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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Druckregelventil, zur Steuerung einer Durchflussmenge eines Fluides in Abhängigkeit einer Ventilstellung, mit einem Stellelement zum Einstellen der Ventilstellung sowie mit einer integrierten Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen Soll-Wert von einer externen Steuereinheit zu empfangen und das Stellelement auf den Soll-Wert einzustellen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Ventils.
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Gattungsgemäße Ventile werden bspw. bei Feldspritzen als Druckregelventil eingesetzt. Feldspritzen sind Landmaschinen, die in der Agrarindustrie zum Ausbringen von Pflanzenschutz- oder Düngemitteln auf Feldern eingesetzt werden. Eine typische Feldspritze ist bspw. in
DE 10 2013 104 180 A1 beschrieben.
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Bei Feldspritzen wird eine in einem Vorratsbehälter befindliche Spritzbrühe durch eine dem Vorratsbehälter nachgelagerte Flüssigkeitspumpe unter Druck gebracht und dann mittels Spritzdüsen zerstäubt und auf der landwirtschaftlichen Nutzfläche verteilt. Zwischen der Pumpe und den Spritzdüsen ist ein Druckregeventil angeordnet, über das die Ausbringmenge eingestellt und geregelt werden kann. Das Druckregelventil ist eingangsseitig über eine Zuführleitung mit der Pumpe verbunden und ausgangsseitig mit einer Ausbringleitung (Druckleitung) und einem drucklosen Rücklauf. Die Pumpe fördert die Flüssigkeit durch die Zuführleitung zum Druckregelventil. Mittels Querschnittsteilung leitet das Druckregelventil eine von der Pumpe geförderte, überschüssige Flüssigkeitsmenge über den drucklosen Rücklauf zurück in den Vorratsbehälter, sodass nur eine gewünschte Flüssigkeitsmenge zu der Ausbringleitung gelangt. Das Druckregelventil wird von einer externen Steuereinheit eingestellt und geregelt. Hierfür empfängt das Ventil kontinuierlich digitale oder analoge Stellsignale, um die Ausbringmenge an die jeweiligen Anforderungen anzupassen.
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Zur Reglung der Ausbringmenge werden von der externen Steuereinheit eine Vielzahl von Parametern erfasst und berücksichtigt. Die Parameter umfassen bspw. die aktuelle Durchflussmenge zu den Spritzdüsen, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und/oder die aktuelle Arbeitsbreite. Darüber hinaus kann die Ausbringmenge auch von der gegenwärtigen Position der Landmaschine und einer Applikationskarte abhängig sein. Die externe Steuereinheit sammelt die Parameter zentral, führt einen Soll/Ist-Abgleich anhand der Parameter durch und regelt das Druckregelventil kontinuierlich nach. Mit steigender Anzahl an Parametern verlängert sich jedoch der Regelkreis unvorteilhaft, insbesondere wenn die Parameter von verschiedenartigen Störgrößen beeinflusst werden. Ein umfassender Regelkreis, der sämtliche Parameter berücksichtigt ist somit nur bedingt durch die externe Steuervorrichtung beherrschbar.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Ventil sowie ein Verfahren zu dessen Steuerung anzugeben, dass die Regelung einer Durchflussmenge an einer landwirtschaftlichen Spritzmaschine vereinfacht. Insbesondere ist es eine Aufgabe ein Ventil anzugeben, das einen kurzen Regelkreislauf auch bei einer Vielzahl von Einstellparametern ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Ventil der eingangsgenannten Art, wobei die integrierte Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, unabhängig von der externen Steuereinheit einen Ist-Wert, der eine gegenwärtige Durchflussmenge repräsentiert, zu ermitteln, einen Vergleich zwischen dem ermittelten Ist-Wert und dem empfangenen Soll-Wert durchzuführen sowie das Stellelement basierend auf diesem Vergleich zu regeln.
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Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung eines Ventils für eine landwirtschaftliche Spritzmaschine gelöst, mit den Schritten:
- - Empfangen eines Soll-Werts für eine gewünschte Durchflussmenge von einer externen Steuereinheit durch eine in das Ventil integrierte Steuervorrichtung;
- - Anpassen einer Ventilstellung an den Soll-Wert durch die integrierte Steuervorrichtung;
- - Ermitteln eines Ist-Werts einer gegenwärtigen Durchflussmenge;
- - Vergleichen des empfangenen Soll-Werts mit dem ermittelten Ist-Wert durch die integrierte Steuervorrichtung; und
- - Anpassen der Ventilstellung in Abhängigkeit des Soll/Ist-Vergleichs.
