DE4204060A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung des drucks in behaeltern, insbesondere in dosier- und niederdruckoefen sowie metallpumpen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Regelung des Drucks in Behältern, ins­ besondere in Dosier- und Niederdrucköfen sowie Me­ tallpumpen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs.

In Gießanlagen nach dem Stand der Technik werden Gießvorgänge automatisch gesteuert und für einen rei­ bungslosen Ablauf ist eine schnelle und genaue Dosie­ rung des schmelzflüssigen Metalls von großer Wichtig­ keit. Es ist bekannt, Dosiervorgänge aus Dosieröfen über eine Drucksteuerung und/oder Druckregelung vor­ zunehmen, bei denen der Druck im Ofenraum erfaßt wird und von den gewünschten Dosiermengen entsprechend gesteuert bzw. geregelt wird. Es hat sich aber ge­ zeigt, daß bei bekannter Druckregelung die Dosierge­ nauigkeit nicht befriedigend ist, da die Regelung zu langsam ist und sich während des Dosiervorganges än­ dernde Parameter nicht oder nur ungenau erfaßt werden können. Darüber hinaus muß eine Nachregelung vorge­ nommen werden, wenn Langzeitänderungen auftreten; beispielsweise tritt bei einer Füllstandsabnahme im Ofen eine größer werdende Druckabweichung auf, die nur durch Nachregeln behoben werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Drucks in Behältern, insbesondere in Dosier- und Niederdrucköfen sowie Metallpumpen zu schaffen, die auch bei unter­ schiedlichen Druckverhältnissen ein schnelles und genaues Regelverhalten aufweisen, so daß über die Lebensdauer des Behälters eine genaue und schnelle Dosierung ohne Nachparametrierung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und des Ne­ benanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Dadurch, daß eine Druckkaskaden­ regelung mit Hilfe eines Proportionalventils, dessen Führungsgröße aus der Addition der Stellgröße eines überlagerten Leitreglers und eines Behälterdruck- Sollwertes gebildet wird, vorgesehen ist, wobei der Leitregler vorzugsweise einen Regler mit PI-Verhalten aufweist und als Eingabegrößen den Druck-Istwert aus dem Ofeninnenraum und den Druck-Sollwert empfängt, wird eine sehr schnelle Regelung möglich, da bei Druckänderungen im Behälterinnenraum beispielsweise beim Ausdosieren nur die Druckdifferenz geregelt wer­ den muß. Die Leitreglerstellgröße kompensiert darüber hinaus den Druckabfall in der Verrohrung zwischen Proportionalventil und Ofenraum, sowie Offset-, Tem­ peratur- und Alterungseffekte des gesamten Regelkrei­ ses.

Die Offset-, Temperatur- und Alterungseffekte entste­ hen dadurch, daß in Gießereibetrieben die Lufttempe­ ratur zwischen etwa 10°C und 50°C liegt, und daß das Proportionalventil auf einem Ofen montiert ist, dessen Deckel etwa 60°C Temperatur besitzt.

Der Leitregler hingegen, hier Regelkreis 1, kann in einem Schaltschrank plaziert werden, der zudem mit Hilfeeines Lüftersystems oder eines Kühlaggregats gekühlt wird und auf einer Temperatur konstant gehal­ ten werden kann.

Darüber hinaus wird eine maximale absolute Regelab­ weichung (+/- 0,5%) über den gesamten Druckbereich vorgegeben und die Regelparameter sind unkritisch und langzeitstabil, so daß keine Nachparametrierung über die gesamte Lebensdauer des Ofens erforderlich ist. Der Regelkreis weist kurze Ansprechzeiten (0,2-0,5 ms) auf, wodurch kein Überschwingen bei verschliffe­ nen Sollwertsprüngen auftritt. Der Regelkreis hat eine hohe Flexibilität, da eine beliebige Anpassung des gleichen Proportionalventils an verschiedene Re­ gelstrecken mit Hilfe des Leitreglers ohne Eingriff in das Proportionalventil möglich ist. Weiterhin ist vorteilhaft, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung das gleiche Regelverhalten für posi­ tive und negative Sollwertsprünge aufweist.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung für einen Dosierofen näher erläutert; Es zeigen.

