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Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Reglerparameters eines Bahnspannungs-Regelglieds sowie eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Recheneinheit.
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Obwohl nachfolgend hauptsächlich auf Druckmaschinen Bezug genommen wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern vielmehr auf alle Arten von Bearbeitungsmaschinen gerichtet, bei denen eine Warenbahn bzw. Materialbahn bearbeitet wird. Die Warenbahn kann aus Papier, Stoff, Pappe, Kunststoff, Metall, Gummi, in Folienform usw. ausgebildet sein.
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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Bahnspannungsregelung in Bearbeitungsmaschinen. Bei Bearbeitungsmaschinen, insbesondere Druckmaschinen, wird eine Warenbahn entlang von angetriebenen Achsen (Bahntransportachsen), wie z. B. Zugwalzen oder Vorschubwalzen, und nicht angetriebenen Achsen, wie z. B. Umlenk-, Leit-, Trocknungs- oder Kühlwalzen, bewegt. Die Warenbahn wird gleichzeitig mittels meist ebenfalls angetriebener Bearbeitungsachsen bearbeitet, bspw. bedruckt, gestanzt, geschnitten, gefalzt usw. Die Warenbahn ist in Bahnspannungsabschnitte unterteilt, wobei ein Bahnspannungsabschnitt von zwei sog. Klemmstellen begrenzt wird, die die Warenbahn form- oder kraftschlüssig einklemmen. Innerhalb eines Bahnspannungsabschnitts können weitere angetriebene und/oder nicht angetriebene Achsen angeordnet sein. Oftmals ist die gesamte Warenbahn in mehrere Bahnspannungsabschnitte, mitunter auch mit unterschiedlichen Bahnspannungssollwerten, unterteilt. Zur Aufrechterhaltung der Sollwerte wird üblicherweise eine Bahnspannungsregelung eingesetzt.
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Bekannte Regler, wie z. B. P-Regler, D-Regler, I-Regler usw. sowie beliebige Kombinationen davon, beinhalten Reglerparameter, die eingestellt werden müssen. Übliche Reglerparameter sind die Proportionalverstärkung KP, die Integralverstärkung KI, die Differentialverstärkung KD, die Nachstellzeit TN, die Vorhaltezeit TV, Verzögerungen T usw.
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In der
EP 1 790 601 A2 ist dargestellt, dass Reglerparameter in Abhängigkeit von Warenbahnparametern (z. B. E-Modul), Maschinenparametern (z. B. Warenbahnlänge, Warenbahngeschwindigkeit oder Trägheitsmoment) und Betriebsparametern (z. B. Regelabweichung) bestimmt werden können.
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In der
DE 10 2008 035 639 ist dargestellt, dass neben diesen Größen auch Totzeiten in der Regelstrecke vorhanden sind und zur Ermittlung der Reglerparameter herangezogen werden können.
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In der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2009 019 624 ist eine Reglerparametrierung, in Abhängigkeit von wenigstens einem die Warenbahn kennzeichnenden Parameter, wie z. B. dem Elastizitätsmodul und/oder dem Querschnitt, wenigstens einem die Bearbeitungsmaschine kennzeichnenden Parameter, wie z. B. der Bahngeschwindigkeit und/oder der Abschnittslänge, und wenigstens einer, insbesondere konstanten (d. h. nicht bahngeschwindigkeitsabhängigen) und/oder geschwindigkeitsabhängigen, Totzeit, wie z. B. einer Übertragungszeit und/oder einer Messzeit, beschrieben.
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Übliche Bearbeitungsmaschinen umfassen mitunter eine sehr große Anzahl von geregelten Bahnspannungsabschnitten mit zugehörigen Bahnspannungs-Regelkreisen. Trotz der im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Vereinfachung der Parametrierung ist diese bei großen Maschinen immer noch mit einigem Zeit- und damit Kostenaufwand verbunden.
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Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren zur Reglerparametrierung anzugeben, mit dem insbesondere große Maschinen mit vielen Bahnspannungsregelkreisen einfacher und schneller parametriert werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Reglerparameters eines Bahnspannungs-Regelglieds für eine Bearbeitungsmaschine sowie eine Recheneinheit zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung basiert wesentlich auf der Erkenntnis, dass die Parametrierung einer Anzahl von Regelgliedern bei bahnverarbeitenden Maschinen vereinfacht werden kann, indem Reglerparameter eines zweiten Bahnspannungs-Regelglieds in Abhängigkeit von Reglerparametern eines ersten Bahnspannungs-Regelglieds bestimmt werden. Auf diese Weise sinkt der Parametrierungsaufwand beträchtlich, da nur noch wenige Reglerparameter tatsächlich eigenständig bestimmt werden müssen, wohingegen sich eine Vielzahl von Reglerparametern aus den eigenständig bestimmten ergibt. Unter besonders günstigen Voraussetzungen müssen nur mehr die Reglerparameter eines einzigen Bahnspannungs-Regelglieds bestimmt werden, aus denen sich dann die Reglerparameter aller übrigen Bahnspannungs-Regelglieder ergeben.