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Es ist somit eine Idee der vorliegenden Erfindung, dass sich das Ventil hinsichtlich der bereitzustellenden Durchflussmenge selbst regelt. Die Ventil-interne Steuervorrichtung ermittelt daher selbstständig und unabhängig von einer externen Steuereinheit einen Parameter, der die gegenwärtige Durchflussmenge repräsentiert, und regelt das Ventil entsprechend ein. Das Ventil ist somit eingerichtet, unabhängig einen Soll/Ist-Vergleich bezüglich dieses Parameters durchzuführen und basierend auf dem Ergebnis direkt das Stellelement, bspw. einen elektrisch angetriebenen Aktuator, anzusteuern. Eine externe Steuereinheit muss dementsprechend lediglich einen Soll-Wert für den Parameter vorgeben auf den das Ventil selbstständig einregelt, ohne dass die externe Steuereinheit selbst einen entsprechenden Abgleich zwischen dem Soll-Wert und einem Ist-Wert durchführt. Somit wird ein Teil des sonst üblichen Regelkreises auf das Ventil delegiert und verkürzt.
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Die Verkürzung ergibt sich bei der Regelung der Durchflussmenge daraus, dass das Ventil unmittelbar die Durchflussmenge beeinflussen kann (closed-loop). Der Regelkreis in Bezug auf die Durchflussmenge wird somit auf das Wesentliche reduziert und entsprechend optimiert.
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Die direkte Regelung der Durchflussmenge entlastet die externe Steuerung, da diese einen Soll/Ist-Vergleich zumindest für die Regelung der Durchflussmenge nicht mehr durchführen muss. Zudem erleichtert dies die Steuerung, wenn mehrere Regelventile von einer gemeinsamen externen Steuereinheit bedient werden, da die Steuerung lediglich einen Soll-Wert für die Ventile bereitstellen muss, nicht jedoch eine sich kontinuierlich in Abhängigkeit einer Regelabweichung ändernde Stellgröße. Denkbar ist dabei, dass die gemeinsame externe Steuereinheit unterschiedlichen Ventilen unterschiedliche Soll-Werte vorgibt, je nach Funktion und Lage des jeweiligen Ventils. Es entsteht ein optimaler Regelkreis, da jedes Ventil seinen Sollwert kennt.
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Insgesamt ermöglicht das selbstregelnde Ventil eine vereinfachte Regelung der Durchflussmenge an einer landwirtschaftlichen Spritzmaschine. Die eingangsgenannte Aufgabe ist somit vollständig gelöst.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die integrierte Steuervorrichtung mit einem Durchflussmesser und/oder einem Drucksensor gekoppelt werden, um den Ist-Wert der gegenwärtigen Durchflussmenge zu ermitteln.
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Die gegenwärtige Durchflussmenge kann somit über einen Sensor bestimmt werden, wobei verschiedene Messprinzipien denkbar sind. Ebenso können auch mehrere Sensoren zur Bestimmung der gegenwärtigen Durchflussmenge beitragen bzw. sich gegenseitig ergänzen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die integrierte Steuervorrichtung einen individuell programmierbaren Regler aufweisen, insbesondere einen PID-Regler.
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Indem ein programmierbarer Regler eingesetzt wird, ist die Regelung der internen Steuervorrichtung individuell einstellbar und auch nachträglich noch veränderbar. Ein Erstausrüster (OEM) kann somit ein Ventil nachträglich mit einem eigenen Regelalgorithmus ausstatten, um auf diese Weise eine optimale Steuerung der Maschine zu erreichen. Somit behält der OEM die für ihn wichtige Kontrolle über den Flüssigkeitsausstoß, ohne auf eine direkte Regelung der Durchflussmenge am Einzelventil verzichten zu müssen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die integrierte Steuervorrichtung dazu eingerichtet sein, den ermittelten Ist-Wert an die externe Steuereinheit zu melden.
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Das Ventil kann gemäß dieser Ausgestaltung nicht nur den gegenwärtigen Ist-Wert bestimmen und basierend hierauf das Stellelement regeln, sondern den ermittelten Ist-Wert auch an die externe Steuereinheit weiterleiten. Auf diese Weise kann die externe Steuereinheit basierend auf dem bereitgestellten Ist-Wert weitere über die Regelung des Ventils hinausgehende Regelungsaufgaben wahrnehmen. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die externe Steuereinheit nicht mit einem zusätzlichen Sensor verbunden werden muss, um den Ist-Wert für die Durchflussmenge zu bestimmen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das Ventil einen integrierten Durchflussmesser aufweisen, über den die integrierte Steuervorrichtung den Ist-Wert ermittelt.
