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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung sowie eine Vorrichtung
zur Temperierung gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 bzw. 15.
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Durch
die
DE 44 29 520 A1 ist
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperierung eines Bauteiles
in einer Druckmaschine bekannt, wobei das Bauteil über ein
zumindest teilweise umlaufendes Fluid temperiert wird. Ein Stellglied,
mittels welchem ein Mischungsverhältnis an einer Einspeisestelle zweier
Fluidströme
verschiedener Temperatur einstellbar ist, wird über eine zwischen der Einspeisestelle
und dem Bauteil angeordnete Temperaturmessstelle gesteuert.
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Die
EP 0 886 577 B1 offenbart
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperierung eines Bauteils,
wobei eine Bauteiltemperatur mittels Sensoren überwacht und der Messwert an
eine Steuereinheit gegeben wird. Weicht die am Bauteil gemessene Temperatur
von einem Sollwert ab, so senkt bzw. erhöht die Steuereinheit die Temperatur
eines Kühlmittels
in einer Kühleinheit
um eine bestimmten Betrag, wartet einen Zeitraum ab und wiederholt
die Messung und die genannten Schritte bis der Sollwert wieder erreicht
ist.
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Die
EP 1 011 037 A2 offenbart
ein Verfahren zur Temperaturregelung mittels einer Regeleinrichtung,
wobei ein Messwert einer Temperatur an zwei auf einer Regelstrecke
angeordneten, voneinander beabstandeten Messstellen ermittelt wird,
und jeweils einer der Messwerte zwei kaskadenartig miteinander verbundenen
Regelkreisen der Regeleinrichtung zugeführt wird.
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Durch
die
DE 198 57 107
A1 ist eine Temperiereinrichtung einer Druckmaschine offenbart,
wobei auf einer Zuführstrecke
des Temperiermittels eine Temperatur ermittelt und hiermit über eine
Steuerschaltung ein Ventil gesteuert wird.
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Die
Patent Abstracts of Japan
JP
60161152 A offenbart eine Temperiervorrichtung einer Kühlwalze,
wobei zur Steuerung eines Regelventils ein auf der Zuführstrecke
gemessener und ein auf der Walzenoberfläche detektierter Temperaturwert
herangezogen werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperierung
sowie eine Vorrichtung zur Temperierung zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1 bzw. 15 gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass die Regelung auch bei vorliegen größerer Transportstrecken für das Temperiermedium
sehr schnell und stabil arbeitet. Die kurze Reaktionszeit ermöglicht den
Einsatz in Anwendungen und Prozessen mit hohen dynamischen Anteilen.
So ist die vorliegende Temperierung auch dort von großem Vorteil,
wo schnelle Änderungen
in einem Temperatursollwert nachvollzogen werden müssen und/oder
wo sich äußere Bedingungen, wie
z. B. Energieeintrag durch Reibung oder Außentemperatur, sehr schnell ändern.
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Die
schnelle Regelung trotz ggf. langer Transportwege für das Fluid
wird einerseits dadurch erreicht, dass einem die Temperatur am Bauteil überwachenden
Regelkreis weitere, insbesondere zwei Regelkreise, unterlagert sind.
Auch kann in einer vereinfachten Ausführung die direkte Ermittlung
der Temperatur des Bauteils unterbleiben und ein die Temperatur
am Eintritt in das Bauteil überwachender Regelkreis
durch einen weiteren Regelkreis unterlagert werden. Die Regelstrecke
vom Ort der Aufbereitung des Temperiermediums (Mischen, Heizen,
Kühlen)
bis zum Zielort, z. B. dem Bauteil selbst oder dem Eintritt in das
Bauteil, ist somit in mehrere Teilstrecken und -laufzeiten unterteilt.
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Von
großem
Vorteil ist hierbei, dass ein innerster Regelkreis die Temperiermitteltemperatur
bei der Aufbereitung (Mischen, Heizen, Kühlen) bereits äußerst ortsnah überwacht
und regelt, so dass ein ggf. bei der Aufbereitung auftretender Fehler
bereits am Anfang der Transportstrecke detektiert und ausgeregelt
wird, und nicht erst bei Erreichen des Bauteils festgestellt und
eine Maßnahme
getroffen wird.
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Von
besonderem Vorteil sind Ausführungen, bei
denen eine Vorsteuerung bzgl. des Wärmeflusses (Verluste), bzgl.
der Laufzeiten und/oder bzgl. der Maschinendrehzahl erfolgt. Eine
weitere Beschleunigung des Regelprozesses ist durch Vorsteuerung
bzgl. einer Amplitudenüberhöhung und/oder
im Hinblick auf das Einbeziehen der Rücklauftemperatur zu erreichen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
Folgenden näher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Temperierstrecke mit erstem Ausführungsbeispiel
für die
Regeleinrichtung bzw. den Regelprozess;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
für die
Regeleinrichtung bzw. den Regelprozess;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
für die Regeleinrichtung
bzw. den Regelprozess;
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
für die Regeleinrichtung
bzw. den Regelprozess;
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5 eine
Weiterbildung der Ausführung
gemäß 1 bis 4 den
inneren Regelkreis betreffend;
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6 eine
Weiterbildung der Ausführung
gemäß 1 bis 4 den äußeren Regelkreis
betreffend;
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7 eine
schematische Darstellung eines laufzeitbasierten Reglers;
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8 einen
detaillierteren Ausschnitt der in 1 dargestellten
Temperierstrecke;
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9 ein
erstes Ausführungsbeispiel
für eine
Verwirbelungskammer;
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10 ein
zweites Ausführungsbeispiel
für eine
Verwirbelungskammer;
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11 ein
drittes Ausführungsbeispiel
für eine
Verwirbelungskammer.
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Ein
Bauteil 01 einer Maschine, z. B. einer Druckmaschine, soll
temperiert werden. Das Bauteil 01 der Druckmaschine ist
z. B. Teil eines nicht dargestellten Druckwerkes, insbesondere eine
farbführende
Walze 01 eines Druckwerkes. Diese Walze 01 kann
als Walze 01 eines Farbwerkes, z. B. als Rasterwalze 01,
oder als Zylinder 01 des Druckwerkes, z. B. als Formzylinder 01,
ausgeführt
sein. Besonders vorteilhaft ist die nachfolgend beschriebene Einrichtung
und das Verfahren zur Temperierung zusammen mit einem Druckwerk
für den
wasserlosen Offsetdruck, d. h. einem Druckwerk ohne den Einsatz
von Feuchtmittel, einsetzbar. Im Druckwerk, insbesondere einem Druckwerk
für den
wasserlosen Offsetdruck, ist die Qualität in der Farbübertragung äußerst stark
abhängig
von der Temperatur der Farbe und/oder der farbführenden Oberflächen (z.
B. Mantelfläche
von Walzen 01 oder Zylindern 01 ). Darüber hinaus
ist die Qualität
in der Farbübertragung
auch noch empfindlich gegenüber
einer Spaltgeschwindigkeit, also der Maschinendrehzahl.
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Die
Temperierung erfolgt über
ein Temperiermedium, insbesondere ein Fluid wie z. B. Wasser, welches über eine
Temperierstrecke 02 mit dem Bauteil 01 in thermische
Wechselwirkung gebracht wird. Soll das Bauteil 01 mit dem
Fluid angeströmt
werden, so kann das Fluid auch ein Gas oder Gasgemisch, wie z. B.
