WO2011151227A1 - Positionierantrieb und positionierantriebssystem - Google Patents

Positionierantrieb und positionierantriebssystem Download PDF

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WO2011151227A1
WO2011151227A1 PCT/EP2011/058485 EP2011058485W WO2011151227A1 WO 2011151227 A1 WO2011151227 A1 WO 2011151227A1 EP 2011058485 W EP2011058485 W EP 2011058485W WO 2011151227 A1 WO2011151227 A1 WO 2011151227A1
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push rod
housing
position drive
motor
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Inventor
Peter Biener
Original Assignee
Voith Patent Gmbh
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21F—PAPER-MAKING MACHINES; METHODS OF PRODUCING PAPER THEREON
    • D21F1/00—Wet end of machines for making continuous webs of paper
    • D21F1/08—Regulating consistency
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21F—PAPER-MAKING MACHINES; METHODS OF PRODUCING PAPER THEREON
    • D21F1/00—Wet end of machines for making continuous webs of paper
    • D21F1/02—Head boxes of Fourdrinier machines
    • D21F1/022—Means for injecting material into flow within the headbox

Definitions

  • the invention relates to a position drive and a position drive system for driving valves, in particular dilution water valves, as used in fibrous web manufacturing machines. It is known that fiber web manufacturing machines have a headbox, which is supplied via a plurality of lines from a manifold with stock suspension, the individual volume flows are regulated by adjustable valves.
  • a further sectional material feed into the head box takes place.
  • a mixing device is known for example from the patent application DE 40 19 593.
  • a mixing device is presented, which serves to mix several partial flow rates such that a constant mixture volume flow is formed.
  • partial volume flows are guided in mixers and regulated by application of a complex valve control in dependence on each other by means of positioning drives.
  • the aim is to regulate the basis weight of the fibrous web such that the basis weight in the transverse direction is as constant as possible. This is done by means of a plurality of juxtaposed valves, a so-called array.
  • All valves have an actuator or positioner that regulates the addition of dilution water.
  • a well-known position drive is housed in a multi-part, screwed stainless steel drive housing.
  • an encoder is installed in the housing.
  • the positioning drives include their own control electronics, with an array of positioning drives connected in series with each other. If a positioning drive fails, the whole array is inoperable. Due to the extreme environmental influences such as water, vibration, temperature and / or chemicals, the multi-part design of the housing causes leaks relatively frequently over time, which causes machine malfunctions.
  • a CD profiling device consists of up to 200 positioning drives, a very complex procedure.
  • the object of the invention is to provide a positioning drive and a positioning drive system, which (s) has an increased operational safety and service life and also reduces maintenance.
  • This object is achieved with a position drive for driving valves of the type mentioned according to the invention in that a stepper motor or a synchronous motor is used as the drive motor, which is controlled by an outside of the drive housing arranged control unit, wherein the displacement of the push rod on the count the full steps of the stepping motor is determined.
  • the positioning drive according to the present invention contains substantially fewer components, compared to a drive according to the prior art, whereby the reliability is significantly increased.
  • the stepper motor is dimensioned so that its holding torque (also crawl) copes with the maximum occurring force without losing a full step.
  • the limit switches can be approached alternately counting the number of full steps necessary to move the push rod completely from one end position to the other. This is preferably done at the lowest speed to preclude a path error.
  • the drive housing made of anodized aluminum, which can be particularly well connected by the hybrid joining technique and also ensures adequate protection against the aggressive external influences.
  • the position drive system according to the invention for use in a CD Profilie- tion device, with position actuators having one of the above combination of features, solves the problem in that the control is performed to control the stepper motors or synchronous motors of the position of the valves valves via a central control unit, the positioned at a central place and wired to the positioner drive.
  • the stepper motors are controlled independently of one another by the control unit, so that if a position drive fails, it can be identified directly and unequivocally, but the entire CD profiling device does not fail.
  • each position drive it is proposed to ascertain the travel path of each position drive, the limit switches, each position drive, and to count the full steps. This should preferably be done the first time it is switched on and can be repeated at each standstill, as long as the process allows it.
  • the limit switches are approached in the determination of the travel, with the smallest engine speed and the largest engine torque. This ensures that all full steps are recorded and that in operation the positioning of the push rod and thus the valve position is very accurate.
  • stepper motors or synchronous motors it is advantageous to dynamically control the stepper motors or synchronous motors by e.g. Before each trip, a calculation of an acceleration ramp, the travel speed and the deceleration ramp takes place.
  • a method of the axis is carried out from the viewpoint that each step pulse is executed exactly and is not blocked by too low torque or influenced by overshoot.
  • Figure 2 is a positioning according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic overview of a CD control device
  • FIG. 1 shows a positioning drive 7, with valve 6, corresponding to the prior art.
  • Positionierantriebsgekoruse 9 is a push rod 10, which protrudes from the Positionierantriebgephaseuse 9 and is mounted axially displaceable in this, a spindle drive 1 1 for axial displacement of the push rod 10, a drive motor 12 and the control electronics 13 and an encoder 14, for accurate determination the position of the push rod 0, housed.
  • the control electronics 13 of the individual positioning drives 7 are interconnected by means of a series circuit, so that the signals of the CD control device 1 must be passed in sequence through all the electronics of the positioning drives. The failure of a control electronics thus causes the failure of the whole array, so no CD control can be done.
  • FIG. 2 shows a positioning drive 7 according to the invention, which consists of substantially fewer components.
  • the substantially cylindrical drive housing 9 is provided with a connection flange with which the positioning drive is attached to the valve 6.
  • the push rod 10 is as usual, slidably mounted in the drive housing 9 and protrudes out of the housing.
  • In the housing are essentially only a stepper motor 17, a spindle drive 1 1 and two limit switches 15,16.
  • a connection cable 19 is provided which connects the stepping motor 17 and the limit switches 15,16 with the control unit 4. Due to the design of the way between the limit switches 15,16 is known or can be accurately determined in the initial commissioning measurement, by counting the full steps.
  • the drive housing 9 consists of several parts, which are made of aluminum full material. The individual parts are after the assembly of the drive components 10, 1 1, 15,16,17 and 19 by a hybrid joining technique (bonding and shape-changing pressing) permanently, tightly and no longer releasably connected together.
  • FIG. 3 shows a schematic overview of a CD control device 1.
  • the CD control device 1 consists of a CD Profiltechnikseinnchtung 2, a control unit 4 and a measuring frame with which the basis weight and moisture profile is measured.
  • the CD profiltechnikseinnchtung 2 consists of up to 200 valve units 6, with which the basis weight in the transverse direction (CD), by adding dilution water 8, is regulated.
  • Each valve unit consists of a valve 6, which is controlled by a positioning drive 7.
  • the CD profiling unit may consist of a plurality of control units 4, wherein a plurality of positioning drives 7 are connected to each control unit 4. Preferably, eight positioning units 7 are connected to a control unit 4.