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In dieser Ausgestaltung ermittelt die interne Steuervorrichtung den Ist-Wert der Durchflussmenge nicht über einen externen Durchflussmesser, sondern über einen Durchflussmesser, der fester Bestandteil des Ventils ist. Bspw. kann ein Detektor oder Messfühler der Messeinrichtung für die Durchflussmessung im Anschlussbereich zu der Druckleitung realisiert sein, während die zugehörige elektronische Komponente der Messeinrichtung am gleichen Ort mit der integrierten Steuervorrichtung zusammengefasst ist. Denkbar ist zudem, dass die elektronischen Komponenten der Messeinrichtung durch einen Teil der integrierten Steuervorrichtung implementiert werden. Bspw. könnte der Detektor mit einem analogen Eingang der integrierten Steuervorrichtung gekoppelt sein oder mit einem Eingang eines in der Steuervorrichtung integrierten Analog/DigitalWandlers. Auf diese Weise kann auf einen externen Anschluss oder auf einen Anschlussadapter verzichtet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das Ventil eine Elektronikeinheit aufweisen, die von einem Gehäuse umschlossen ist und mindestens eine Leiterplatte aufweist, auf der die integrierte Steuervorrichtung sowie eine Elektronikkomponente des integrierten Durchflussmessers integriert sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der integrierte Durchflussmesser ein induktiv-magnetischer Durchflussmesser sein.
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Induktiv-magnetische Durchflussmesser haben den Vorteil, dass diese den Durchfluss nicht beeinflussen, wie bspw. Durchflussmesser, die auf einem Differenzdruck-Messprinzip beruhen. Zudem messen induktiv-magnetische Durchflussmesser einen Durchfluss direkt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das Ventil eine Messeinrichtung aufweisen, um eine gegenwärtige Ventilstellung zu bestimmen, wobei die integrierte Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, das Stellelement in Abhängigkeit der gegenwärtigen Ventilstellung zu steuern.
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Das Ventil kann somit über einen weiteren diskreten, geschlossenen Regelkreis verfügen, wobei die beiden Regelkreise synergetisch auf dieselben Strukturen zurückgreifen können. Das Ventil kann sich somit hinsichtlich eines weiteren Parameters selbstregelnd verhalten, wodurch ein weiterer externer Regeleingriff vermieden werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das Ventil eine Schnittstelle zu einem Feldbus, insbesondere einem CAN-Bus, aufweisen, wobei die integrierte Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, den Soll-Wert von der externen Steuereinheit über die Schnittstelle zu empfangen.
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Da das Ventil lediglich einen Soll-Wert von der externen Steuerung empfangen muss, kann sich dieser auf einen digitalen Wert beschränken, der vorteilhaft über einen bekannten Kommunikationsbus übermittelt wird. Das Ventil lässt sich auf diese Weise besonders einfach in ein bestehendes Kommunikationsnetz integrieren, ohne ein eigenes Kommunikationsprotokoll oder eine Schnittstelle für analoge Signale bereitstellen zu müssen. Indem lediglich ein Digitalwert übermittelt wird, wird die Kommunikation insgesamt robuster, überprüfbarer und damit weniger fehleranfällig. Es versteht sich, dass die Schnittstelle nicht nur zum Empfangen von Daten verwendet werden kann, sondern die integrierte Steuervorrichtung über die Schnittstelle auch Daten für andere Komponenten des Systemaufbaus bereitstellen kann.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehenden 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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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung der Hauptkomponenten eines Pflanzenschutzgeräts sowie den entsprechenden Regelkreislauf nach dem Stand der Technik,
- 2: das Pflanzenschutzgerät nach 1 mit einem Ventil gemäß der vorliegenden Offenbarung sowie den entsprechenden Regelkreislauf hierfür,
- 3: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ventils gemäß der vorliegenden Offenbarung, und
- 4: ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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1 zeigt die Hauptkomponenten eines Pflanzenschutzgeräts sowie den entsprechenden Regelkreislauf nach dem Stand der Technik. Das System 100' umfasst hier ein Druckregelventil 10', eine Pumpe 12, eine Steuereinheit 14, einen Sensor 16, Spritzdüsen 18 sowie einen Leitrechner 20. Es versteht sich, dass diese Darstellung das Pflanzenschutzgerät lediglich exemplarisch wiedergibt und weitere Komponenten das Gesamtsystem komplementieren können.