Luft sein. Zur Temperierung wird dem Bauteil 01 in einem
ersten Kreislauf 03 das Fluid zugeführt, durchströmt oder
umströmt
das Bauteil 01, nimmt Wärme
auf (kühlen)
oder gibt Wärme
ab (heizen) und strömt
entsprechend erwärmt
oder abgekühlt
wieder zurück.
In diesem ersten Kreislauf 03 kann ein Heiz- oder Kühlaggregat
angeordnet sein, welches zur Herstellung der gewünschten Fluidtemperatur dienen
kann.
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In
der vorteilhaften Ausgestaltung nach 1 steht
der erste Kreislauf 03 jedoch als Sekundärkreislauf 03 in
Verbindung zu einem zweiten Kreislauf 04, einem Primärkreislauf 04,
in welchem das Fluid mit einer definierten und weitgehend konstanten
Temperatur Tv, z. B. Vorlauftemperatur Tv, umläuft. Eine Temperiereinrichtung,
z. B. ein Thermostat, ein Heiz- und/oder Kühlaggregat etc., welches für die Vorlauftemperatur
Tv sorgt, ist hier nicht dargestellt. Über eine Verbindung 05 zwischen
Primär-
und Sekundärkreislauf 03; 04 kann
an einer ersten Verbindungsstelle 06 des Primärkreislaufes 04 über ein
Stellglied 07, z. B. ein steuerbares Ventil 07, Fluid
aus dem Primärkreislauf 04 entnommen
und dem Sekundärkreislauf 03 zudosiert
werden. An einer zweiten Verbindungsstelle 08 wird, je
nach Zufuhr neuen Fluids an der Verbindungsstelle 06, Fluid
vom Sekundärkreislauf 03 an
einer Verbindungsstelle 10 über eine Verbindung 15 in
den Primärkreislauf 04 zurückgegeben.
Hierzu befindet sich beispielsweise das Fluid im Bereich der ersten
Verbindungsstelle 06 auf einem höheren Druckniveau als im Bereich
der zweiten Verbindungsstelle 08. Eine Differenz Δp im Druckniveau
wird z. B. durch ein entsprechende Ventil 09 zwischen den
Verbindungsstellen 06; 08 erzeugt.
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Das
Fluid, bzw. ein Großteil
des Fluids, wird durch einen Antrieb 11, beispielsweise
durch eine Pumpe 11, eine Turbine 11 oder in sonstiger
Weise, auf einer Zuflussstrecke 12, durch das Bauteil 01,
einer Rückflussstrecke 13 und
einer Teilstrecke 14 zwischen Zufluss- und Rückflussstrecke 12; 13 im
Sekundärkreislauf 03 zirkuliert.
Je nach Zufuhr über
das Ventil 07 fließt
nach Durchlaufen des Bauteils 01 eine entsprechende Menge
Fluid über
die Verbindung 15 in den Primärkreislauf 04 ab bzw.
eine entsprechend verminderte Menge Fluids durch die Teilstrecke 14. Der über die
Teilstrecke 14 zurückfließende Teil
und der frisch über
das Ventil 07 an einer Einspeis- bzw. Einspritzstelle 16 zugeführte Teil
vermischen sich und bilden nun das zur Temperierung gezielt temperierte
Fluid. Zur Verbesserung der Durchmischung ist in vorteilhafter Ausführung möglichst
direkt hinter der Einspritzstelle 16, insbesondere zwischen
der Einspritzstelle 16 und der Pumpe 11, eine
Verwirbelungsstrecke 17, insbesondere eine Verwirblungskammer 17,
angeordnet.
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Im
o. g. Fall, dass nicht mittels eines Primärkreislaufs 04, sondern
mittels eines Heiz- oder Kühlaggregates
temperiert wird, entspricht die Einspeis- bzw. Einspritzstelle 16 dem
Ort des Energieaustausches mit dem betreffenden Heiz- oder Kühlaggregat und
das Stellglied 07 beispielsweise einer dem Heiz- oder Kühlaggregat
zugeordneten Leistungssteuerung o. ä. Die Verbindungsstelle 10 im
Kreislauf 03 entfällt,
da das Fluid insgesamt im Kreislauf 03 zirkuliert und an
der Einspeisestelle 16 Energie zu- oder abgeführt bzw.
Wärme oder
Kälte „eingespeist" wird. Das Heiz-
oder Kühlaggregat
entspricht hierbei z.B. dem Stellglied 07.
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Durch
die Temperierung soll letztlich eine bestimmte Temperatur θ3 des Bauteils 01, insbesondere
im Fall einer Walze 01 die Oberflächentemperatur θ3 auf der Walze 01 auf einen bestimmten
Sollwert θ3,soll eingestellt bzw. gehalten werden.
Dies erfolgt durch Messung einer aussagekräftigen Temperatur einerseits
und ein Regeln der Zufuhr an Fluid aus dem Primär- 04 in den Sekundärkreislauf 03 zur
Erzeugung einer entsprechenden Mischtemperatur andererseits.
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Wesentlich
ist es nun, dass in der vorliegenden Vorrichtung bzw. im vorliegenden
Verfahren zwischen der Einspritzstelle 16 und einem Austritt
des zu temperierenden Bauteils 01 mindestens zwei Messstellen
M1; M2; M3 mit Sensoren S1; S2; S3 vorgesehen sind, wobei eine der
Messstellen M1 nahe der Einspritzstelle 16 und mindestens
eine der Messstellen M2; M3 im Bereich des bauteilnahen Endes der Zuflussstrecke 12 und/oder
im Bereich des Bauteils 01 selbst angeordnet ist. Das Ventil 07,
die Pumpe 11, die Einspritzstelle 16 sowie die
Verbindungsstellen 06; 08 sind i. d. R. räumlich nah
zueinander, und z. B. in einem strichliert angedeuteten Temperierschrank 18 angeordnet.
Zufluss- und Rückflussstrecke 12; 13 zwischen
dem Bauteil 01 und dem nicht explizit dargestellten Austritt
bzw. Eintritt in den Temperierschrank 18 weisen i. d. R.
eine gegenüber
den übrigen
Wegstrecken vergleichsweise große
Länge auf,
was in 1 durch jeweilige Unterbrechungen angedeutet ist.
Die Orte für
die Messung sind nun so gewählt,
dass mindestens je eine Messstelle M1 im Bereich des Temperierschrankes 18 und
eine Messstelle M2; M3 bauteilnah, also am Ende der langen Zuflussstrecke 12 angeordnet
ist.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 1 erfolgt die Messung einer ersten Temperatur θ1 zwischen der Einspritzstelle 16 und
der Pumpe 11, insbesondere zwischen einer Verwirbelungsstrecke 17 und
der Pumpe 11, mittels eines ersten Sensors S1. Eine zweite
Temperatur θ2 wird mittels eines zweiten Sensors S2 im
Bereich des Eintrittes in das Bauteil 01 ermittelt. Die
Temperatur θ3 wird in 1 ebenfalls durch
Messung ermittelt, und zwar durch einen auf die Oberfläche der
Walze 01 gerichteten Infrarot-Sensor (IR-Sensor) S3. Der Sensor
S3 kann auch im Bereich der Mantelfläche angeordnet sein oder wie
unten erläutert
u. U. auch entfallen.