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung des Drucks und

Fig. 2 die Prinzipdarstellung des in der Fig. 1 verwendeten Leitreglers.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Regelung des Drucks in einem Dosierofen weist einen Druckbe­ hälter 1 auf, der den Ofeninnenraum bildet und in dem das schmelzflüssige Metall aufgenommen ist. Vorzugs­ weise steht der Druckbehälter 1 unter Druck, wobei bei der Festlegung des Drucks der Füllstand im Ofen­ innenraum berücksichtigt wird. Zum Ausdosieren wird der Druck kurzfristig erhöht, so daß das flüssige Metall aus einer Ausgießöffnung herausgedrückt wird. Über eine Rohrleitung 2 ist der Druckbehälter 1 mit einem Pneumatik-Proportionalventil 3 verbunden, das an eine Versorgungsdruckquelle 4 angeschlossen ist und die Druckzufuhr in den Druckbehälter 1 regelt. In die Rohrleitung 2 ist am Ausgang des Proportionalven­ tils 3 ein Drucksensor 5 für den Ventilausgangsdruck geschaltet, der die Information über den Druck P_VA am Ausgang des Ventils 3 an das Ventil als Regelgröße liefert.

Die Rohrleitung 2 zwischen dem Pneumatikventil 3 und dem Ofen dient zum Kühlen der heißen Ofenluft (700°C-900°C) und zum Abweisen der aggressiven Metalldämpfe. Sonst würde das Pneumatikventil sofort zerstört werden (normale Lufttemperatur von 50°C). Die Rohrleitung 2 hat aber einen Druckabfall zur Fol­ ge.

Ein weiterer Drucksensor 6 ist an bzw. in dem Druck­ behälter 1 angeordnet, der den Druck im Ofeninnenraum erfaßt. Der Drucksensor 6 ist mit einem Eingang eines PI-Leitreglers 7 verbunden, dessen anderer Eingang den Sollwert für den Ofeninnenraumdruck von einer externen Sollwertvorgabe erhält. Das Blockschaltbild des Leitreglers ist in Fig. 2 dargestellt. Er besteht aus einem Addierer 8, dem der Druck-Istwert und Druck-Sollwert zugeführt wird, einem mit dem Ausgang des Addierers 8 verbundenen Verstärker 9 und einem dazu parallelliegenden Integrierer 10 und einem wei­ teren Addierer 11, der die Ausgangssignale des Ver­ stärkers 9 und des Integrators 10 empfängt. Wie zu erkennen ist, ist der Leitregler 7 als bekannter PI- Regler ausgebildet.

Der Ausgang des Leitreglers 7 ist mit einem Addierer 12 verbunden, an dessen anderem Eingang eine Skalier­ einheit 13 liegt, die mit der externen Sollwertvor­ gabe verbunden ist und an ihren Ausgang den skalier­ ten Sollwert liefert. Der Addierer 12 ist mit dem Proportionalventil 3 verbunden und liefert die Füh­ rungsgröße für den im Proportionalventil 3 vorhande­ nen Regelkreis.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung bildet eine Druckkaskadenregelung mit einem Proportionalventil 3, dessen Führungsgröße aus der Addition der Stellgröße des Leitreglers 7 und des skalierten Sollwertes des Ofeninnenraumdrucks gebildet wird. Das Proportional­ ventil 3 arbeitet über die Pneumatikrohrleitung 2 als Druckregler für das Luftvolumen des Druckbehälters 1. Seine elektrische Führungsgröße wird mit Hilfe des ventilinternen Regelkreises in einen proportionalen Druck an seinem Ausgang umgewandelt, wobei dieser Druck größer als der Ofeninnenraumdruck ist, da ein Druckabfall in der Rohrleitung 2 auftritt. Es gilt also:

Ventilausgangsdruck = Ofeninnenraumdruck + Druckab­ fall,

wobei der Druckabfall keine fest kalkulierbare Größe ist, da er vom jeweiligen Volumenstrom und der Rohr­ geometerie abhängt. Um eine sehr genaue Ofenraum­ druckregelung zu verwirklichen, setzt sich die Füh­ rungsgröße, wie schon oben erwähnt, aus zwei Kompo­ nenten zusammen, d. h.

Führungsgröße = skalierter Sollwert + Leitregler­ stellgröße.

Dabei sind die Druckgrößen Ventilausgangsdruck, Ofen­ innenraumdruck, Druckabfall den zugeordneten elektri­ schen Größen Führungsgröße, skalierter Sollwert, Leitreglerstellgröße proportional, wobei von der Leitreglerstellgröße neben dem Druckabfall gleichzei­ tig die Temperatur-, Offset- und Alterungseffekte mitberücksichtigt wird.