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Die Pumpe 12 kann eine Verdrängerpumpe sein, die bspw. von der Zapfwelle eines Zugfahrzeugs angetrieben wird. Die Pumpe 12 fördert Spritzflüssigkeit aus einem hier nur schematisch dargestellten Vorratsbehälter 22 zu den Spritzdüsen 18. Zwischen den Spritzdüsen 18 und der Pumpe 12 ist, insbesondere bei Einsatz einer Verdrängerpumpe, ein Ventil 10' angeordnet, welches eine Volumenstromteilung ermöglicht. Das Ventil 10' ist eingangsseitig über eine Zuführleitung 24 mit der Pumpe 12 und ausgangsseitig sowohl mit einer Ausbringleitung (Druckleitung) 26, die zu den Spritzdüsen 18 führt, als auch mit einem drucklosen Rücklauf 28 verbunden. Mittels Volumenstromteilung ermöglicht das Ventil 10', dass eine von der Pumpe überschüssig geförderte Flüssigkeitsmenge zurück in den Vorratsbehälter geleitet wird und nur eine gewünschte Menge an Flüssigkeit zu den Spritzdüsen gefördert wird.
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Das Ventil 10' kann ein regelbares Ventil sein. Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Regelung der Durchflussmenge des Ventil 10' bei einem Pflanzenschutzgerät nach Vorgabe einer externen Steuereinheit 14. Die externe Steuereinheit 14 ist mit einem Sensor 16 in der Ausbringleitung 26 gekoppelt, der einen Messwert relativ zu der gegenwärtigen Durchflussmenge zu den Spritzdüsen 18 bereitstellt. Der Sensor 16 kann, wie hier angedeutet, ein Durchflussmesser 30 oder ein Drucksensor 32 sein. Denkbar ist auch, dass mehrere Sensoren kombiniert eine entsprechende Angabe zur gegenwärtigen Durchflussmenge erzeugen.
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Die Steuereinheit 14 vergleicht die gegenwärtige Durchflussmenge (Ist-Wert) mit einer gewünschten Durchflussmenge (Soll-Wert). Die gewünschte Durchflussmenge kann von einer Vielzahl weiterer Parameter abhängen, wie bspw. von der Geschwindigkeit der Zugmaschine, der aktuellen Arbeitsbreite oder einer Vorgabe basierend auf einer Applikationskarte. Die weiteren Parameter können bspw. von dem Leitrechner 20 bereitgestellt werden oder über diesen verändert werden.
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Weichen der Ist-Wert und der Soll-Wert voneinander ab, veranlasst die Steuereinheit 14 eine Nachregelung des Ventils 10'. Die Steuereinheit 14 ist hierfür über eine Verbindung 34 mit dem Ventil 10' gekoppelt, um bspw. zeitlich getaktete Steuersignale zur Anpassung der Ausstoßmenge an das Ventil 10' zu senden. Die Verbindung 34 ist gemäß dem Stand der Technik eine dedizierte analoge oder digitale Verbindung für die Ansteuerung und optional eine analoge Verbindung für die Rückmeldung seitens des Ventils 10'.
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Basierend auf der Ansteuerung des Ventils 10' durch die Steuereinheit 14 ändert das Ventil 10' eine Ventilstellung, um eine entsprechend größere oder kleinere Volumenteilung einzustellen. Die daraus resultierende, geänderte Durchflussmenge in der Ausbringleitung 18 wird wiederum von dem Sensor 16 erfasst, an die Steuerung 14 gemeldet und dort erneut mit der gewünschten Durchflussmenge verglichen. Das Zusammenwirken der Steuereinheit 14 mit dem Sensor 16 und dem Ventil 10' bildet einen Regelkreis, der hier mit der Bezugsziffer 36 bezeichnet ist. Der Regelkreis 36 weist die eingangsgenannten Probleme auf.
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2 zeigt das Pflanzenschutzgerät nach 1, jedoch nunmehr mit einem Ventil gemäß der vorliegenden Offenbarung sowie den entsprechenden Regelkreislauf hierfür. Das System ist in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet. Das Ventil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Im Übrigen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie in Bezug auf 1, deren Beschreibung im Folgenden nicht wiederholt wird.
