auch sehr kleine Kräfte, die der Hydraulikzylinder ausüben soll, einzustellen, indem beide Druckkammern auf einem hohen Druckniveau entsprechend eingestellte Druckdifferenzen haben, also die Krafteinstellung durch Gegendruck in der gegen die gewünschte Kraft arbeitenden Druckkammer erfolgt bzw. unterstützt wird.
Hinzu kommt noch der Vorteil, dass die Präzision der digitalhydraulischen Regelung besser ist, wenn der Eingangsdruck in den Regler und der Ausgangsdruck aus dem Regler ähnlich groß sind, d.h. wenn das Druckgefälle über den Regler klein ist. Dies bedeutet, dass der Druck in beiden Kammern in der Nähe des Versorgungsdrucks (Eingangsdruck des Reglers) gehalten werden kann, so dass das ein Ventilelement innerhalb von dessen minimaler Öffnungszeit durchströmendes Volumen klein wird, und somit gerade die feinfühlige Regelung im Bereich kleiner Änderungen verbessert ist. Um diesen positiven Effekt zu verstärken, kann das Steuergerät so ausgelegt werden, dass die Drücke so wählt, dass der höhere der beiden Kammerdrücke nur geringfügig unter dem Versorgungsdruck liegt. Dadurch wird unabhängig von den zu erzeugenden Kräfte stets im Bereich bester Regelungspräzision geregelt.
Durch die gleichzeitige Druckregelung in beiden Druckkammern ist ferner der Wechsel zwischen Drücken und Ziehen im Differentialzylinder erheblich besser steuerbar; es genügt, wenn lediglich durch Änderung des Drucks in einer Druckkammer die Gegenkraft passend erhöht oder vermindert wird, um so die Kraft der anderen Druckkammer zu überschreiten oder zu unterschreiten. Dadurch ergibt sich kein unkontrollierter Zustand mehr in dem beide Druckkammern mit dem Tank verbunden sind.
Eine typische Anwendung der digitalhydraulischen Regelungstechnik ist die Steuerung von Pressdrücken von Walzen und Regelung von Druckverläufen in einem Walzenspalt in Maschinenquerrichtung CD (CD = cross machine direction) .
Diese digitalhydraulische Technik kann auch verwendet werden um die Blende einer Stoffauflaufdüse (Schlitzdüse) in einer Papier- oder Kartonmaschine einzustellen. Üblicherweis erfolgt die Einstellung der Blende, die in CD- Richtung einen gleichmäßigen Stoffaustritt aus dem Düsenschlitz eines Stoffauflaufs sicherstellen soll, mittels elektrischen Spindelantrieben. Diese mit Schrittmotoren und einem passenden Getriebe ausgerüsteten Stellantriebe sind dicht an dicht (etwa alle 75 bis 150 mm) entlang der Blende angebracht und die Einstellung der Schlitzbreite der Schlitzdüse erfolgt durch lokales (geringfügiges) Verbiegen der Unterkante der Blende in Richtung auf die Unterkante der Schlitzdüse.
Durch die Präzision der Regelung, die mit der digitalhydraulischen Technik der eingangs geschilderten Art erreicht wird und weil diese Hydraulik einen einmal eingestellten Druck in einem Volumen einschließt und ohne weiteren Aufwand dann aufrecht erhält, ist es möglich, die Blendenverstellung mittels Differentialzylindern zu bewerkstelligen anstatt die bisher üblichen Spindelantriebe zu verwenden. Auf diese Weise lässt sich eine in der Konstruktion einfache und wartungsarme Blendenverstellung realisieren .
In dieser Lösung ist jeweils anstelle eines Spindeltriebs in einem üblichen Stoffauflaufkästen ein
Differentialzylinder vorgesehen, dessen Kolbenstange mit einem Weg- bzw. Positionssensor verbunden ist, um einen genauen Einstellwert für die Kolbenstellung zu erhalten. Als Positionssensoren können verschiedene Sensortypen verwendet werden; für die an einem Stoffauflauf herrschenden Umgebungsbedingungen ist ein sogenannter LVDT- Sensor (LVDT=Linear Variabler Differential Transformator) wegen seiner Robustheit besonders geeignet. Andere Sensortypen können verwendet werden. Für eine Regelung kann ferner auch eine Kraft als Rückkopplungsgröße verwendet werden .
Je nach Anforderungen an die Stellgeschwindigkeit und Stellgenauigkeit kann ein einfacher digitalhydraulischer Regler mit zweimal zwei bis drei Ventilelementen (Schaltventile mit Drossel) vorgesehen werden, der die Drücke in den beiden Druckkammern unter Rückkopplung der tatsächlichen Stellung so einstellt, dass die Blende die gewünschte Schlitzbreite einstellt. Es ist möglich, jeden Differentialzylinder mit seinen eigenen Ventilelementen auszurüsten .
