EP2194516A2 - Device and method for creating and/or regulating and transmitting measurement data and/or control data - Google Patents

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EP2194516A2
EP2194516A2 EP20090174349 EP09174349A EP2194516A2 EP 2194516 A2 EP2194516 A2 EP 2194516A2 EP 20090174349 EP20090174349 EP 20090174349 EP 09174349 A EP09174349 A EP 09174349A EP 2194516 A2 EP2194516 A2 EP 2194516A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
subsystem
measurement
energy
control data
transmitting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20090174349
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rudolf Münch
Markus Hochmüller
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP2194516A2 publication Critical patent/EP2194516A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and method for detecting and / or regulating and wirelessly transmitting measurement and / or control data from a machine component to e.g. a monitoring system of a papermaking machine.
  • Wireless systems require wireless data transmission and wireless power transmission for such applications.
  • Wireless data transmission has long been state of the art, such as from the DE101 04 582 A1 known.
  • the demand for a wireless power supply usually leads to a solution with battery or battery operation.
  • the plant operator can not be expected to cyclically (e.g., annually) replace hundreds of batteries on the many sensors and / or actuators.
  • From the DE101 04 582 A1 is known to be produced by means of a pyroelectric crystal responsive to a temporal change in temperature ⁇ T with charge separation energy.
  • a pyroelectric crystal can be used as an energy source but only if the temperature at the measuring point or in the immediate Environment changes constantly. This is not the case with papermaking plants in the stationary state.
  • a pyroelectric crystal is not suitable for many applications to generate sufficient power to supply, for example, actuators with energy.
  • the invention is therefore based on the object, a device and a method for low-cost and low-interference detection and / or rules and transfer of measurement and process data to show in a machine or production plant to a control system.
  • a device for detecting and / or regulating and for transmitting measurement and / or control data in a machine or production plant to a control system, with at least one subsystem, with at least one connected sensor and / or actuator and a power supply proposed.
  • the subsystem consists of at least one data acquisition and control unit, a microcontroller, a transmitting and receiving unit and an antenna.
  • a wireless connection is present and that for energy supply, a power generation module is present that uses a non-electric energy source for power generation.
  • the power generation module for utilizing the non-electric power source is a thermoelectric generator that converts a heat flow into electrical energy.
  • a thermoelectric generator TMG
  • TMG thermoelectric generator
  • the subsystem is arranged according to the invention in a housing which is mounted near the site of the sensors / actuators within the system / machine. It must be ensured that between the contact surfaces of the thermoelectric generator heat flow can take place.
  • the one contact surface of the thermoelectric generator is heat-conductively attached to a surface on the system.
  • This surface preferably has a stable temperature potential.
  • a bearing of a roller which is heated by the roller work and optionally tempered by a lubricant flow.
  • it is the surface of a pipeline with the medium at a different temperature than the environment.
  • the other contact surface of the generator must have thermally conductive contact to another temperature potential, such as the temperature potential of the ambient air, a liquid, or a component, which is exposed to thermal radiation.
  • the second contact surface may also be connected to a heat exchanger which is in good contact with the ambient air or a liquid.
  • Thermoelectric converters are based on the Seebeck effect. With today's TEG, an energy yield of about 10 W with a module area of 40x40 mm and a differential temperature of 100 ° C can be achieved. However, with such high module outputs, water cooling is usually required to maintain the differential temperature. Modules with a lower power of 1-2W per module can also be operated via convection. Since the available space is limited near the sensors / actuators and in individual cases with very small temperature differences of a few degrees Celsius is expected, but you have to make do in reality with relatively small benefits. Investigations have shown that the temperature differences on a paper plant in the vicinity of sensors / actuators in the range of 4 ° to 60 °. For example, it is warm in the area of the dryer section, but at the measuring points for monitoring systems, the actual temperature difference between the bearing and the environment is still relatively low.
  • a rechargeable accumulator or a capacitor, or another rechargeable voltage source is located in the subsystem. This is loaded by the TEG and the data transfer is activated only when the state of charge is sufficient. In practice, this is achieved by a cyclic operation. For example, load 100 time cycles, perform 1 time cycle actions.
  • the sensor / actuator can optionally be provided with an additional voltage source and the operation of the sensor / actuator can optionally also be cyclical.
  • a memory module can be provided so that no data of the subsystem is lost.