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Das System 100 unterscheidet sich von dem System 100' im Wesentlichen durch die Ausgestaltung des Ventils 10. Das Ventil 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung weist eine integrierte Steuervorrichtung 38 auf, die dazu eingerichtet ist, unabhängig von der externen Steuereinheit 14 einen Ist-Wert der gegenwärtigen Durchflussmenge zu ermitteln und einen eigenen Regelkreis 40 zu verwirklichen.
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Die integrierte Steuervorrichtung 38 weist somit zumindest eine erste Schnittstelle auf, über die die integrierte Steuervorrichtung 38 mit einem Sensor 16 gekoppelt werden kann, sowie eine zweite Schnittstelle, über die die integrierte Steuervorrichtung 38 eine gegenwärtige Ventilstellung des Ventils 10 beeinflussen kann. Ferner kann die integrierte Steuervorrichtung 38 über eine dritte Schnittstelle einen Wert für eine gewünschte Durchflussmenge (Soll-Wert) entgegennehmen.
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Die erste Schnittstelle kann eine analoge oder digitale Verbindung 42 zum Sensor 16 sein, über die ein Messwert des Sensors 16 an die integrierte Steuervorrichtung 38 übertragen wird. Die zweite Schnittstelle kann eine interne Verbindung der Steuervorrichtung 38 sein oder eine Verbindung zu einer separaten, im Ventil integrierten Steuerung für die Ventilstellung. Die dritte Schnittstelle kann eine analoge oder digitale Verbindung 44 zu der externen Steuereinheit 14 sein. Die Verbindung kann eine direkte Verbindung sein, oder aber eine indirekte Verbindung über einen Bus 46, wie dies in der 2 exemplarisch dargestellt ist. Der Bus 46 kann ein handelsüblicher Feldbus sein, bspw. ein CAN-Bus, wie er regelmäßig für eine Vernetzung in Fahrzeugen vorgesehen ist. Über die dritte Schnittstelle wird der Soll-Wert von der Steuereinheit 14 an die integrierte Steuervorrichtung 38 übertragen. Der Soll-Wert wird von der Steuereinheit 14 unabhängig von dem gegenwärtigen Ist-Wert des Sensors 16 an die integrierte Steuervorrichtung 38 übertragen.
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Es versteht sich, dass an den Bus 46 weitere Teilnehmer angeschlossen sein können. Bspw. können in verschiedenen Ausführungsformen die Steuereinheit 14 und der Leitrechner 20 ebenfalls über den Bus 46 kommunizieren. Ebenso ist es denkbar, dass die Verbindung 42 zwischen dem Ventil 10 und dem Sensor 16 ebenfalls über den Bus 46 oder einen weiteren Bus realisiert ist.
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Die integrierte Steuervorrichtung 38 kann bspw. als Mikrocontroller (µC) implementiert eine eigenständige Einheit innerhalb des Ventils 10 bilden. Denkbar ist jedoch auch, dass die integrierte Steuervorrichtung 38 als Komponente einer bestehenden Steuerung im Ventil 10 implementiert ist. Bspw. kann das Ventil 10 bereits einen Mikrocontroller als Steuerung für die Ventilstellung aufweisen, auf dem die integrierte Steuervorrichtung 38 zusätzlich implementiert wird. Hierfür kann ein solcher Mikrocontroller sowohl auf Seiten der Hardware als auch auf Seiten der Software erweitert werden. Denkbar ist auch, dass lediglich eine Softwareänderung am Mikrocontroller ausreicht, um diesen als integrierte Steuervorrichtung 38 in der gewünschten Form einzurichten.
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Unabhängig von ihrer jeweiligen Ausgestaltung ist die integrierte Steuervorrichtung 38 dazu eingerichtet, einen Vergleich zwischen dem ermittelten Ist-Wert und dem empfangenen Soll-Wert durchzuführen (Soll/Ist-Vergleich) und basierend hierauf einen Einstellvorgang auszulösen. Der Einstellvorgang beinhaltet das Verändern der Ventilstellung, so dass in Abhängigkeit des Vergleichs eine größere oder kleinere Flüssigkeitsmenge zu der Ausbringleitung 26 gefördert wird.