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Die
Temperierung erfolgt mit Hilfe einer Regeleinrichtung 21 bzw.
eines Regelungsprozesses 21, welcher im Folgenden näher beschrieben
ist. Der Regeleinrichtung 21 (1) liegt
eine mehrschleifige, hier dreischleifige Kaskadenregelung zu Grunde. Ein
innerster Regelkreis weist den Sensor S1 kurz hinter der Einspritzstelle 16,
einen ersten Regler R1 und das Stellglied 07, d.h. das
Ventil 07, auf. Der Regler R1 erhält als Eingangsgröße eine
Abweichung Δθ1 des Messwertes θ1 von
einem (korrigierten) Sollwert θ1,soll,k (Knoten K1) und wirkt entsprechend
seines implementierten Regelverhaltens und/oder Regelalgorithmus
mit einem Stellbefehl Δ auf
das Stellglied 07. D. h. je nach Abweichung des Messwertes θ1 vom korrigierten Sollwert θ1,soll,k öffnet oder
schließt
er das Ventil 07 oder behält die Stellung bei. Der korrigierte
Sollwert θ1,soll,k wird nun nicht wie sonst üblich direkt
durch eine Steuerung oder manuell vorgegeben, sondern wird unter
Verwendung einer Ausgangsgröße mindestens
eines zweiten, weiter „außen" liegenden Regelkreises
gebildet. Der zweite Regelkreis weist den Sensor S2 kurz vor dem Eintritt
in das Bauteil 01 sowie einen zweiten Regler R2 auf. Der
Regler R2 erhält
als Eingangsgröße eine Abweichung Δθ2 des Messwertes θ2 am
Sensor S2 von einem korrigierten Sollwert θ2,soll,k (Knoten
K2) und erzeugt an seinem Ausgang entsprechend seines implementierten
Regelverhaltens und/oder Regelalgorithmus eine mit der Abweichung Δθ2 korrelierte Größe dθ1 (Ausgangsgröße dθ1), welche mit zur Bildung des o. g. korrigierten
Sollwertes θ1,soll,k für den ersten Regler R1 herangezogen
wird. D. h. je nach Abweichung des Messwertes θ2 vom
korrigierten Sollwert θ2,soll,k wird über die Größe dθ1 Einfluss
auf den zu bildenden korrigierten Sollwert θ1,soll,k des
ersten Reglers R1 genommen.
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In
einer bevorzugten Ausführung
wird der korrigierte Sollwert θ1,soll,k für den ersten Regler R1 an einem
Knoten K1' (z.B.
Addition, Subtraktion) aus der Größe dθ1 und
einem theoretischen Sollwert θ'1,soll gebildet.
Der theoretische Sollwert θ'1,soll wiederum wird
in einem Vorsteuerglied bzgl. des Wärmeflusses VWF gebildet.
Das Vorsteuerglied VWF , hier V1,WF (Index
1 für die
Sollwertbildung des ersten Regelkreises) berücksichtigt den Wärmeaustausch
(Verluste etc.) des Fluids auf einer Teilstrecke und basiert auf Erfahrungswerten
(Expertenwissen, Eichmessungen etc.). So berücksichtigt das Vorsteuerglied
V1,WF beispielsweise die Wärme- bzw.
Kälteverluste
auf der Teilstrecke zwischen den Messstellen M1 und M2, indem es
einen entsprechend erhöhten
bzw. erniedrigten theoretischen Sollwert θ'1,soll bildet,
welcher dann zusammen mit der Größe dθ1 zum korrigierten Sollwert θ1,soll,k für den ersten Regler R1 verarbeitet
wird. Im Vorsteuerglied VWF ist ein Zusammenhang
zwischen der Eingangsgröße (Sollwert θ3,soll bzw. θ'2,soll bzw.
s.u. θ'2,soll,n)
und einer korrigierten Ausgangsgröße (modifizierter Sollwert θ'2,soll bzw.
s.u. θ'2,soll,n bzw. θ'1,soll,n)
fest vorgehalten, der vorzugsweise über Parameter oder in sonstiger
Weise nach Bedarf änderbar
ist.
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Prinzipiell
ist eine einfache Ausführung
der Regeleinrichtung möglich,
in welcher lediglich die beiden ersten genannten Regelkreise die
Kaskadenregelung bilden. In diesem Fall würde dem Vorsteuerglied V1,WF als Eingangsgröße von einer Maschinensteuerung
oder manuell ein definierter Sollwert θ2,soll vorgegeben.
Dieser würde
auch zur Bildung der o. g. Abweichung Δθ2 vor
dem zweiten Regler R2 herangezogen.
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In
der in 1 dargestellten Ausführung weist die Regeleinrichtung 21 jedoch
drei kaskadierte Regelkreise auf. Der korrigierte Sollwert θ2,soll,k vor dem zweiten Regler R2 wird nun
ebenfalls nicht wie sonst üblich
direkt durch eine Steuerung oder manuell vorgegeben, sondern wird
unter Verwendung einer Ausgangsgröße eines dritten, äußeren Regelkreises
gebildet. Der dritte Regelkreis weist den Sensor S3 auf, welcher
die Temperatur auf oder im Bereich der Mantelfläche detektiert, sowie einen
dritten Regler R3. Der Regler R3 erhält als Eingangsgröße eine
Abweichung Δθ3 des Messwertes θ3 am
Sensor S3 von einem Sollwert θ3,soll (Knoten K3) und erzeugt an seinem
Ausgang entsprechend seines implementierten Regelverhaltens und/oder
Regelalgorithmus eine mit der Abweichung Δθ3 korrelierte
Größe dθ2, welche mit zur Bildung des o. g. korrigierten
Sollwertes θ2,soll,k für den zweiten Regler R2 herangezogen wird.
D. h. je nach Abweichung des Messwertes θ3 vom
durch eine Maschinensteuerung oder manuell vorgegebenen Sollwert θ3,soll (oder einem korrigierten Sollwert θ''3,soll, s. u.)
wird über
die Größe dθ2 Einfluss auf den zu bildenden korrigierten
Sollwert θ2,soll,k des zweiten Reglers R2 genommen.
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Der
korrigierte Sollwert θ2,soll,k für den zweiten Regler R2 wird
an einem Knoten K2' (z.B.
Addition, Subtraktion) aus der Größe dθ2 und
einem theoretischen Sollwert θ'2,soll (oder Θ''2,soll s. u.)
gebildet. Der theoretische Sollwert θ'2,soll wird
wieder in einem Vorsteuerglied bzgl. des Wärmeflusses V2,WF gebildet. Das
Vorsteuerglied V2,WF berücksichtigt beispielsweise hier
die Wärme-
bzw. Kälteverluste
auf der Teilstrecke zwischen den Messstellen M2 und M3, indem es
einen entsprechend erhöhten
bzw. erniedrigten theoretischen Sollwert θ'2,soll bildet,
welcher dann zusammen mit der Größe dθ2 zum korrigierten Sollwert θ2,soll,k für den zweiten Regler R2 verarbeitet
wird.