  • the wake-up module allows energy-saving, cyclical operation of the subsystem. This means that the majority of the subsystem is usually inactive. The wake-up module activates these inactive parts as needed. The wake-up module has a clock or the possibility to interpret messages received accordingly.
  • the power generation module and / or the antenna and / or the at least one sensor / actuator can be connected to the subsystem via a cable connection.
  • this cable connection will of course be so short that no protective tubes are required.
  • a method for detecting and / or regulating and transmitting measurement and / or control data, in a machine or production plant to a control system, with at least one subsystem, proposed with at least one connected sensor and / or actuator and a power supply wherein the measurement and / or control data from the subsystem, comprising at least one data acquisition and control unit, a microcontroller, a transmitting and receiving unit and an antenna are detected, the measurement and / or control data from the subsystem to the control system and / or a another subsystem is made by means of a wireless connection and that a power generation module is used for the power supply of the subsystem that uses a non-electrical energy source for power generation.
  • the wireless connection is preferably via WLAN, although all other wireless connections can be used.
  • the proposed device or method can be used in many places of a machine or plant, such as e.g. for measuring temperatures and / or pressures and / or flow rates and / or positions and / or vibrations at or in the area of the rolls of a paper plant, even within rotating components, or also for measuring and controlling temperatures at or in the area of bearing points.
  • the Fig. 1 shows the basic structure of a subsystem 1 with all components that may contain this.
  • the subsystem 1 comprises at least one data acquisition and control unit 6, a microcontroller 7, a transmitting and receiving unit 8, a power generation unit 3 and an antenna 5 and a sensor / actuator 12.
  • the antenna 5, the Sensor / actuator 12 may also be connected via a cable connection to the subsystem 1.
  • the microcontroller 7 controls the processes, the data processing, controls communication tasks, performs calculations, and reduces the amount of data by appropriate compression.
  • the subsystem may additionally include an accumulator 2, which also makes it possible to provide larger amounts of energy. This is necessary when actuators are to be controlled, which generally require a multiple of the energy of a sensor, or when the energy of the power generation unit must be cached.
  • a memory module 5 such as a RAM or Flash
  • data such as the configuration data, measured data, Communication data and control data can also be cached and so the possibility exists to separate the measurement and the data transmission from each other in time.
  • the clock can also be used for a timing of the processes and the actuators or as a time stamp for a measurement.
  • an amplifier module can additionally be integrated in the subsystem 1, as well as a filter for filtering the signals if, for example, the measurement noise is too high.
  • Fig. 2 is exemplified a housing 13 of a subsystem 1 outlined.
  • the overall housing 13 is divided into two sub-housings 13a / 13b.
  • the sub-housing 13 a all essential components are included as well as the thermoelectric generator 15 and a heat conductor 16, which can be continued outside the housing 13.
  • An antenna and / or a power supply can also be connected to the sockets 5 outside the housing.
  • the sockets 14 are provided.
  • the sub-housing 13a is attached to the surface of a system in a heat-conducting manner. It is not thermally conductively connected to the sub-housing 13b.
  • the heat flow is passed through the TEG 15 and the heat conductor 16.
  • the heat conductor 16 is on the side of the housing 13b with a different temperature level than on 13a in combination. This can be done by ridges on the housing 13b, which serve as a heat exchanger with an air flow or water flow. Or through a connection to a component that receives heat radiation.
  • Fig. 3 is the overall system 18, for example, a monitoring system shown.
  • the subsystems 1 are with each other and / or with the control system node 26th connected to each other via a wireless connection 19.
  • the wireless connection 19 is preferably via WLAN.
  • a concrete application example shows the Fig. 4 , Here is a roller with a roller bearing 20 shown in the example, the temperature of the bearing to be monitored.
  • the sensor here a temperature sensor
  • the subsystem 1 is attached to a surface 21.
  • the housing 13 of the subsystem is attached to a suitable surface 21, so that the largest possible temperature difference to the environment is available for generating energy by means of a thermoelectric generator and so enough energy can be generated.
  • the surface 21 may be, for example, the housing of a bearing, a stiffener, a motor, a roller surface, a foundation rail, or the like.
  • a heat sink can be attached to the housing 13 b, or a body with a large surface area, which provides a good thermal contact with the ambient air through the large surface. Or it can also be a planar element attached to the housing 13 b, which is heated by radiated heat of an adjacent component. Or a body that provides contact with a liquid, such as a heat exchanger.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