Wenn die geforderten Stellzeiten dies zulassen, können aber auch Lösungen gewählt werden, in denen beispielsweise in einer Art Multiplexverfahren nur ein Regler vorhanden ist, der die Drücke für zwei Druckkammern in zwei zentralen Druckleitungen einstellen kann. Die einzelnen Differentialzylinder werden in diesem Multiplexverfahren nacheinander einzeln mit den zentralen Druckleitungen verbunden und die Solldrücke in den beiden Kammern dieses Differentialzylinders werden dann von dem zentralen Druckregler eingestellt. Dabei kann der individuelle Positionssensor eine Größe für die Einstellung liefern. Dann werden die beiden Kammern verschlossen und damit auch von den zentralen Leitungen getrennt. Auf diese Weise genügen zwei einfache Schaltventile für jeden Differentialzylinder und es kann mit sehr wenigen Leitungen ausgekommen werden.
Es sind auch Mischformen möglich, in denen Gruppen von Differentialzylindern im Multiplexverfahren einzeln oder auch gemeinsam in Überlagerung einer mechanischen (Vor) Einstellung verstellt werden können. Natürlich kann auch jedem Differentialzylinder ein eigener Regler zugeordnet sein.
Für die Druckversorgung genügt wegen der geringen Häufigkeit der Einstellung und wegen der kurzen Stellwege eine sehr kleine Pumpe, die zweckmäßigerweise mit einem Druckspeicher gekoppelt ist, so dass ein in etwa konstanter Eingangsdruck an dem Regler oder den Reglern ausreichend ist.
In Fig. 1 ist eine Anordnung eines solchen
Differentialzylinders zur Blendenverstellung schematisch mit nur einem Zylinder gezeigt.
Der Differentialzylinder 1 hat zwei Druckkammern 11 und 12. Die Kolbenstange des Zylinders 1 ist fest mit einer Blende 6 gekoppelt und der Zylinder 1 ist wirksam, um die Blende 6 in Fig. 1 auf- und abwärts zu verstellen.
Leitungen 21 und 22 sind mit den zugehörigen Druckkammern 11 und 12 verbunden und an einen Druckregler 2 angeschlossen, der ein digitalhydraulischer Regler ist, der zuvor ausführlich beschrieben worden ist. Ein Steuergerät 3 empfängt als Informationen ein Positionssignal x, das von einem Positionssensor (nicht dargestellt) abgegeben wird, und die beiden Drücke in den Kammern 11 und 12. Weitere Einflussgrößen auf die gewünschten Kammerdrücke bzw. die Sollposition der Kolbenstange (bzw. der Blende) können sich aus Berechnungen, anderen Vorgaben oder Messgrößen etc. ergeben. Diesen Vorgaben des Steuergeräts 3 folgend stellt der Druckregler 2 dann die gewünschten Drücke in den Kammern 11 und 12 ein.
Ferner sind in Fig. 1 noch eine Versorgungseinheit 4 mit Pumpe und Tank für das Arbeitsfluid vorgesehen und Bezugszeichen 5 zeigt einen Druckspeicher.
Als Arbeitsfluid kommt hier neben üblichen Hydraulikflüssigkeiten auch Wasser und/oder wässrige Emulsionen in Betracht, was einfach zu handhabe ist, und kein Umweltrisiko darstellt. Weil nur geringe Bewegungen ausgeführt werden und im Druckregler nur ein/aus- Schaltventile verwendet werden, ist die Schmierfähigkeit von Hydrauliköl nicht unbedingt erforderlich.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Erfassung der Kolbenstellung von Differentialzylindern 1 in einem Hydrauliksystem mit digitalen Druckreglern 2.
Eine Pumpe 10 liefert über einen Durchflussmesser 51, der den von der Pumpe 10 dem System zugeführten Volumenstrom an Arbeitsfluid misst, Arbeitsfluid zu zwei Druckreglern 2, die jeweils mit einem Differentialzylinder 1 verbunden sind. Der Lieferdruck der Pumpe 10 und ggf. die Temperatur werden an der Messstelle 14 erfasst. Durchflussmesser 52 erfassen den Zustrom an Arbeitsfluid in die zylinderseitige Druckkammer des jeweiligen Zylinders 1. Die Messstellen 19 liefern Messwerte der Drücke und ggf. Temperaturen in den Druckleitungen zu den Zylindern 1. Durch die verlustfreie Arbeitsweise der digitalhydraulischen Druckregler 2 entspricht die von den Durchflussmessern 52 erfasste Menge an Arbeitsfluid den tatsächlich in den jeweiligen zylinderseitigen Druckkammern vorliegenden Füllmenge, die ein verlässliches Maß für die Kolbenstellung ist.