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Im System 100 bilden die integrierte Steuervorrichtung 38 des Ventils 10 und der Sensor 16 somit einen eigenen Regelkreis 40 zum Regeln der Durchflussmenge zu den Spritzdüsen. Der Regelkreis 40 ist somit unabhängig von der externen Steuereinheit 14. Diese gibt lediglich einen Soll-Wert für die Durchflussmenge vor, ohne diesen jedoch in eine Abhängigkeit eines gemessenen Ist-Werts zu setzen bzw. ohne selbstständig einen entsprechenden Vergleich durchzuführen. Die externe Steuereinheit 14 kann somit auch eine Vielzahl von Ventilen auf einfache Weise ansteuern, da sich die Steuereinheit 14 nicht um die Regelung an sich kümmern muss. Diese wird vielmehr von dem jeweiligen Ventil direkt und selbstständig basierend auf einer einfachen Soll-Wert-Vorgabe durchgeführt.
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Der Regelkreis 40 ist daher optimal verkürzt im Vergleich zum Regelkreis 36, da keine zusätzlichen Komponenten in der Regelkette enthalten sind. Die integrierte Steuervorrichtung 38 ist vielmehr unmittelbar mit dem Sensor 16, der die zu beeinflussende Stellgröße bestimmt, sowie mit der die Stellgröße beeinflussenden Einstellvorrichtung verbunden. Ungenauigkeiten aufgrund einer Zwischenverarbeitung oder aufgrund von Kommunikationsverzögerungen können so effektiv vermieden werden.
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Ein möglicher Aufbau des Ventils 10 sowie mögliche Varianten werden in Bezug auf 3 näher erläutert. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ventils gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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Das Ventil 10 ist hier in einer Explosionszeichnung dargestellt, um die einzelnen, sich im umschließenden Gehäuse befindlichen Komponenten näher zu verdeutlichen. Das Ventil 10 kann sich aus zwei Gehäuseteilen 48, 50 zusammensetzen. Der erste Gehäuseteil 48 umfasst den Fluidregler und der zweite Gehäuseteil 50 die elektrischen Komponenten des Ventils 10, die zum Einstellen des Fluidreglers dienen. Die beiden Gehäuseteile 48, 50 sind so eingerichtet, dass im zusammengesetzten Zustand keine Fluide von dem ersten Gehäuseteil 48 in den zweiten Gehäuseteil 50 fließen können. Eine Antriebsstange (hier nicht dargestellt), welche eine Wirkverbindung zwischen dem ersten Gehäuseteil 48 und dem zweiten Gehäuseteil 50 bildet, ist über Dichtungen isoliert.
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Der erste Gehäuseteil 48 bildet den Fluidregler aus, der im vorliegenden Beispiel ein Kugelregler ist. Der Fluidregler verfügt hier über drei Anschlüsse 52, 54, 56, über die Zu- und Ablaufleitungen angeschlossen werden können. Bei dem gezeigten Ventil 10 ist der Anschluss 52 im Boden des ersten Gehäuseteils 48 ein Zulauf und die Anschlüsse 54, 56 an den Seiten sind jeweils Abläufe. Zentral im ersten Gehäuseteil 48 und damit im Schnittpunkt der Zu- und Abläufe befindet sich eine um die Achse 58 drehbargelagerte Kugel. Die Kugel ist so geformt und mit Ausschnitten versehen, dass sie einen Volumenstrom vom Zulauf auf die Abläufe aufteilen vermag. Das Verhältnis der Volumenstromteilung ist hierbei abhängig von einer Drehposition der Kugel. Die Drehposition wird auch als Ventilstellung bezeichnet.
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Die Ventilstellung ist durch ein Stellelement einstellbar, welches im zweiten Gehäuseteil 50 angeordnet ist. Das Stellelement kann ein Stellmotor 60 sein, der über ein Getriebe 62 und die Antriebsstange mit der Kugel im ersten Gehäuseteil 48 gekoppelt ist. Eine Drehbewegung des Stellmotors 60 wird mittels des Getriebes 62 und der Antriebsstange auf die Kugel übertragen, um eine gewünschte Volumenstromteilung einzustellen.