The device has a sub-system (1), a cable-connected sensor or actuator (12) and an electrical power supply. The sub-system consists of a data acquisition- and control unit (6), a microcontroller (7), a transmitting- and receiving unit (8) and an antenna (5). A wireless connection is present for the transmission of measurement or control data from the sub-system to a control system or to another sub-system. An energy producing module is provided for energy supply. A non-electric energy source is used for energy production. An independent claim is also included for a method for recording or regulating and for transmitting measurement- or control data in a machine or production system to a control system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen und/oder Regeln und zur kabellosen Übermittlung von Mess und/oder Regeldaten von einem Maschinenbauteil an z.B. ein Monitoringsystem einer Papiererzeugungsmaschine.The invention relates to an apparatus and method for detecting and / or regulating and wirelessly transmitting measurement and / or control data from a machine component to e.g. a monitoring system of a papermaking machine.

Viele Systeme in einer Papiererzeugungsanlage zeichnen sich dadurch aus, dass sie kontinuierlich Energie an die Umgebung abgeben. Innerhalb dieser Systeme sind für die automatisierungstechnischen Funktionen eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren installiert. Als konkretes Beispiel sei eine Trockenpartie genannt. Sie enthält viele Walzen und an den meisten Walzen ist für Überwachungszwecke ein Beschleunigungssensor angebracht. Der Anschluss dieser Sensoren an das Leitsystem ist äußerst aufwendig und teuer, da in einer Papiererzeugungsanlage Kabel in der Regel in Edelstahlrohren verlegt sein müssen, um sie vor Beschädigung zu schützen.Many systems in a papermaking plant are characterized by the continuous release of energy to the environment. Within these systems, a variety of sensors and actuators are installed for the automation functions. A concrete example is a drying section. It contains many rollers and most rollers have an acceleration sensor for monitoring purposes. The connection of these sensors to the control system is extremely complicated and expensive, as in a papermaking system cables must be routed usually in stainless steel tubes to protect them from damage.

Kabellose Systeme benötigen für derartige Anwendungen eine Kabellose Datenübertragung und eine Kabellose Energieübertragung.Wireless systems require wireless data transmission and wireless power transmission for such applications.

Kabellose Datenübertragung ist seit langem Stand der Technik, wie z.B. aus der DE101 04 582 A1 bekannt.Wireless data transmission has long been state of the art, such as from the DE101 04 582 A1 known.

Im Stand der Technik führt die Forderung nach einer kabellosen Energieversorgung meist zu einer Lösung mit Batterie- oder Akkubetrieb. Dem Anlagenbetreiber kann jedoch nicht zugemutet werden zyklisch (z.B. jährlich) hunderte von Batterien an den vielen Sensoren und/oder Aktoren zu tauschen.In the prior art, the demand for a wireless power supply usually leads to a solution with battery or battery operation. However, the plant operator can not be expected to cyclically (e.g., annually) replace hundreds of batteries on the many sensors and / or actuators.

Aus der DE101 04 582 A1 ist bekannt, mittels eines pyroelektrischen Kristalls der auf eine zeitliche Temperaturänderung ΔT mit Ladungstrennung reagiert Energie zu erzeugen. Ein pyroelektrischer Kristall kann als Energiequelle aber nur verwendet werden, wenn sich die Temperatur an der Messstelle oder in unmittelbarer Umgebung laufend ändert. Das ist bei Papiererzeugungsanlagen im stationären Zustand nicht gegeben. Zudem ist ein pyroelektrischer Kristall für viele Anwendungen nicht geeignet ausreichend Strom zu erzeugen um beispielsweise Aktuatoren mit Energie zu versorgen.From the DE101 04 582 A1 is known to be produced by means of a pyroelectric crystal responsive to a temporal change in temperature Δ T with charge separation energy. A pyroelectric crystal can be used as an energy source but only if the temperature at the measuring point or in the immediate Environment changes constantly. This is not the case with papermaking plants in the stationary state. In addition, a pyroelectric crystal is not suitable for many applications to generate sufficient power to supply, for example, actuators with energy.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Vorrichtung sowie eine Verfahren zum kostengünstigen und störungsarmen Erfassen und/oder Regeln und Übertragen von Mess- und Prozessdaten, in einer Maschine oder Produktionsanlage, zu einem Leitsystem aufzuzeigen.The invention is therefore based on the object, a device and a method for low-cost and low-interference detection and / or rules and transfer of measurement and process data to show in a machine or production plant to a control system.

Die Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The object is achieved by means of a device having the features of claim 1 or by means of a method having the features of claim 9.
Further features emerge from the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erfassung und/oder Regelung und zum Übermittlung von Mess- und/oder Regeldaten, in einer Maschine oder Produktionsanlage zu einem Leitsystem, mit mindestens einem Teilsystem, mit mindestens einem angeschlossenen Sensor und/oder Aktuator und einer Energieversorgung, vorgeschlagen.According to the invention, a device for detecting and / or regulating and for transmitting measurement and / or control data in a machine or production plant to a control system, with at least one subsystem, with at least one connected sensor and / or actuator and a power supply proposed.