Wenn im Ofeninnenraum, d. h. im Druckbehälter, sich der Druck gegenüber dem Druck-Sollwert ändert, lie­ fert der Leitregler 7 eine Stellgröße, die die Diffe­ renz zwischen Soll- und Ist-Wert berücksichtigt, wo­ bei aufgrund der Ausbildung des Leitreglers als PI- Regler auch schnelle Änderungen erfaßt werden. Da die Führungsgröße für das Proportionalventil sich aus dem skalierten Druck-Sollwert und der der Differenz des Drucks im Ofeninnenraum und des Solldrucks entspre­ chenden Stellgröße zusammensetzt, wird der Druck am Ventilausgang so geregelt, daß er höher ist als der Ofeninnenraumdruck, wodurch der Druckabfall in der Verrohrung zwischen Ventil und Ofenraum sowie die Offset-, Temperatur- und Alterungseffekte des gesam­ ten Regelkreises kompensiert werden.

Üblicherweise sind die schnellen aber kostengünstigen Proportionalventile für höhere Drücke (0,2-10 bar) als im in der Erfindung verwendeten Ofen erforderlich (0-0,2 bar). In diesem niedrigen Druckbereich wür­ den bei Proportionalventilen im üblichen Anwen­ dungsfall (Rohrleitung 2 ist nicht vorhanden und der Drucksollwert wird direkt auf das Proportionalventil gegeben) erhebliche Abweichungen im Ausgängsdruck auftreten. Der Leitregler 7 zwingt dem regelbaren Proportionalventil eine hochgenaue Proportionalität auf, auch im Druckbereich, für den es nicht ausgelegt ist.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Proportional­ ventil im thermischen Grenzbereich (Umgebungstempera­ tur auf dem Ofen 30°-50°C) betrieben. Dadurch be­ steht eine Alterung, die die interne Parametrierung über Jahre gesehen verändert. Diese Verschiebung wird ebenfalls durch den Zeitregler 7 ausgeglichen, der geschützt im Schaltschrank untergebracht ist und über ca. 10 Jahre seine Parametrierung behält.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Druckregelung mit sehr kleiner und über den gesamten Druckbereich (0 bis 1 bar) konstanter Regelabweichung (+/- 0,75 mbar) sowie mit sehr kurzer Ansprechzeit (ca. 0,2 sec) realisiert werden.

Die Erfindung wurde an dem Beispiel eines Dosierofens beschrieben. Selbstverständlich ist sie auch für an­ dere Behälter anwendbar, aus denen dosiert werden soll, beispielsweise für Niedrucköfen oder Metallpum­ pen zur Förderung einer Metallschmelze.

Claims (4)

1. Verfahren zur Regelung des Drucks in Behältern, insbesondere in Dosier- und Niederdrucköfen so­ wie Metallpumpen, bei dem der Druck im Ofenin­ nenraum erfaßt und über einen Regelkreis gere­ gelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druck-Kaskadenregelung durchgeführt wird, wobei der Druck-Istwert im und der Druck- Sollwert für den Behälterinnenraum einem ersten aufweisenden Regelkreis zugeführt und die sich ergebende Stellgröße mit dem Druck-Sollwert ad­ diert wird und das Ergebnis als Führungsgröße für einen ein Proportionalventil aufweisenden zweiten Regelkreis zugeführt wird.

2. Vorrichtung zur Regelung des Drucks in Behäl­ tern, insbesondere in Dosier- und Niederdruckö­ fen sowie Metallpumpen mit einem den Druck im Behälterinnenraum erfassenden Drucksensor und einem Regelkreis zur Regelung des Drucks im Be­ hälterinnenraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis als Kaskadenregelkreis ausge­ bildet ist, wobei ein erster Regelkreis einen Leitregler bildet, der den vom Drucksensor ge­ lieferten Druck-Istwert und einen Druck-Sollwert empfängt und eine Stellgröße liefert, die, mit dem Sollwert addiert, die Führungsgröße für ei­ nen ein Proportionalventil aufweisenden zweiten Regelkreis bildet und daß ein weiterer Drucksen­ sor in der Verbindungsleitung zum Behälterinnen­ raum am Ausgang des Ventils liegt und mit dem zweiten Regelkreis verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Führungsgröße des zweiten Re­ gelkreises die Summe aus der Stellgröße des er­ sten Regelkreises und dem skalierten Druck-Soll­ wert für die Ofeninnendruck ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Regelkreis einen Regler mit einem PI-Verhalten aufweist.