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Zweckmäßigerweise wird der wenigstens eine zweite Reglerparameter des zweiten Bahnspannungs-Regelgliedes auf Grundlage des ersten Reglerparameters des ersten Bahnspannungs-Regelgliedes bestimmt, wobei berücksichtigt wird, wie sich ausgewählte, dem jeweiligen Bahnspannungsabschnitt zugehörige Größen zueinander verhalten.
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Zweckmäßigerweise wird eine funktionale Abhängigkeit P2(P1, B1,x, B2,x) des zweiten Reglerparameters P2 vom ersten Reglerparameter P1 und den jeweiligen Bahnspannungsabschnittsgrößen B1,1, B1,2, B1,3, ..., B2,1, B2,2, B2,3, ... gebildet. Der mathematische Zusammenhang kann dabei insbesondere eine direkte oder indirekte Proportionalität zu einer Bahnspannungsabschnittsgröße oder einem Bahnspannungsabschnittsgrößenverhältnis B2,x/B1,x beinhalten. Beispielsweise kann die Verstärkung K1 des ersten Bahnspannungs-Regelglieds an l1/v1 adaptiert werden, wobei l1 die Länge und v1 die Fördergeschwindigkeit des zugehörigen Bahnspannungsabschnitts bezeichnen. Ist nun das Längenverhältnis l2/l1 der beiden beteiligten Bahnspannungsabschnitte bekannt, kann auf diese Weise sehr einfach die Verstärkung K2 des Regelglieds für den zweiten Bahnspannungsabschnitt bestimmt werden zu K2 = a·K1·l2/l1, wobei a einen Gewichtungsfaktor bezeichnet, der auch als ”Reglerschärfe” bezeichnet wird. Die Proportionalverstärkung verhält sich bspw. proportional zur Bahnlänge l und indirekt proportional zu Fördergeschwindigkeit 1/v, Bahnquerschnitt 1/A bzw. Bahnbreite 1/b und Elastizitätsmodul 1/E, welches wiederum u. a. von der Temperatur und Feuchtigkeit abhängt. Insbesondere beim Längsschneiden einer Bahn entfaltet die Erfindung besondere Vorteile, da dann die Reglerparameter nachfolgender Bahnspannungsabschnitte, die jeweils nur einen Teilstrang regeln, besonders einfach bestimmt werden können. In diesem Fall würde beispielsweise die Verstärkung K eines stromabwärtigen PI-Reglers bei kleiner werdender Bahnbreite indirekt proportional zur Bahnbreite eingestellt, also größer.
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Zweckmäßigerweise geht in die Berechnung des wenigstens einen zweiten Reglerparameters der Gewichtungsfaktor (Reglerschärfe) ein, mit Hilfe dessen die Reglerparametrierung verbessert werden kann. Es ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass sich der Gewichtungsfaktor eines Reglerparameters aus zwei zu multiplizierenden Teilfaktoren zusammensetzt, wobei der eine einzeln (lokal) und der andere für alle zweiten Reglerparameter gemeinsam (global) vorgegeben wird. So ist es möglich, sowohl die Faktoren aller Regler gemeinsam zu verändern, als auch nur den Faktor eines einzelnen Reglers einzustellen.
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In Abhängigkeit davon, wie die einzelnen die Warenbahn charakterisierenden Parameter, wie z. B. Querschnitt und Elastizitätsmodul, die den Bahnspannungsabschnitt charakterisierenden Parameter, wie Abschnittslänge, Fördergeschwindigkeit und Totzeiten (Messzeit, Übertragungszeit), die Reglerparameter beeinflussen, kann der mathematische Zusammenhang zwischen erstem Reglerparameter und zweiten Reglerparametern leicht angegeben werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bahnspannung eines vierten Bahnspannungsabschnitts basierend auf der Bahnspannung eines dritten Bahnspannungsabschnitts berechnet. Auf diese Weise können teure und aufwändige Messstellen eingespart werden. In der
DE 10 2005 058 810 A1 ist beschrieben, dass die Bahnspannung in einem, Bahnspannungsabschnitt auf Grundlage der gemessenen Bahnspannung in einem anderen Bahnspannungsabschnitt berechnet werden kann, wenn dazu ausgesuchte die Warenbahn charakterisierende Parameter, wie Elastizitätsmodul und Querschnitt, und ausgesuchte den Bahnspannungsabschnitt und die Bearbeitungsmaschine charakterisierende Parameter, wie Abschnittslänge, Fördergeschwindigkeit, Antriebsmomente usw., berücksichtigt werden. Da diese Größen im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Berechnung der Reglerparameter ohnehin bevorzugt verwendet werden, kann auf Grundlage dieser Parameter auch besonders einfach der für die Regelung unverzichtbare Ist-Wert der Bahnspannung berechnet werden. Damit können teure und aufwändige Bahnspannungsmessstellen für jeden zu regelnden Bahnspannungsabschnitt eingespart werden, so dass im Idealfall eine einzige Messstelle ausreichend ist. Die Auswahl des dritten und vierten Bahnspannungsabschnitts ist prinzipiell unabhängig von der Auswahl des ersten und zweiten Bahnspannungsabschnitt. Vorzugsweise sind jedoch der erste und dritte einerseits sowie der zweite und vierte andererseits dieselben Abschnitte.