Wobei das Teilsystem aus mindestens einer Datenerfassungs- und Ansteuerungseinheit, einem Microcontroller, einer Sende- und Empfangseinheit und einer Antenne besteht.Wherein the subsystem consists of at least one data acquisition and control unit, a microcontroller, a transmitting and receiving unit and an antenna.

Für die Übermittlung der Mess- und/oder Regeldaten vom Teilsystem zum Leitsystem und/oder einem anderen Teilsystem ist eine drahtlose Verbindung vorhanden und dass zur Energieversorgung ein Energieerzeugungsmodul vorhanden ist, dass eine nichtelektrische Energiequelle zur Energieerzeugung nutzt.For the transmission of the measurement and / or control data from the subsystem to the control system and / or another subsystem, a wireless connection is present and that for energy supply, a power generation module is present that uses a non-electric energy source for power generation.

Vorzugsweise ist das Energieerzeugungsmodul zur Nutzung der nichtelektrischen Energiequelle ein thermoelektrischer Generator, der einen Wärmestrom in elektrische Energie wandelt. Mit einem thermoelektrischen Generator (TEG) können besonders Vorteilhaft, die in einer Papierherstellungsanlage oder auch in anderen Produktionsanlagen oder Maschinen sehr häufig vorkommenden relativ niedrigen Temperaturdifferenzen, zwischen einem Bauteil und der Umgebung, für die Energieerzeugung genutzt werden.
Es ist aber auch denkbar die benötigte Energie durch Umwandlung anderer Energien wie z.B. Licht, Strömung, Vibration, Schall und Bewegung zu erzeugen.Preferably, the power generation module for utilizing the non-electric power source is a thermoelectric generator that converts a heat flow into electrical energy. With a thermoelectric generator (TEG) can be particularly Advantageously, which are used in a papermaking plant or in other production facilities or machines very frequently occurring relatively low temperature differences between a component and the environment, for energy production.
But it is also conceivable to generate the required energy by converting other energies such as light, flow, vibration, sound and motion.

Das Teilsystem ist erfindungsgemäß in einem Gehäuse angeordnet, welches nahe am Einsatzort der Sensoren/Aktoren innerhalb der Anlage/Maschine angebracht ist. Dabei muss sichergestellt sein, dass zwischen den Kontaktflächen des Thermoelektrischen Generator ein Wärmefluss stattfinden kann.The subsystem is arranged according to the invention in a housing which is mounted near the site of the sensors / actuators within the system / machine. It must be ensured that between the contact surfaces of the thermoelectric generator heat flow can take place.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die eine Kontaktfläche des Thermoelektrischen Generators wärmeleitend mit einer Fläche an der Anlage befestigt. Diese Fläche hat vorzugsweise ein stabiles Temperaturpotential. Beispielsweise ein Lager einer Walze, das sich durch die Walzenarbeit erwärmt und optional durch einen Schmiermittelstrom temperiert wird. Oder Beispielsweise handelt es sich um die Oberfläche einer Rohrleitung, wobei das Medium eine andere Temperatur als die Umgebung hat.In an advantageous embodiment, the one contact surface of the thermoelectric generator is heat-conductively attached to a surface on the system. This surface preferably has a stable temperature potential. For example, a bearing of a roller, which is heated by the roller work and optionally tempered by a lubricant flow. Or, for example, it is the surface of a pipeline with the medium at a different temperature than the environment.

Die andere Kotaktfläche des Generators muss wärmeleitenden Kontakt zu einem anderen Temperaturpotential wie beispielsweise zum Temperaturpotential der Umgebungsluft, einer Flüssigkeit, oder eines Bauteiles, das mit Wärmestrahlung beaufschlagt wird, haben. So kann die zweite Kontaktfläche auch mit einem Wärmetauscher, der in gutem Kontakt mit der Umgebungsluft oder einer Flüssigkeit steht, verbunden sein.The other contact surface of the generator must have thermally conductive contact to another temperature potential, such as the temperature potential of the ambient air, a liquid, or a component, which is exposed to thermal radiation. Thus, the second contact surface may also be connected to a heat exchanger which is in good contact with the ambient air or a liquid.