Abstract

Die Erfindung offenbart einen Positionsantrieb zum Antrieb von Ventilen (6), insbesondere von Verdünnungswasserventilen, wie sie in Faserstoffbahnherstellungsmaschinen eingesetzt werden, bestehend aus einem Antriebsgehäuse (9), einer Schubstange (10) die aus dem Antriebsgehäuse (9) herausragt und in diesem axial verschiebbar gelagert ist, einem Spindelantrieb (11) zur axialen Verschiebung des Schubgestänges (10) und einem Antriebsmotor (10), wobei der Antriebsmotor (10) ein Schrittmotor (17) bzw. ein Synchronmotor ist, der von einer außerhalb des Antriebsgehäuses (9) angeordneten Steuereinheit (4) aus regelbar ist, wobei der Verschiebeweg der Schubstange (10) über die Zählung der Vollschritte des Schrittmotors (17) bestimmt wird.

Description

Positionierantrieb und Positionierantriebssystem
Die Erfindung betrifft einen Positionsantrieb und ein Positionsantriebsystem zum Antrieb von Ventilen, insbesondere von Verdünnungswasserventilen, wie sie in Faserstoffbahnherstellungsmaschinen eingesetzt werden. Es ist bekannt, dass Faserbahnherstellungsmaschinen einen Stoffauflauf aufweisen, der über eine Vielzahl von Leitungen aus einem Verteiler mit Stoffsuspension versorgt wird, wobei die einzelnen Volumenströme durch einstellbare Ventile geregelt werden.
Weiterhin ist bekannt, dass zur Regelung des Flächengewichtes eine weitere sektio- nale Stoffzuführung in den Stoffauflauf erfolgt. Eine derartige Mischeinrichtung ist Beispielsweise aus der Patentanmeldung DE 40 19 593 bekannt. Hier wird eine Mischeinrichtung vorgestellt, die dazu dient, mehrere Teilvolumenströme derart zu mischen, dass ein konstanter Gemischvolumenstrom entsteht. Hierzu werden Teilvolumenströme in Mischer geführt und durch Anwendung einer aufwendigen Ventilsteuerung in Abhängigkeit voneinander mittels Positionierantrieben geregelt. Ziel ist es, das Flächengewicht der Faserstoffbahn derart zu regeln, dass das Flächengewicht in Querrichtung möglichst konstant ist. Dies geschieht mit Hilfe einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Ventilen, einem sogenannten Array.
Alle Ventile verfügen über einen Aktuator oder Positionsantrieb, durch den die Zugabe von Verdünnungswasser geregelt wird.
Ein bekannter Positionsantrieb ist in einem mehrteiligen, verschraubten Antriebsgehäuse aus Edelstahl untergebracht. Zur Überwachung der Schubstangenposition ist im Gehäuse ein Encoder eingebaut.
Zudem beinhaltet der Positionierantriebe eine eigene Steuerungselektronik, wobei ein Array von Positionierantrieben in Reihe miteinander verschaltet ist. Fällt also ein Positionierantrieb aus, ist der ganze Array funktionslos. Durch die mehrteilige Ausführung des Gehäuses kommt es aufgrund der extremen Umwelteinflüsse wie Wasser, Vibration, Temperatur und/oder Chemikalien über die Zeit relativ häufig zu Undichtigkeiten, wodurch Maschinenstörungen verursacht werden.
Um vorbeugende Maßnahmen der Wartung zu erfüllen, müssen heutzutage die Positionierantriebe in regelmäßigen Abständen geprüft werden. Dies ist, durch die große Anzahl der Positionierantriebe, eine CD Profilierungseinrichtung besteht aus bis zu 200 Positionierantrieben, eine sehr aufwendige Prozedur.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Positionierantrieb und ein Positionierantriebsystem bereitzustellen, welcher (s) eine erhöhte Betriebsicherheit und Standzeit aufweißt und zudem den Wartungsaufwand reduziert. Diese Aufgabe wird mit einem Positionsantrieb zum Antrieb von Ventilen der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Antriebsmotor ein Schrittmotor bzw. ein Synchronmotor verwendet wird, der von einer außerhalb des Antriebsgehäuses angeordneten Steuereinheit aus regelbar ist, wobei der Verschiebeweg der Schubstange über die Zählung der Vollschritte des Schrittmotors bestimmt wird.