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Das
beschriebene Verfahren beruht somit zum einen auf der Messung der
Temperatur direkt hinter der Einspritzstelle 16 sowie mindestens
einer Messung nahe dem zu temperierenden Bauteil 01. Zum
zweiten wird eine besonders kurze Reaktionszeit der Regelung dadurch
erreicht, dass mehrere Regelkreise kaskadenartig ineinander greifen und bereits
bei der Sollwertbildung für
den inneren Regelkreis ein näher
am Bauteil 01 befindlicher Messwert θ2; θ3 berücksichtigt
wird. Zum dritten wird eine besonders kurze Reaktionszeit durch
eine Vorsteuerung erreicht, welche Erfahrungswerte für auf der Temperierstrecke 02 zu
erwartende Verluste einbringt. Einem näher am Stellglied 07 befindlichen
Regelkreis wird somit in Erwartung von Verlusten bereits ein um
einen Erfahrungswert entsprechend erhöhter oder erniedrigter Sollwert
vorgegeben.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
nach 2 weist die Regeleinrichtung 21 neben
dem Vorsteuerglied bzgl. des Wärmeflusses
V1,WF; V2,WF weitere
Vorsteuerungen auf:
Wie aus 1 ersichtlich,
benötigt
das Fluid beispielsweise für
die Strecke vom Ventil 07 bis zum Sensor S2 eine endliche
Laufzeit TL2. Darüber hinaus ändert sich beim Stellen des
Stellgliedes 07 die jeweilige Mischtemperatur nicht augenblicklich
auf den gewünschten
Wert (z.B. Trägheit
des Ventils, Aufwärmung
bzw. Abkühlung
der Rohrwandungen und Pumpe), sondern unterliegt einer Zeitkonstanten
Te2. Wird dies wie in der Ausführung nach 1 nicht
berücksichtigt,
so kann es zu stärkeren Überschwingern
bei der Steuerung kommen, da beispielsweise ein Befehl zur Öffnung des
Ventils 07 erfolgt ist, das Ergebnis dieser Öffnung,
nämlich
entsprechend wärmeres
oder kälteres
Fluid, jedoch noch nicht am Messort der Messstelle M2 angekommen
sein kann, der entsprechende Regelkreis darauf hin jedoch fälschlicherweise
weitere Stellbefehle zur Öffnung ausgibt.
Ebenso verhält
es sich mit der Strecke vom Ventil 07 bis zur Detektion
der Temperatur durch den Sensor S3 mit der Laufzeit T'L3 und
einer Zeitkonstanten T'e3, wobei hierbei das gestrichene Bezugszeichen
zum Ausdruck bringt, dass es sich hierbei nicht um die Zeit bis
zur Dektektion der Fluidtemperatur im Bereich des Walzenmantels
handeln muss, sondern um die Zeit bis zur Detektion der Temperatur
der Walzenoberfläche
bzw. des Walzenmantels.
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Aufgrund
der Totzeit (entspricht Laufzeit TL2 bzw.
T'L3)
und der Zeitkonstanten Te2 bzw. T'e3 werden die
Streckenreaktionen auf die Aktivitäten des innersten Reglers R1
hin auf der Ebene der beiden äußeren Regler
R2; R3 zunächst
nicht sichtbar. Um eine dadurch bedingte Doppel-Reaktion dieser
Regler, welche übertrieben
falsch und nicht rückholbar
wäre, zu vermeiden
bzw. zu verhindern, ist bei der Bildung des Sollwertes in einem
oder mehreren der Regelkreise ein Vorsteuerglied bzgl. der Laufzeit
und/oder der Zeitkonstanten VLZ als Streckenmodellglied
vorgesehen, mittels welchem die zu erwartende natürliche „Verzögerung" im Ergebnis einer Änderung
am Stellglied 07 berücksichtigt
wird. Mittels des Vorsteuergliedes bzgl. der Laufzeit und/oder der
Zeitkonstanten VLZ wird die tatsächlich durch
das Fluid benötigte Laufzeit
(anhand von Erfahrungswerten oder vorzugsweise durch Messwertaufzeichnung
oder durch rechnerische Abschätzung
ermittelt) in der Regelung simuliert. Die äußeren Regler R2; R3 reagieren
nun nur noch auf diejenigen Abweichungen, die unter Berücksichtigung
der modellierten Streckeneigenschaften nicht zu erwarten und somit
tatsächlich
korrekturbedürftig
sind. Gegenüber
den ohnehin zu erwartenden Regelabweichungen, die physikalisch unvermeidbar
sind und um die sich der innerste Regler R1 bereits „lokal" kümmert, werden
die äußeren Regler R2;
R3 durch diese Symmetrierung „blind" gemacht. Das „Vorsteuerglied" VLZ wirkt
so in der Art eines „Laufzeit-
und Verzögerungsgliedes" VLZ.
Im Vorsteuerglied VLZ ist die genannte dynamische
Eigenschaft (Laufzeit und Verzögerung)
abgebildet und fest vorgehalten, aber vorzugsweise über Parameter
oder in sonstiger Weise nach Bedarf änderbar. Hierzu sind entsprechende
Parameter T'L2; T'e2; T'L3; T'e3, es, die z.B. die reale Laufzeit TL2 bzw. T'L3 und/oder die Ersatzzeitkonstante Te2. bzw. Te3 nachbilden
und repräsentieren
sollen, am Vorsteuerglied VLZ einstellbar. Die
Einstellung soll so erfolgen, dass hiermit ein rechnerisch erzeugter
virtueller dynamischer Sollwertverlauf, beispielsweise Sollwert θ''2,soll bzw. θ''3,soll, im wesentlichen
zeitlich synchron mit dem entsprechenden Verlauf des Messwertes θ2 bzw. θ3 für
die Temperatur am zugeordneten Sensor S2 bzw. S3 am Knoten K2 bzw.
K3 verglichen wird.
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Für den äußeren Regelkreis
entspricht der virtuelle, veränderte
Sollwert θ''3,soll dem mit
dem Messwert zu vergleichenden Sollwert θ3,soll,k,
da er nicht durch einen weiteren Regelkreis korrigiert wird. Daneben
ist im Ausführungsbeispiel
kein Vorsteuerglied VLZ für den innersten
Regelkreis vorgesehen (sehr kurze Wege bzw. Laufzeit). In Vereinheitlichung der
Nomenklatur stellt hier der Sollwert θ'3,soll ohne weitere
Veränderung
somit den Sollwert θ''3,soll dar.
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Ein
derartiges das Streckenmodell repräsentierende Vorsteuerglied
VLZ ist zumindest für die Sollwertbildung des Regelkreises
bzw. der Regelkreise vorgesehen, welche dem bauteilnahen Sensor
S2 bzw. den bauteilnahen Sensoren S2; S3 zugeordnet sind. Im Beispiel
weisen die beiden äußeren Regelkreise
in ihrer Sollwertbildung ein derartiges Vorsteuerglied VLZ,2; VLZ,3 auf.
Sollte sich auch die Wegstrecke zwischen dem Ventil 07 und
dem Sensor S1 als zu groß und
störend
herausstellen, so ist es auch möglich,
ein entsprechendes Vorsteuerglied VLZ,1 bei der
Sollwertbildung für
den inneren Regelkreis vorzusehen.
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Eine
weitere Verbesserung der Regeldynamik lässt sich in Weiterbildung der
genannten Regeleinrichtung gemäß 3 erreichen,
wenn die Umsetzung des gewünschten
Sollwertverlaufs auf der Ebene des innersten Regelkreises durch
ein Vorhalteglied VVH,i in Form eines Zeitkonstantentauschers z.B.