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Die Reglerparametrierung kann besonders einfach, aber dennoch gut und effektiv erfolgen, wenn die Bahnspannungsabschnitte voneinander entkoppelt sind, so dass sich ein Stelleingriff in einem ersten Bahnspannungsabschnitt nicht signifikant auf die Bahnspannung in einem zweiten Bahnspannungsabschnitt auswirkt. Von der Anmelderin ist hierzu eine Anzahl von Strategien entwickelt worden. Die
DE 10 2007 017 096 A1 beschreibt grundsätzlich, dass eine Entkopplung durch eine dynamische Vorsteuerung stromauf- und/oder -abwärtiger Klemmstellen möglich ist. Die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2008 056 132 beschreibt eine Möglichkeit, eine Entkopplung bereitzustellen, ohne die den Bahnspannungsabschnitt stromabwärts begrenzende Klemmstelle verstellen zu müssen. Die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2009 016 206 beschreibt eine Möglichkeit, eine Entkopplung bereitzustellen, ohne die dem Bahnspannungsabschnitt stromabwärts nachfolgenden Klemmstelle verstellen zu müssen. Auf diese Druckschriften wird an dieser Stelle hinsichtlich weiterer Details zur Ausführung ausdrücklich verwiesen. Die in den genannten Druckschriften offenbarten Entkoppelungsstrategien werden zur bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung miteinbezogen.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät einer Druckmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten als Druckmaschine ausgebildeten Bearbeitungsmaschine, für die das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist und
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten als Druckmaschine ausgebildeten Bearbeitungsmaschine, für die das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist.
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In 1 ist ein schematischer Ausschnitt einer Druckmaschine 10 dargestellt, in der eine Materialbahn 101 durch fünf hier als Druckwerke 1 bis 5 ausgebildete Klemmstellen transportiert und bearbeitet wird. Zwischen jeweils zwei benachbarten Klemmstellen ist ein Bahnspannungsabschnitt ausgebildet. Beispielsweise ist ein Bahnspannungsabschnitt 12 durch die Druckwerke 1 und 2 begrenzt, ein Bahnspannungsabschnitt 23 durch die Druckwerke 2 und 3, ein Bahnspannungsabschnitt 34 durch die Druckwerke 3 und 4 und ein Bahnspannungsabschnitt 45 durch die Druckwerke 4 und 5. Statt Druckwerken können ebenso Transportwerke, wie Einzugs- oder Auszugswerk, betroffen sein.
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Die Druckmaschine weist weiterhin hier als Kraftmessdosen 121 bis 124 ausgebildete Bahnspannungssensoren zur Ermittlung der Bahnspannung bzw. der Zugkraft F in den jeweiligen Bahnspannungsabschnitten auf. In der gezeigten Darstellung ist eine Einstellung der Bahnspannung über die Umfangsgeschwindigkeiten v1 bis v5 der Druckwerke 1 bis 5 möglich.
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Die physikalischen Parameter, nämlich die Länge l, das Elastizitätsmodul E und die Bahnspannung bzw. Zugkraft F der einzelnen Bahnspannungsabschnitte sind in der Figur ebenfalls angegeben.
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Zur Einstellung der Bahnspannung bspw. in dem Bahnspannungsabschnitt 34 sind zwei Strategien bekannt. Bei der Upstream-Strategie wird das Druckwerk 3 (und optional davorliegende Druckwerke) verstellt und bei der Downstream-Strategie wird das Druckwerk 4 (und optional dahinterliegende Druckwerke) verstellt. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit der vorderen Klemmstelle bewirkt eine Verringerung der Bahnzugkraft und eine Erhöhung der Geschwindigkeit der hinteren Klemmstelle bewirkt einen Anstieg der Bahnzugkraft. Hierdurch ist zugleich ein positiver und negativer Regelsinn beschrieben. Der positive Regelsinn entspricht somit der Regelung mittels der hinteren begrenzenden Klemmstelle als Stellsignal (Downstream), da hierbei ein Anstieg des Stellsignals zugleich einen Anstieg des Ausgangssignals bewirkt. Umgekehrt veranlasst ein Anstieg der Geschwindigkeit der vorderen Klemmstelle (Upstream) ein Abfallen der Bahnzugkraft, weshalb dieses Verhalten mit dem Begriff des negativen Regelsinns beschrieben wird. Zur Durchführung der Bahnspannungsregelung werden die von den Sensoren 121 bis 124 erfassten Bahnspannungswerte jeweils einer Einrichtung zur Bahnspannungsregelung (Zugregler) 151 bis 154 zugeführt, welche üblicherweise als separate Programmteile innerhalb einer Steuereinheit ausgebildet sind. Der Zugregler steuert in Abhängigkeit von den Bahnspannungswerten die Geschwindigkeiten v1 bis v5.