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Ferner beinhaltet der zweite Gehäuseteil 50 eine für die Ansteuerung des Stellelements benötigte Elektronik 64. Die Elektronik 64 kann verschiedene aktive und passive Komponenten umfassen, die als diskrete oder integrierte Bauteile, wie hier dargestellt, auf einer Leiterplatte 66 angeordnet sein können. Die Elektronik 64 umfasst eine Steuerung, die bspw. als ein Mikrocontroller ausgebildet sein kann und welche die Ansteuerung des Stellmotors 60 in Abhängigkeit eines Stellsignals ausführt. Eine Schnittstelle 68 verbindet die Steuerung mit einer übergeordneten Steuereinheit, welche eine Stellgröße vorgibt, auf die die Steuerung einregelt. Die Schnittstelle 68 sowie die Regelung gemäß der vorliegenden Offenbarung wird nachfolgenden noch im Detail erläutert.
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Die Elektronik 64 kann ferner über eine Messeinrichtung zur Messung der aktuellen Ventilstellung verfügen. Bspw. kann die Messeinrichtung Mittel aufweisen, um die Drehbewegung der Antriebstange zu bestimmen, um daraus auf die gegenwärtige Drehposition der Kugel zu schließen. In verschiedenen Ausführungen kann die Messung berührungslos erfolgen. Eine Schnittstelle verbindet die Messeinrichtung mit der Steuerung, so dass diese die gegenwärtige Ventilstellung ermitteln und selbstständig nachregeln kann. Das Ventil 10 kann somit eingerichtet sein, unmittelbar Korrekturen vorzunehmen, falls eine gegenwärtige Ventilstellung von einer erwarteten Ventilstellung abweicht.
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Der zweite Gehäuseteil 50 kann aus einer Schale 70, einem Deckel 72 und einer dazwischenliegenden Dichtung 74 gebildet sein und einer definierten IP-Klassifizierung, bspw. IP67 oder höher, genügen. Ein Wirkverbindung zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseteil 48, 50 bildet die isolierte Antriebstange, die sich aus einer abgedichteten Öffnung 76 im ersten Gehäuseteil 48 in eine entsprechende Öffnung im Gehäuseboden des zweiten Gehäuseteils 50 erstreckt. Ein vorkonfektionierter Kabelstrang 78, der über einen abgedichteten Anschluss 80 herausgeführt ist, kann die Schnittstelle 68 zu einer übergeordneten Steuereinheit oder weiteren Komponenten ausbilden.
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Für eine Regelung im Sinne der vorliegenden Offenbarung weist das Ventil 10 ferner eine in dem Ventil integrierte Steuervorrichtung 38 auf, die das Stellelement steuern kann. Die integrierte Steuervorrichtung 38 kann ein eigenständiger Mikrocontroller sein oder aber als ein Teil einer vorhandenen Steuerung des Ventils implementiert sein. Die integrierte Steuervorrichtung 38 ist dazu eingerichtet, unabhängig von der externen Steuereinheit einen Ist-Wert, der eine gegenwärtige Durchflussmenge repräsentiert, zu ermitteln. Mit anderen Worten, die integrierte Steuervorrichtung kann einen Messwert empfangen, der eine gegenwärtige Durchflussmenge aus einem der Abläufe darstellt. Hierfür kann die integrierte Steuervorrichtung 38 mit einem Durchflussmesser oder einem ähnlichen Sensor verbunden sein, der kontinuierlich die gegenwärtige Durchflussmenge bestimmt.
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Darüber hinaus ist die integrierte Steuervorrichtung 38 direkt oder indirekt mit einer übergeordneten Steuereinheit verbunden, die einen Soll-Wert für eine gewünschte Durchflussmenge vorgibt. Der Soll-Wert kann ein konkreter Wert sein oder ein proportionales Signal, welches den Soll-Wert angibt. Die integrierte Steuervorrichtung 38 vergleicht den empfangenen Soll-Wert mit dem ermittelten Ist-Wert. Wenn die Werte in einem definierten Toleranzbereich voneinander abweichen, veranlasst die integrierte Steuervorrichtung 38 eine Änderung der Ventilstellung und damit eine Änderung der Volumenstromteilung. Daraus resultierend fließt mehr oder weniger Flüssigkeit in den entsprechenden Ablauf, bis der Ist-Wert dem geforderten Soll-Wert entspricht. Das Ventil 10 bildet somit einen geschlossenen Regelkreis für die Durchflussmenge aus einem seiner Abläufe ab.
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Der Regelkreis kann konfigurierbar sein. Bspw. kann die integrierte Steuervorrichtung als ein programmierbarer Regler ausgebildet sein oder einen solchen aufweisen, um individuelle Regelalgorithmen implementieren zu können. Eine Programmierung des Reglers kann bspw. entfernt (remote) über die Schnittstelle 68 erfolgen. Denkbar ist auch, dass in einem Auslieferungszustand verschiedene Algorithmen in dem Regler vorprogrammiert sind, die anschließend von einem Endanwender für den Betrieb ausgewählt werden können. Der Regler kann ein PID-(proportional-integral-derivative)-Regler sein.