1.Ordnung (Lead-Lag-Filter) schneller und schleppabstandsärmer gemacht
wird. Diese Vorsteuerung in Form des Vorhaltegliedes VVH bewirkt
zunächst
eine Amplitudenüberhöhung (Überkompensation)
in der Reaktion, um den Regelprozess in einer jeweiligen Anfangsphase
zu beschleunigen, und kehrt dann zur Neutralität zurück.
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Um
jegliche Stabilitätsprobleme
auszuschließen,
erfolgt diese Maßnahme
bevorzugt nur in dem nicht durch Istwerte beeinflussten Sollwertanteil,
d.h. vor dem jeweiligen Knoten K1'; K2' (Addier-
bzw. Subtrahierpunkt etc. je nach Vorzeichen). Um die Symmetrierung
bei den äußeren Reglern
R2; R3 aufrechtzuerhalten, muß diese
dynamische Maßnahme dort
dann auch durch entsprechende Vorhalteglieder VVH,2 bzw.
VVH,3 ausgeglichen werden, die zusätzlich zu
den genannten Vorsteuerungen VWF bezüglich des Wärmeflusses
und VLZ bzgl. der Laufzeit und/oder der
Zeitkonstanten bei der Sollwertbildung des folgenden Regelkreises
wirken.
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Im
Vorsteuerglied VVH,i ist die Verlaufseigenschaft
der genannten Überhöhung (relativ
zum Eingangssignal) abgebildet und fest vorgehalten, aber in Höhe und Verlauf
vorzugsweise über
Parameter oder in sonstiger Weise nach Bedarf änderbar. Entsprechend der physikalischen
Reihenfolge ist das Vorhalteglied VVH,i bzgl.
des Signalweges bevorzugt vor dem Vorsteuerglied VLZ (falls
vorhanden) und nach dem Vorsteuerglied VWF (falls
vorhanden) angeordnet. Das Vorsteuerglied VVH ist
auch in einer der Ausführungen
nach 1 bis 4 unabhängig vom Vorhandensein der
Vorsteuerglieder VLZ, VDZ,
oder VAB (s.u.) oder zusätzlich einsetzbar.
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Eine
weitere Verbesserung der Regeldynamik lässt sich in Weiterbildung der
Regeleinrichtungen nach 1, 2 oder 3 erreichen,
wenn zusätzlich
zu den genannten Vorsteuerungen VWF bezüglich des
Wärmeflusses,
bzgl. der Laufzeit und/oder der Zeitkonstanten VLZ und/oder
dem Vorhalteglied VVH eine Vorsteuerung
bezüglich
der Maschinendrehzahl VDZ erfolgt (4).
In Abhängigkeit von
einer Maschinendrehzahl n wird in einem Druckwerk mehr oder weniger
starke Reibungswärme
produziert. Soll der Massenstrom des Fluids im wesentlichen konstant
gehalten werden, so lässt
sich eine erhöhte
Reibungswärme
lediglich über
Absenkung der Fluidtemperatur erzielen und umgekehrt. Die oben beschriebene
Regeleinrichtung würde
zweifelsohne im Laufe der Zeit auf die Änderung in der Reibungswärme durch
Absenkung bzw. Erhöhung
der Fluidtemperatur reagieren, jedoch erst, wenn die Temperatur
am Sensor S3 die unerwünschte
Temperatur anzeigt.
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Um
die Dynamik der Regeleinrichtung 21, insbesondere bei wechselnden
Betriebsbedingungen (Anlaufphase, Drehzahlwechsel etc.), weiter
zu erhöhen,
ist das Vorsteuerglied bzgl. der Drehzahl VDZ vorgesehen,
welches grundsätzlich
sämtlichen
unterlagerten Sollwertbildungen, d. h. somit Stellgrößencharakter
haben, d. h. der Bildung der Sollwerte θ''1,soll; θ''2,soll; θ''3,soll, überlagert
sein kann. Die Überlagerung
des äußeren Regelkreises
macht jedoch keinen Sinn, solange der Messwert des Sensors S3 den technologisch
letztgültigen
Istwert (z.B. die Temperatur der wirksamen Fläche, d. h. der Mantelfläche selbst)
darstellt. Daher wirkt im Ausführungsbeispiel das
Vorsteuerglied VDZ lediglich auf die Bildung
der Sollwerte θ''1,soll und θ''2,soll, und
zwar indem ein Korrekturwert dθn dem durch das dem zweiten Regelkreis vorgelagerte
Vorsteuerglied V2,WF erzeugten theoretischen
Sollwert θ'2,soll überlagert
wird. Der hieraus entstandene Sollwert θ'2,soll,n wird
direkt oder über entsprechende
Vorsteuerglieder VVH,i und/oder VLZ,i zur Sollwertbildung des zweiten Regelkreises
(R2) und gleichzeitig über
das Vorsteuerglied VWF,i und ggf. das Vorsteuerglied
VVH,i zur Sollwertbildung des ersten Regelkreises
(R1) herangezogen. Im Vorsteuerglied VDZ ist
ein Zusammenhang zwischen der Maschinendrehzahl n und einer geeigneten
Korrektur fest vorgehalten, der vorzugsweise über Parameter oder in sonstiger
Weise nach Bedarf änderbarer
ist. Das Vorsteuerglied VDZ ist auch in
einer der Ausführungen
nach 1 bis 4 unabhängig vom Vorhandensein der
Vorsteuerglieder VLZ, VVH,
(s.u.) oder VAB (s.u.) oder zusätzlich einsetzbar.
-
Misst
der Sensor S3 jedoch nicht die Mantelfläche, sondern eine weiter im
Innen des Bauteils liegende Temperatur (die technologisch nicht
die letztgültige
Temperatur ist), so kann es auch sinnvoll sein, das Vorsteuerglied
VDZ auch auf den äußeren Regelkreis (R3) wirken
zu lassen. Gleiches gilt für
einen äußeren Regelkreis,
der den Messwert nicht direkt vom Bauteil 01, sondern aus
einem nach Durchfluss des Bauteils 01 angeordneten Sensor
S4; S5 (siehe 1 und 5), u. U.
verknüpft
mit dem Messwert aus S2, bezieht.
-
In 4 ist
in Weiterbildung unmittelbar vor dem Knoten K1 zur Bildung des korrigierten
Sollwertes θ1,soll,k ein weiteres Vorsteuerglied VAB als dynamisches Modellglied, z. B. ein
Anstiegsbegrenzer VAB, insbesondere nichtlinear,
vorgesehen. Dieser empfindet die endliche Stellzeit (ungleich Null)
und die reale Begrenztheit des Stellgliedes 07 im Hinblick
auf seinen maximalen Stellweg nach, d. h. auch bei Anforderung einer
sehr starken Änderung
kann nur eine begrenzte Öffnung
des Ventils 07 und damit eine begrenzte Menge an temperiertem
Fluid aus dem Primärkreislauf 04 zugeführt werden.
Im Vorsteuerglied VAB ist die genannte Anstiegsbegrenzung
(Ventileigenschaft) abgebildet und fest vorgehalten, aber vorzugsweise über Parameter
oder in sonstiger Weise nach Bedarf änderbar. Das Vorsteuerglied
VAB ist auch in einer der Ausführungen
nach 1 bis 3 unabhängig vom Vorhandensein der
Vorsteuerglieder VLZ,i, VVH,i,
oder VDZ oder zusätzlich einsetzbar.