Somit enthält der Positionierantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich weniger Bauteile, gegenüber einem Antrieb gemäß dem Stand der Technik, wodurch die Betriebssicherheit wesentlich erhöht wird.
Der Schrittmotor ist dabei so bemessen, dass sein Haltemoment (auch Schleichfahrt) die maximal vorkommende Kraft bewältigt, ohne einen Vollschritt zu verlieren.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, an den Endpositionen der Schubstange Endschal- ter zu positionieren, mit denen die Endpositionen der Schubstange bestimmbar sind. Die Endschalter können wechselweise angefahren und dabei die Anzahl der Vollschritte mitgezählt werden, die notwendig sind, um die Schubstange vollständig von einer Endposition zur Anderen zu verschieben. Dies erfolgt vorzugsweise mit der kleinsten Geschwindigkeit, um einen Wegfehler auszuschließen.
Durch ein einteilig ausgeführtes Antriebsgehäuse bzw. die Ausführung des Antriebsgehäuses aus mind. zwei Gehäusekomponenten, die durch eine Hybrid-Füge- Technik dauerhaft einteilig miteinander verbundnen sind, aus dem nur die bewegliche Schubstange herausragt und das Steuerkabel durchgeführt wird, ist sichergestellt, dass keine unnötige Verbindungsstelle vorhanden ist, die eine Undichtigkeit verursachen kann.
Vorzugsweise besteht das Antriebsgehäuse aus eloxiertem Aluminium, welches sich besonders gut durch die Hybrid-Füge-Technik verbinden lässt und zudem einen ausreichenden Schutz vor den aggressiven äußeren Einflüssen gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Positionsantriebssystem für den Einsatz in einer CD Profilie- rungseinrichtung, mit Positionsantrieben, die eine der oben angegebenen Merkmalskombination aufweisen, löst die Aufgabe dadurch, dass die Steuerung zur Regelung der Schrittmotoren bzw. Synchronmotoren der Positionsantriebe der Ventile über eine zentrale Steuereinheit erfolgt, die an einem zentralen Platz positioniert und mit dem Positionsantrieben verkabelt ist.
Die Schrittmotoren von der Steuereinheit aus unabhängig voneinander gesteuert werden, sodass beim Ausfall eines Positionsantriebes dieser direkt und eindeutig identifiziert werden kann, es aber nicht zu einem Ausfall der gesamten CD Profilie- rungseinrichtung kommt.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, zur Ermittlung des Verfahrweges jedes Positions- antriebes die Endschalter, jedes Positionsantriebes, anzufahren und dabei die Vollschritte zu zählen. Dies sollte vorzugsweise beim ersten Einschalten geschehen und kann bei jedem Stillstand, sofern es der Prozess zulässt, wiederholt werden. Vorzugsweise werden die Endschalter, bei der Ermittlung des Verfahrweges, mit der kleinsten Motordrehzahl und dem größten Motormoment angefahren. So ist sichergestellt, dass alle Vollschritte erfasst werden und es im Betrieb zu einer sehr genauen Positionierung der Schubstange und damit der Ventilstellung kommt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Schrittmotoren bzw. Synchronmotoren dynamisch zu regeln, indem z.B. vor jeder Fahrt eine Berechnung einer Beschleunigungsrampe, der Verfahrgeschwindigkeit und der Verzögerungsrampe erfolgt. Ein Verfahren der Achse erfolgt unter dem Gesichtspunkt, dass jeder Schrittimpuls exakt ausgeführt wird und nicht durch zu geringes Drehmoment blockiert oder durch Überschwingen beeinflusst wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert und ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Figuren zeigen beispielhaft:
Figur 1 ein Positionierantrieb mit Ventil sprechend dem Stand der Technik
Figur 2 ein erfindungsgemäßen Positionierantrieb
Figur 3 eine schematische Übersicht von einer CD Regeleinrichtung