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Die integrierte Steuervorrichtung 38 kann zudem eingerichtet sein, den ermittelten Ist-Wert an die übergeordnete Steuereinheit zu melden. Die Steuereinheit kann dann anhand des Ist-Werts weitere Steuerfunktionen wahrnehmen, ohne selbst mit einer entsprechenden Sensorik verbunden zu sein. Insbesondere kann die integrierte Steuervorrichtung 38 einen konkreten, vorzugsweise digitalen, Einzelwert an die Steuereinheit übertragen, so dass die Steuereinheit eine separate Sensorik nicht selbst auswerten muss. Damit kann die externe Steuereinheit nicht nur die Regelung, sondern auch die Messwerterfassung vollständig auslagern und von dem Ventil 10 durchführen lassen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Sensorik zur Bestimmung der Durchflussmenge auch in den Ventilaufbau selbst integriert sein. Hierdurch ließe sich die Regelung weiter optimieren. Ferner könnten Installation und Verkabelung einer externen Sensorik entfallen.
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Bspw. könnte in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Anschluss 56 des Ablaufs des Ventils 10 einen Durchflussmesser beinhalten, der direkt eine Durchflussmenge in den Ablauf misst. Hierfür können Detektoren oder Messfühler in den Anschluss 56 integriert werden, wobei die für die Auswertung notwendigen elektrischen Komponenten zusammen mit der integrierten Steuervorrichtung 38 auf der Leiterplatte 66 angeordnet sind. Wenn die integrierte Steuervorrichtung als Mikrocontroller ausgebildet ist, können die Messfühler auch direkt mit einem analogen Eingang oder einem Analog/DigitalWandler des Mikrocontrollers verbunden werden, wodurch der integrierte Durchflussmesser besonders effektiv in das Ventil integriert werden kann. Durch die Integration des Durchflussmessers in das Ventil 10 können Kommunikationswege innerhalb des Regelkreises auf das Äußerste verkürzt werden, wodurch Verzögerungen in der Regelkette minimiert werden.
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4 zeigt abschließend in einem Flussdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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Das Verfahren 1000 umfasst hier exemplarisch fünf Schritte zur Ausführung.
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Schritt 1001 umfasst das Empfangen eines Soll-Werts für eine gewünschte Durchflussmenge von einer externen Steuereinheit durch eine in das Ventil integrierte Steuervorrichtung. Die externe Steuereinheit ist eine übergeordnete Steuerung des Systems in dem das Ventil eingebunden ist und ist vorzugsweise über eine Bus-Schnittstelle mit der integrierten Steuervorrichtung gekoppelt.
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Schritt 1002 umfasst das Anpassen der Ventilstellung an den Soll-Wert durch die integrierte Steuervorrichtung. Mit anderen Worten die integrierte Steuervorrichtung verändert die Ventilstellung, um die gewünschte Soll-Durchflussmenge einzustellen.
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Im Schritt 1003 ermittelt die integrierte Steuervorrichtung eine gegenwärtige Durchflussmenge. Hierfür ist die Steuervorrichtung mit einem entsprechenden externen oder internen Sensor gekoppelt.
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Im Schritt 1004 vergleicht die integrierte Steuervorrichtung den Soll-Wert mit dem Ist-Wert, um eine Abweichung von dem gewünschten Soll-Wert festzustellen.
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Wenn eine Abweichung vorliegt, regelt die integrierte Steuervorrichtung das Ventil 10 nach, indem es im Schritt 1005 die Ventilstellung entsprechend anpasst, um den Ist-Wert an den Soll-Wert anzugleichen.
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Es versteht sich, dass die integrierte Steuervorrichtung die Schritte 1003-1005 kontinuierlich ausführen kann, um eine kontinuierliche Anpassung an einen sich verändernden Ist-Wert zu erreichen. Ferner ist das Verfahren nicht auf die hier dargestellten Schritte beschränkt. Weitere Schritte vor, zwischen und nach diesen sind denkbar. Die weiteren Schritte können sich an den Varianten, die für das Ventil 10 vorgeschlagen sind, orientieren.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder in den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013104180 A1 [0002]