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5 zeigt
eine Weiterbildung der bisherigen Ausführungen des ersten Regelkreises,
unabhängig
davon, ob nach Ausführungen
gemäß 1, 2, 3 oder 4.
Ein Messwert θ5 eines Sensors S5 wird nahe der oder im
Bereich der Teilstrecke 14, d. h. in kurzem Abstand zum
Einspritzpunkt 16 erfasst und zusätzlich zur Regelung im innersten
Regelkreis herangezogen. Hierzu wird der Messwert θ5 als Eingangswert in ein weiteres Vorsteuerglied
VNU zur dynamischen Nullpunktunterdrückung geführt. Der
Messwert θ5 gibt Information darüber, mit welcher Temperatur
das rücklaufende
Fluid für
die bevorstehende Mischung mit eingespeistem, Kühl- oder Heizfluid zur Verfügung stehen
wird. Ändert
sich der Messwert plötzlich
stark, beispielsweise die Temperatur fällt stark ab, so wird durch
das Vorsteuerglied VNU ein entsprechend
entgegengesetztes Signal σ, beispielsweise
eine starke Erhöhung
der Öffnung
am Ventil 07, erzeugt und dem Regler R1 zugeführt. Das Vorsteuerglied
VNU bewirkt somit ein Entgegensteuern einer
am Sensor S1 in kürze
zu erwartenden Änderung,
noch bevor diese dort eingetreten ist. Durch diese Störgrößenaufschaltung
wird diese Änderung dann
im Idealfall dort gar nicht mehr eintreten.
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Der
Funktionsverlauf und die Verstärkung des
Vorsteuerglied VNU für diese Rücklauftemperatur-Vorsteuerung
sind fest vorgehalten und über
Parameter vorzugsweise veränderbar.
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6 zeigt
eine Weiterbildung der bisherigen Ausführungen des äußeren Regelkreises,
unabhängig
davon, ob nach Ausführungen
gemäß 1, 2, 3 oder 4.
Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungen wird für den äußeren Regelkreis
des Reglers R3 nicht ein Messwert θ3 eines
die Bauteiloberfläche
detektierenden, oder in der Mantelfläche befindlichen Sensors S3,
sondern die Messwerte θ2 und θ4 bauteilnaher Sensoren S2 und S4 in Zufluss-
und Rückflussstrecke 12; 13 verwendet. Diese
werden zusammen mit einem Drehzahlsignal n in einer logischen Einheit
L bzw. in einem logischen Prozess L anhand eines fest hinterlegten,
aber vorzugsweise veränderbaren
Algorithmus zu einem Ersatzmesswert θ 3 , z.B. der Ersatztemperartur θ 3 des Bauteils 01 (bzw. dessen Oberfläche) verarbeitet. Dieser
Ersatzmesswert θ3 wird als Messwert bzw. Temperatur θ 3 anstelle
des Messwertes θ3 entsprechend der vorgenannten Ausführungsbeispiele
ab dem Knoten K3 weitergeführt.
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Die
Regler R1; R2; R3 aus den Ausführungsbeispielen
gemäß 1 bis 4 sind
in einer einfachen Ausführung
als PI-Regler R1; R2; R3 ausgeführt.
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In
vorteilhafter Ausführung
sind jedoch zumindest die Regler R2 und R3 als sog. „Laufzeitbasierte
Regler" bzw. „Smith-Regler" ausgeführt. Die Laufzeitbasierten
Regler R2 und R3, insbesondere Laufzeitbasierte PI-Regler R2 und
R3, sind in 7 als Ersatzschaltbild dargestellt
und parametriert. Der Regler R2; R3 weist als Eingangsgröße die Abweichung Δθ2; Δθ3 auf. Er ist als PI-Regler mit einem parametrierbaren
Verstärkungsfaktor
VR ausgebildet, dessen Ausgangssignal über ein
Ersatzeitkonstantenglied GZK und ein Laufzeitglied
GLZ (bzw. wie bei dem Vorsteuerglied VLZ dargestellt als ein Glied) rückgekoppelt
wird.
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Im
Laufzeitbasierten PI-Regler R2; R3 ist die Lauf- bzw. Totzeit der
Regelstrecke sowie deren Zeitkonstante abgebildet und fest vorgehalten,
aber vorzugsweise über
Parameter oder in sonstiger Weise nach Bedarf änderbar. Hierzu sind entsprechende Parameter
T**L2; T**e2; T**L3; T**e3, die z.B.
die reale Laufzeit TL2 bzw. T'L3 und/oder
die Zeitkonstante Te2. bzw. Te3 repräsentieren
sollen, am Laufzeitbasierten PI-Regler R2 und R3 einstellbar. Die
Werte der Parameter T**L2; T**e2;
T**L3; T**e3 und
die Werten der Parameter T*L2; T*e2; T*L3; T*e3 es aus den Vorsteuergliedern VLZ,i bzgl. der Laufzeit und Zeitkonstante sollten bei
korrekter Einstellung und Wiedergabe der Regelstrecke im wesentlichen übereinstimmen,
da sowohl im Regler R2; R3 sowie im Vorsteuerglied VLZ die
entsprechende Regelstrecke hierdurch beschrieben wird. Somit können, sollten
in der Regeleinrichtung sowohl Laufzeitbasierte PI-Regler R2 und
R3 als auch Vorsteuerglieder VLZ,i verwendet
werden, die selben einmal ermittelten Parametersätze für beides verwendet werden.
-
Einen
Ausschnitt der schematisch in 1 dargestellten
Temperierstrecke in einer vorteilhaften konkreten Ausführung zeigt 8.
Die Zuflussstrecke 12 von der Einspritzstelle 16 bis
zu einem Zielort 22, d.h. dem Ort, dessen Umgebung bzw.
Oberfläche gekühlt werden
soll, ist in 8 in drei Abschnitten 12.1; 12.2; 12.3 dargestellt.
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Der
erste Abschnitt 12.1 reicht von der Einspritzstelle 16 bis
zur ersten Messstelle M1 mit dem ersten Sensor S1 und weist eine
erste Wegstrecke X1 sowie eine erste mittlere Laufzeit TL1 auf. Der zweite Abschnitt 12.2 reicht
von der ersten Messstelle M1 bis zu einer „bauteilnahen" Messstelle M2 mit dem
Sensor S2. Er weist eine zweite Wegstrecke X2 sowie eine zweite
mittlere Laufzeit TL2 auf. Der dritte Abschnitt 12.3 mit
einer dritten Wegstrecke X3 sowie einer dritten mittleren Laufzeit
TL3 für
das Fluid schließt
sich an die zweite Messstelle M2 an und reicht bis zum Zielort 22 (hier
der Erstkontakt des Fluids im Bereich der ausgedehnten Mantelfläche). Eine Gesamtlaufzeit
T des Fluids von der Einspritzstelle 16 bis zum Zielort
ergibt sich somit zu TL1 + TL2 +
TL3.
-
Die
erste Messstelle M1 ist „einspeisestellennah", d.h. in geringem
Abstand zur Einspeisestelle 16, hier der Einspritzstelle 16,
gewählt.