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Ohne Einschränkung der Allgemeinheit ist in 1 eine Downstream-Regelung durch zugehörige Bahnspannungs-Regler 151 bis 154 dargestellt. Bahnspannungsregler umfassen üblicherweise als Regelglied ein PI-Glied mit einer Verstärkung Kx und einer Nachstellzeit Tx.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine optionale Downstream-Entkopplung der Bahnspannungsabschnitte vorgesehen, was durch Entkoppelglieder 132 bis 134 dargestellt wird. Die Entkopplung ist hier nur schematisch dargestellt. Hinsichtlich näherer Details sei auf bspw. die o. g. Anmeldungen der Anmelderin verwiesen. Die Entkoppelglieder sind vorzugsweise als DT1-Glieder ausgebildet.
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In den
1 und
2 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Druckmaschine
200 gemäß
2 unterscheidet sich von der Druckmaschine
10 gemäß
1 insofern, als die Bahnspannungswerte F
23, F
34 und F
45 nicht durch dafür vorgesehene Bahnspannungssensoren gemessen, sondern auf Grundlage der Bahnspannung bzw. Zugkraft F
12 in dem Bahnspannungsabschnitt
12 berechnet werden. Möglichkeiten zur Berechnung sind in der
DE 10 2005 058 810 A1 der Anmelderin beschrieben, auf die hinsichtlich näherer Details an dieser Stelle ausdrücklich verwiesen wird. Die Regelglieder
252 bis
254 gemäß
2 sind gemäß der abgebildeten bevorzugten Ausführungsform dazu eingerichtet, u. a. auch den jeweils notwendigen Bahnspannungs- bzw. Zugkraft-Istwert aus dem gemessenen Wert F
12 selbst zu berechnen.
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Gemäß der dargestellten Ausführungsform werden die Regler
152 bis
154 bzw.
252 bis
254 unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens parametriert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform berechnen sich die Verstärkungen K
2 bis K
4 anhand von K
1 und den Bahnspannungsabschnittsgrößen Abschnittslänge l (hier l
12, l
23, l
34, l
45), Bahngeschwindigkeit v (hier v
2, v
3, v
4, v
5), Bahnquerschnitt A (hier A
12, A
23, A
34, A
45) und Elastizitätsmodul E (hier E
12, E
23, E
34, E
45) zu:
mit
- a:
- Globale Reglerschärfe
- ax:
- lokale Reglerschärfe
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Je nach Auslegungskriterium (z. B. Führungsverhalten oder Störungsverhalten) kann ein ähnlicher Zusammenhang auch für die Zeitkonstante T des Reglers angeben. In einfacher Ausgestaltung berechnen sich beispielsweise die Zeitkonstanten T
2 bis T
4 (z. B. Nachstellzeiten bei einem PI-Regler) anhand von T
1 und den Bahnspannungsabschnittsgrößen Abschnittslänge l (hier l
12, l
23, l
34, l
45) und Bahngeschwindigkeit v (hier v
2, V
3, v
4, v
5) zu:
- b:
- Globale Reglerschärfe
- bx:
- lokale Reglerschärfe
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Es sei bemerkt, dass die Bahngeschwindigkeit nicht in jedem Fall in die Berechnung eingeht. Regelgröße kann z. B. eine additive Geschwindigkeit oder ein Geschwindigkeitsfaktor sein. In letzterem Falle geht v üblicherweise ein, in ersterem typischerweise nicht.
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Durch die Erfindung wird die Reglerparametrierung wesentlich vereinfacht, da sie nur noch von bekannten oder leicht bestimmbaren Größen abhängt. Sollte eine der Größen nicht bekannt sein, kann die Bestimmung dennoch durchgeführt werden, wobei dann diese Größe vernachlässigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1790601 A2 [0005]
- DE 102008035639 [0006]
- DE 102009019624 [0007]
- DE 102005058810 A1 [0016, 0031]
- DE 102007017096 A1 [0017]
- DE 102008056132 [0017]
- DE 102009016206 [0017]