In Figur 1 ist ein Positionierantrieb7, mit Ventil 6, sprechend dem Stand der Technik gezeigt. Im Positionierantriebsgehäuse 9 ist eine Schubstange 10, die aus dem Positionierantriebgehäuse 9 herausragt und in diesem axial verschiebbar gelagert ist, ein Spindelantrieb 1 1 zur axialen Verschiebung des Schubgestänges 10, ein An- triebsmotor 12 sowie die Steuerelektronik 13 und eine Encoder 14, zur genauen Ermittlung der Position der Schubstangel 0, untergebracht.
Um all diese Komponenten in einem Gehäuse 9 unterzubringen, ist ein sehr aufwendiger Aufbau des Gehäuses 9 notwendig. Zudem ist es erforderlich das Gehäuse 9 mittels mehrerer Schraubverbindungen lösbar zu verschließen, um zu Wartungszwecken dieses öffnen zu können. Die Steuerelektroniken 13 der einzelnen Positionierantriebe 7 sind mittels einer Reihenschaltung miteinander verbunden, sodass die Signale der CD Regelungseinrichtung 1 der Reihe nach durch alle Elektroniken der Positionierantriebe geleitet werden muss. Der Ausfall einer Steuerelektronik verursacht somit den Ausfall des ganzen Arrays, sodass keine CD Regelung mehr erfolgen kann.
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Positionierantrieb 7, der aus wesentlich weniger Komponenten besteht. Das im Wesentlichen zylindrische Antriebsgehäuse 9 ist mit einem Anschlussflansch versehen, mit dem der Positionierantrieb an dem Ventil 6 befestigt wird.
Die Schubstange 10 ist wie gehabt, im Antriebsgehäuse 9 verschiebbar gelagert und ragt aus dem Gehäuse heraus. Im Gehäuse befinden sich im Wesentlichen nur ein Schrittmotor 17, ein Spindelantrieb 1 1 sowie zwei Endschalter 15,16. Wobei ein Anschlusskabel 19 vorgesehen ist welches den Schrittmotor 17 und die Endschalter 15,16 mit der Steuerungseinheit 4 verbindet. Bauartenbedingt ist der Weg zwischen den Endschaltern 15,16 bekannt oder kann bei der Erstinbetriebnahme-Messung, durch die Zählung der Vollschritte, genau ermittelt werden.
Das Antriebsgehäuse 9 besteht aus mehreren Teilen, die aus Aluminiumvollmaterial gefertigt sind. Die einzelnen Teile werden nach der Montage der Antriebsbauteile 10, 1 1 ,15,16,17 und 19 durch eine Hybrid-Füge-Technik (kleben und formveränderndes Pressen) dauerhaft, dicht und nicht mehr lösbar miteinander verbunden.
Die Standzeit des Positionsantriebs 7 wird zudem erhöhen, da die notwendige Steuerelektronik 13 nicht mehr in dem Antriebsgehäuse 9 eingebaut ist, sondern in einer abgesetzten Elektronikbox, die bis zu 8 Positionsantriebe steuern und in einem entsprechend geschützten Schrank eingebaut sein kann. Die Entfernung zwischen Steuerelektronik und Positionsantrieb kann bis zu 15m betragen. In der Figur 3 ist eine schematische Übersicht einer CD Regeleinrichtung 1 dargestellt. Die CD Regeleinrichtung 1 besteht aus einer CD Profilierungseinnchtung 2, einer Steuereinheit 4 sowie einem Messrahmen, mit dem das Flächengewichts- und Feuchtequerprofil gemessen wird. Wobei die CD Profilierungseinnchtung 2 aus bis zu 200 Ventileinheiten 6 besteht, mit denen das Flächengewicht in Querrichtung (CD), durch Zugabe von Verdünnungswasser 8, geregelt wird. Jede Ventileinheit besteht aus einem Ventil 6, welche von einem Positionierantrieb 7 angesteuert wird.
Die CD Profilierungseinheit kann aus mehreren Steuereinheiten 4 bestehen, wobei an jeder Steuereinheit 4 mehrere Positionierantriebe 7 angeschlossen sind. Vorzugsweise werden acht Positioniereinheiten 7 an einer Steuereinheit 4 angeschlossen.
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind:
- kostengünstiger und robuster Aufbau der Positionierantriebe
- einfache Lokalisierung von Fehlerquellen
Bezugszeichenliste
1 CD Regeleinrichtung
2 CD Profilierungseinhchtung
3 Messrahmen
4 Steuereinheit
5 Stoffauflauf
6 Ventil
7 Positionsantrieb
8 Verdünnungswasser
9 Antriebsgehäuse
10 Schubstange
1 1 Spindelantrieb
12 Ant ebsmotor
13 Steuerelektronik
14 Encoder
15 erster Endschalter
16 zweiter Endschalter
17 Schrittmotor
18 Gehäuseverbindung
19 Anschlusskabel