Unter einspeisestellennaher Messstelle M1 bzw. stellmittelnahem Sensor
S1 wird hier daher ein Ort im Bereich der Zuflussstrecke 12 verstanden,
welcher bzgl. der Laufzeit des Fluids TL weniger
als auf einem zehntel, insbesondere als einem zwanzigstel, der Strecke
von der Einspeisestelle 16 bis zur Erstberührung des Zielortes 22 (hier
der Erstkontakt des Fluids im Bereich der ausgedehnten Mantelfläche) liegt,
d.h. es gilt TL1 < 0,1 T, insbesondere TL1 < 0,05 T. Für eine hohe
Regeldynamik liegt die Messstelle M1 bezüglich der Laufzeit des Fluids
TL1 maximal 2 Sekunden, insbesondere maximal
1 Sekunde, von der Einspritzstelle 16 entfernt. Wie bereits
zu 1 genannt, befinden sich Einspritzstelle 16,
Sensor S1 sowie die nachfolgende Pumpe 11 in einem Temperierschrank 18,
welcher eine bauliche Einheit der beinhalteten Aggregate bildet.
Die Messstelle M1 liegt bevorzugt vor der Pumpe 11. Über lösbare Verbindungen 23; 24 in
der Zuflussstrecke 12 sowie der Rückflussstrecke 13 ist
der Temperierschrank 18 mit dem Bauteil 01 verbindbar.
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In
der Regel sind Bauteil 01 und Temperierschrank 18 nicht
direkt zueinander benachbart in der Maschine angeordnet, so dass
eine Leitung 26, z. B. eine Verrohrung 26 oder
ein Schlauch 26, vom Temperierschrank 18 zu einem
Eintritt 27 in das Bauteil 01, z.B. zu einer Durchführung 27,
insbesondere Drehdurchführung 27,
eine entsprechend große
Länge aufweist.
Die Durchführung
in die Walze 01 bzw. den Zylinder 01 ist in 8 lediglich
schematisch dargestellt. Weist die Walze 01 bzw. der Zylinder 01 wie üblich stirnseitig
einen Zapfen auf, so erfolgt die Durchführung durch den Zapfen. Auch
der Weg des Fluids zur Mantelfläche
sowie im Bauteil 01 entlang der Mantelfläche ist
nur symbolisch dargestellt und kann in bekannter Weise, z. B. in
axialen oder spiralenförmigen
Kanälen,
in ausgedehnten Hohlräumen, in
einem Kreisringquerschnitt, oder in anderen geeigneten Weisen unterhalb
der Mantelfläche
verlaufen. Die zweite Messstelle M2 ist „bauteilnah", d.h. in geringem
Abstand zum Bauteil 01 bzw. zum Zielort 22, hier
der Mantelfläche,
gewählt.
Unter bauteilnaher zweiter Messstelle M2 bzw. bauteilnahem zweitem Sensor
S2 wird hier daher ein Ort im Bereich der Zuflussstrecke 12 verstanden,
welcher bzgl. der Laufzeit des Fluids weiter entfernt als auf halber
Strecke von der Einspritzstelle 16 bis zur Erstberührung des Zielortes 22 (hier
der Erstkontakt des Fluids im Bereich der ausgedehnten Mantelfläche) liegt.
Es gilt TL2 > 0,5 T. Um eine hohe Dynamik der Regelung
bei gleichzeitig geringem baulichen Aufwand bei rotierenden Bauteilen 01 zu
erhalten, ist die zweite Messstelle M2 im Bereich der Leitung 26 ortsfest
noch außerhalb
des rotierenden Bauteils 01 angeordnet, und liegt jedoch
unmittelbar, d.h. bezüglich
der Laufzeit des Fluids maximal 3 Sekunden vom Eintritt 27 in
das Bauteil 01 entfernt.
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Die
dritte Messstelle M3, falls vorhanden, ist ebenfalls zumindest „bauteilnah", insbesondere jedoch „zielortnah" angeordnet. D.h.
sie befindet sich in unmittelbarer Umgebung zum Zielort 22 des
Fluids oder detektiert direkt die zu temperierende Oberfläche (hier
Mantelfläche
der Walze 01). In vorteilhafter Ausführung detektiert die Messstelle
M3 nicht die Fluidtemperatur, wie z.B. im Fall der Messstellen M2 und
M3, sondern den zu temperierenden Bereich des Bauteils 01 selbst.
Unter unmittelbarer Umgebung zum Zielort 22 wird hier verstanden,
dass sich der Sensor S3 zwischen im Bauteil 01 zirkulierendem Fluid
und der Mantelfläche
befindet oder aber berührungslos
die Temperatur θ3 auf der Mantelfläche detektiert.
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In
einer anderen Ausführung
der Temperiervorrichtung kann auf die Messstelle S3 verzichtet werden.
Rückschlüsse auf
die Temperatur θ3 können aus
Erfahrungswerten durch die Messwerte der Messstelle M2, beispielsweise
anhand eines hinterlegten Zusammenhanges, eines Offset, eines funktionellen
Zusammenhanges, gewonnen werden. Für eine gewünschte Temperatur θ3 wird dann z.B. unter Berücksichtigung
der Maschinen- bzw. Produktionsparameter (u.a. Maschinendrehzahl,
Umgebungstemperatur und/oder Fluiddurchsatz, (Rakel-)Reibungskoeffizient,
Wärmedurchgangswiderstand)
auf eine gewünschte
Temperatur θ2 als Sollwert geregelt.
-
In
einer weiteren Ausführung
wird wieder auf die Messstelle 3 verzichtet, Rückschlüsse auf
die Temperatur θ3 werden jedoch aus Erfahrungswerten über die
Messwerte der Messstelle M2 und der Messstelle M4, beispielsweise
wieder anhand eines hinterlegten Zusammenhanges, eines Offset, eines
funktionellen Zusammenhanges und/oder durch Mittelwertbildung der
beiden Messwerte, gewonnen. Für eine
gewünschte
Temperatur θ3 wird dann z.B. entweder unter Berücksichtigung
der Maschinen- bzw. Produktionsparameter (u.a. Maschinendrehzahl, Umgebungstemperatur
und/oder Fluiddurchsatz) wieder auf eine gewünschte Temperatur θ2 als Sollwert geregelt, oder aber auf die
durch die beiden Messwerte indirekt ermittelte Temperatur θ3. In 8 befinden
sich Zu- und Abfluss des Fluids in bzw. aus dem als Walze 01 oder
Zylinder 01 ausgeführten Bauteil 01 auf
der selben Stirnseite. Dementsprechend ist die Drehdurchführung hierbei
mit zwei Anschlüssen,
oder wie dargestellt mit zwei koaxial ineinander und koaxial zur
Walze 01 angeordneten Durchführungen, ausgeführt. Die
Messstelle M4 ist ebenfalls möglichst
nah an der Durchführung
angeordnet.
-
In
der vorteilhaften Ausführung
der Temperiervorrichtung weist diese auf dem Abschnitt 12.1 zwischen
Einspeisestelle 16 und erster Messstelle M1 eine Verwirbelungsstrecke 17,
insbesondere eine speziell ausgebildete Verwirbelungskammer 17,
auf. Wie oben bereits erwähnt,
soll die Messstelle M1 einspeisestellennah angeordnet sein, damit
möglichst schnelle
Reaktionszeiten im betreffenden Regelkreis mit der Messstelle M1
und dem Stellglied 07 realisierbar sind. Andererseits ist
jedoch dicht hinter der Einspeisestelle in der Regel noch kein homogenes
Gemisch zwischen eingespeistem und rückgelaufenem Fluid (bzw. im
geheiztem/gekühltem
Fluid) erreicht, so dass Messwertfehler ein Regeln erschweren und u.U.
das Erreichen der letztlich gewünschten
Temperatur θ3 am Bauteil 01 erheblich verzögern.