Das Bewegen von schweren Lasten, wie z.B. Walzen in einer Papiermaschine, mit zwei Hydraulikzylindern 1 ist stets auch ein Synchronisationsproblem der Bewegung der beiden Kolbenstangen. Das Ergebnis der Durchflussmessungen ist ein Positionssensor für die Kolbenstellung, wobei die Durchflussmesser 52 genau messen sollten. Vorzugsweise werden dazu Zahnradsysteme verwendet, die relativ genau sind. Zudem liefert die Durchflussmessung mit dem Durchflussmesser 51 in der Versorgungsleitung einen weiteren Messwert, der zur Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse der Durchflussmesser 52 für die Druckkammern herangezogen werden kann.
Durch die indirekte Messung kann der Absolutwert für die Kolbenstellung auch leicht fehlerbehaftet sein, es können aber den beiden Messwerten (jeder für einen Zylinder 1), die gleichzeitig erfasst werden und dabei den gleichen äußeren Einflüssen ausgesetzt sind, Hinweise darauf entnommen werden, wie synchron sich die beiden Kolben bewegen, oder ob die Bewegungen unzulässig stark voneinander abweichen. Diese Erkenntnisse können dazu verwendet werden, die Synchronisation gegebenenfalls mit geeigneten Maßnahmen zu verbessern. Ferner kann aus den Messwerten auch auf Fehlfunktionen im Hydrauliksystem geschlossen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Digitalhydraulischer Regler mit mindestens zwei Ventilelementreihen, von denen die eine Ventilelementreihe eine Versorgungsleitung mit einem Reglerausgang verbinden kann und die andere Ventilelementreihe den Reglerausgang mit einer Auslassleitung verbinden kann, wobei die Ventilelemente jeder Ventilelementreihe parallel angeschlossen und einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander gleichzeitig schaltbar sind, und mindestens einige der Ventilelemente einer Ventilelementreihe einen jeweils anderen
Strömungsquerschnitt haben, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das Ventilelement jeder Ventilelementreihe, das den kleinsten Strömungsquerschnitt hat, in der Ventilelementreihe doppelt vorhanden ist.
2. Digitalhydraulischer Regler nach Anspruch 1, wobei die Ventilelemente aus einem elektromagnetischen Schaltventil und einer an dem Ventil vorgesehenen Drossel zusammengesetzt sind.
3. Digitalhydraulischer Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Ventilelementreihe die einigen Ventilelemente einen von Ventilelement zu Ventilelement stufenweise zunehmenden Strömungsquerschnitt haben.
4. Digitalhydraulischer Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt von Stufe zu Stufe verdoppelt ist.
5. Digitalhydraulischer Regler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Strömungsquerschnitt 1 beträgt und die anderen Strömungsquerschnitte 2, 4, 8 und 16 betragen.
6. Digitalhydraulischer Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, wobei Schaltventile und Drosseln zum Einsatz mit Flüssigkeiten, insbesondere für Hydrauliköl, ausgelegt und geeignet sind.
7. Digitalhydraulischer Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, wobei Schaltventile und Drosseln zum Einsatz mit Gasen, insbesondere für Druckluft, ausgelegt und geeignet sind.
8. Digitalhydraulischer Regler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltventile elektromagnetisch angetriebene Ventile sind.
9. Digitalhydraulischer Regler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler mit einem Steuergerät verbunden ist, das die Schaltventile oder die Schaltventilkombinationen zum Öffnen ansteuert .
10. Digitalhydraulischer Regler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät den Regler als Druckregler steuert.
11. Digitalhydraulischer Regler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät den Regler als Durchflussregler steuert.
12. Systemeinheit mit einem Differentialzylinder und einem digitalhydraulischen Regler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei der Regler vier Ventilelementreihen hat, von denen zwei mit ihrem gemeinsamen Reglerausgang mit einer zylinderseitigen Druckkammer des Differentialzylinders verbunden sind, während die beiden anderen Ventilelementreihen mit ihrem gemeinsamen Reglerausgang mit einer kolbenstangenseitigen Druckkammer des Differentialzylinders verbunden sind.
13. Systemeinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in einer vom Reglerausgang zur zylinderseitigen Druckkammer führenden Leitung ein Durchflusssensor angeordnet ist.
14. Anordnung mit zwei Systemeinheiten nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Differentialzylinder an einem Lagerpunkt einer an ihren beiden Enden gelagerten Walze angreift, wobei das Steuergerät die Signale der Durchflusssensoren als Positionsinformation des jeweiligen Walzenendes auswertet und die Bewegung der beiden
Differentialzylinder auf der Grundlage dieser PositionsInformation synchronisiert .
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