Claims

Patentansprüche
1 . Positionsantrieb zum Antrieb von Ventilen (6), insbesondere von Verdünnungswasserventilen, wie sie in Faserstoffbahnherstellungsmaschinen eingesetzt werden, bestehend aus einem Antriebsgehäuse (9), einer Schubstange (10) die aus dem Antriebsgehäuse herausragt und in diesem axial verschiebbar gelagert ist, einem Spindelantrieb (1 1 ) zur axialen Verschiebung des Schubgestänges (10) und einem Antriebsmotor (12)
dadurch gekennzeichnet,
dass der Antriebsmotor (12) ein Schrittmotor (17) bzw. ein Synchronmotor ist, der von einer außerhalb des Antriebsgehäuses (9) angeordneten Steuereinheit (4) aus regelbar ist, wobei der Verschiebeweg der Schubstange (10) über die Zählung der Vollschritte des Schrittmotors (17) bestimmt wird.
2. Positionsantrieb nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass an den Endpositionen der Schubstange Endschalter (15, 16) positioniert sind, mit denen die Endpositionen der Schubstange (10) bestimmbar sind.
3. Positionsantrieb nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet,
dass das Antriebsgehäuse einteilig ausgeführt ist.
4. Positionsantrieb nach Anspruch 3
dadurch gekennzeichnet,
dass das Antriebsgehäuse aus mind. zwei Gehäusekomponenten aufgebaut ist die durch eine Hybrid-Füge-Technik dauerhaft einteilig miteinander verbundnen sind. Positionsantrieb nach Anspruch 3 oder 4
dadurch gekennzeichnet,
dass das Antriebsgehäuse aus eloxierten Aluminiumvollprofilen besteht.
Positionsant ebssystem für den Einsatz in einer CD Profilierungseinrichtung, insbesondere zur Regelung von Verdünnungswasserventilen, wie sie in Faser- stoffbahnherstellungsmaschinen eingesetzt werden, mit Positionsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einer Steuereinheit
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerung zur Regelung der Schrittmotoren bzw. Synchronmotoren der Positionsantriebe der Ventile über eine zentrale Steuereinheit erfolgt, die an einem zentralen Platz positioniert und mit den Positionsantrieben verkabelt ist.
Positionsantriebssystem nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schrittmotoren von der Steuereinheit aus unabhängig voneinander gesteuert werden.
Positionsantriebssystem nach Anspruch 6 oder 7
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Ermittlung des Verfahrweges jedes Positionsantriebes die Endschalter jedes Positionsantriebes angefahren und dabei die Vollschritte gezählt werden.
Positionsantriebssystem nach Anspruch 8
dadurch gekennzeichnet,
dass die Endschalter mit der kleinsten Motordrehzahl und dem größten Motormoment angefahren werden. 10. Positionsantriebssystem nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schrittmotoren dynamisch geregelt werden. Positionsantnebssystem nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerung aus mehreren Steuereinheiten besteht, die jeweils mehrere Positionierantriebe steuern.
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