-
Der
Einsatz der Verwirbelungsstrecke 17, insbesondere der speziell
ausgeführten
Verwirbelungskammer 17 gemäß 9 und 10,
gewährleisten
in einfacher Weise ein sicheres Durchmischen des Fluids auf kürzester
Distanz, so dass die o.g. Bedingung bzgl. der kurzen Laufzeit T1
erfüllbar
ist.
-
Auf
kleinstem Bauraum erfolgt zunächst
eine erste Querschnittsänderung,
wobei sich eine erste Querschnittsfläche A1 sprunghaft mindestens
um einen Faktor f1 = 2 auf eine zweite Querschnittsfläche A2 vergrößert. Im
direkten Anschluß erfolgt
eine Richtungsänderung
von 70° bis
110°, insbesondere abrupt
um ca. 90°,
worauf sich eine zweite Querschittsänderung und zwar Verkleinerung
von der Querschnittsfläche
A2 auf die Querschnittsfläche
A3 mit dem Faktor f2 (f2<1)
anschließt.
Der Faktor f2 ist vorteilhaft f2 ≤ 0,5
gewählt
und ist komplemtär
zum Faktor f1 derart gewählt,
dass die beiden Querschnittsflächen
A1; A3 vor und nach der Verwirbelungskammer 17 im wesentlichen
gleich groß sind.
-
9 zeigt
eine Ausführung
der Verwirbelungskammer 17 mit rohrförmigem Ein- und Auslassbereich 29; 31,
wobei nicht dargestellte rohrförmige Leitungen
mit Querschnittsfläche
A1 hier in zentral angeordnete Öffnungen 32; 33 als
Einlass 32 und Auslass 33 münden. Die Stoßlinie 34 der
rohrförmigem
Ein- und Auslassbereiche 29; 31 bildet keinen Rohrbogen
mit stetig verlaufender Krümmung,
sondern ist zumindest in einer durch die Flussrichtungen im Einlass-
und Auslassbereich gebildete Ebene kantig abgeknickt ausgeführt (siehe
Knick 36; 37). Die Öffnungen 32; 33 können in
einer Weiterbildung auch nichtzentrisch in den Flächen A2;
A3 liegen.
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10 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
wobei die Verwirbelungskammer 17 in der Geometrie eines Stoßes zweier
kastenförmiger
Rohre ausgeführt
ist. Hierbei weisen wieder zwei Flächen A2 jeweils die Öffnungen 32; 33 auf.
Auch hier ist die Richtungsänderung
im Bereich des vorhandenen oder „gedachten" Stoßes 34 von Einlass-
und Auslassbereich (scharf)kantig ausgeführt (siehe Knick 36; 37).
Die Öffnungen 32; 33 können wieder
asymmetrisch in den Flächen
A2 angeordnet sein.
-
11 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
wobei die Verwirbelungskammer 17 in der Geometrie eines Quaders,
in spezieller Ausführung
wie in 10 als Quader gleicher Seitenkantenlängen, ausgeführt ist. Hierbei
weisen zwei benachbarte Flächen
A2 jeweils die Öffnungen 32; 33 auf.
Auch hier ist die Richtungsänderung
im Bereich des „gedachten
Stoßes" (34) von
Einlass- und Auslassbereich (scharf)kantig ausgeführt (siehe
Knick 36; 37). Auch hier können die Öffnungen 32; 33 wieder
asymmetrisch in den Flächen
A2 angeordnet sein.
-
- 01
- Bauteil,
Walze, Rasterwalze, Zylinder, Formzylinder
- 02
- Regelstrecke,
Temperierstrecke
- 03
- Kreislauf,
erster; Sekundärkreislauf
- 04
- Kreislauf,
zweiter; Primärkreislauf
- 05
- Verbindung
- 06
- Verbindungsstelle,
erste
- 07
- Stellglied,
Ventil
- 08
- Verbindungsstelle,
zweite
- 09
- Ventil,
Differenzdruckventil
- 10
- Verbindungsstelle
- 11
- Antrieb,
Pumpe, Turbine
- 12
- Zuflussstrecke
- 12.1
- Abschnitt,
erster
- 12.2
- Abschnitt,
zweiter
- 12.3
- Abschnitt,
dritter
- 13
- Rückflussstrecke
- 14
- Teilstrecke
- 15
- Verbindng
- 16
- Einspeisestelle,
Einspritzstelle
- 17
- Verwirbelungsstrecke,
Verwirbelungskammer
- 18
- Temperierschrank
- 19
-
- 20
-
- 21
- Regeleinrichtung,
Regelungsprozess
- 22
- Zielort
- 23
- Verbindung,
lösbar
- 24
- Verbindung,
lösbar
- 25
-
- 26
- Leitung,
Verrohrung, Schlauch
- 27
- Eintritt,
Durchführung,
Drehdurchführung
- 28
-
- 29
- Einlassbereich
- 30
-
- 31
- Auslassbereich
- 32
- Öffnung,
Einlass
- 33
- Öffnung,
Auslass
- 34
- Stoßlinie
- 35
-
- 36
- Knick
- 37
- Knick
- A1
bis A3
- Flächen, Querschnittsflächen
- K1
bis K3
- Knoten
- K1' bis K2' Knoten
- M1
bis M5 Messstellen
- R1
bis R3
- Regler
- S1
bis S5
- Sensoren
- Tei
- Zeitkonstante
(Index i bezeichnet den Regelkreis)
- T*ei
- Parameter,
Ersatzzeitkonstante (Index i bezeichnet den Regelkreis)
- T**ei
- Parameter,
Ersatzzeitkonstante (Index i bezeichnet den Regelkreis)
- TLi
- Laufzeit,
Fluid (Index i bezeichnet den Regelkreis)
- T'L3
- Laufzeit,
Temperaturantwort am Sensor S3
- T*Li
- Parameter,
Laufzeit (Index i bezeichnet den Regelkreis)
- T**Li
- Parameter,
Laufzeit (Index i bezeichnet den Regelkreis)
- TV
- Temperatur,
Vorlauftemperatur
- VAB
- Vorsteuerglied
- VNU
- Vorsteuerglied
- VDZ
- Vorsteuerglied
- V(i)VH
- Vorhaltglied
(Index i bezeichnet ggf. den Regelkreis)
- V(i)WF
- Vorsteuerglied
(Index i bezeichnet ggf. den Regelkreis)
- V(i)LZ
- Vorsteuerglied
(Index i bezeichnet ggf. den Regelkreis)
- n
- Maschinendrehzahl
- dθi
- Größe, Ausgangsgröße
- Δθi
- Abweichung
- θi
- Temperatur,
Messwert (Index i bezeichnet den Regelkreis)
-
θ
3
- Temperatur,
Messwert, Ersatztemperatur, Ersatzmesswert
- θ3,soll
- Sollwert,
dritter Regelkreis
- θi,soll,k
- Sollwert,
korrigierter (Index i bezeichnet den Regelkreis)
- θ'i,soll
- Sollwert,
theoretisch (Index i bezeichnet den Regelkreis)
- θ'i,soll,n
- Sollwert
(Index i bezeichnet den Regelkreis)
- Δ
- Stellbefehl
- Δp
- Differenz
im Druckniveau