Thermoelektrische Wandler beruhen auf dem Seebeck-Effekt. Mit heutigen TEG ist eine Energieausbeute von ca. 10 W bei einer Modulfläche von 40x40 mm und Differenztemperatur von 100°C erreichbar. Allerdings ist bei derart hohen Modulleistungen meist eine Wasserkühlung erforderlich um die Differenztemperatur aufrechtzuerhalten. Module mit einer geringeren Leistung von 1-2W pro Modul können auch über Konvektion betrieben werden. Da der verfügbare Bauraum nahe der Sensoren/Aktoren begrenzt ist und im Einzelfall auch mit sehr geringen Temperaturdifferenzen von wenigen Grad Celsius zu rechnen ist, muss man jedoch in der Realität mit relativ kleinen Leistungen auskommen. Untersuchungen haben ergeben, dass sich die Temperaturdifferenzen an einer Papieranlage in der Nähe von Sensoren/Aktoren im Bereich von 4° bis 60° bewegen. Beispielsweise ist es im Bereich der Trockenpartie warm, aber an den Messstellen für Monitoringsystemen ist die tatsächliche Temperaturdifferenz zwischen Lager und Umgebung trotzdem relativ gering.Thermoelectric converters are based on the Seebeck effect. With today's TEG, an energy yield of about 10 W with a module area of 40x40 mm and a differential temperature of 100 ° C can be achieved. However, with such high module outputs, water cooling is usually required to maintain the differential temperature. Modules with a lower power of 1-2W per module can also be operated via convection. Since the available space is limited near the sensors / actuators and in individual cases with very small temperature differences of a few degrees Celsius is expected, but you have to make do in reality with relatively small benefits. Investigations have shown that the temperature differences on a paper plant in the vicinity of sensors / actuators in the range of 4 ° to 60 °. For example, it is warm in the area of the dryer section, but at the measuring points for monitoring systems, the actual temperature difference between the bearing and the environment is still relatively low.

Da in der Regel nur kleine Leistungen aus den Energiewandlern zur Verfügung stehen ist ein Entscheidender Punkt dieser Erfindung, dass sich im Teilsystem ein aufladbarer Akkumulator, oder ein Kondensator, oder eine andere aufladbare Spannungsquelle befindet. Diese wird durch den TEG geladen, und die Datenübertragung wird nur dann aktiviert, wenn der Ladungszustand ausreicht. In der Praxis wird das durch einen zyklischen Betrieb erreicht. Beispielsweise 100 Zeitzyklen laden, 1 Zeitzyklus Aktionen durchführen.
Zudem kann auch der Sensor/Aktuator optional mit einer zusätzlichen Spannungsquelle versehen sein und der Betrieb des Sensors/Aktuators kann optional ebenfalls zyklisch erfolgen.Since only small powers from the energy converters are usually available, it is a crucial point of this invention that a rechargeable accumulator, or a capacitor, or another rechargeable voltage source is located in the subsystem. This is loaded by the TEG and the data transfer is activated only when the state of charge is sufficient. In practice, this is achieved by a cyclic operation. For example, load 100 time cycles, perform 1 time cycle actions.
In addition, the sensor / actuator can optionally be provided with an additional voltage source and the operation of the sensor / actuator can optionally also be cyclical.

Damit keine Daten des Teilsystems verloren gehen kann zusätzlich ein Speichermodul vorgesehen werden.In addition, a memory module can be provided so that no data of the subsystem is lost.

Auch ist es sinnvoll das Teilsystem zusätzlich mit einer Uhr und einem Wake-UP-Modul oder auch zusätzlich mit einem Filter und Verstärker auszurüsten. Das Wake-Up Modul erlaubt einen energiesparenden, zyklischen Betrieb des Teilsystems. D.h. in der Regel ist der überwiegende Teil des Teilsystems inaktiv. Das Wake-UP Modul aktiviert diese inaktiven Teile, sobald das erforderlich ist. Das Wake-UP Modul verfügt dazu über eine Uhr oder über die Möglichkeit empfangende Nachrichten entsprechend zu interpretieren.It also makes sense to equip the subsystem additionally with a clock and a wake-up module or in addition with a filter and amplifier. The wake-up module allows energy-saving, cyclical operation of the subsystem. This means that the majority of the subsystem is usually inactive. The wake-up module activates these inactive parts as needed. The wake-up module has a clock or the possibility to interpret messages received accordingly.

Erfindungsgemäß kann das Energieerzeugungsmodul und/oder die Antenne und/oder der mind. eine Sensor/Aktuator über eine Kabelverbindung mit dem Teilsystem verbunden sein. Vorzugsweise wird diese Kabelverbindung natürlich so kurz sein, dass keine Schutzrohre erforderlich sind.According to the invention, the power generation module and / or the antenna and / or the at least one sensor / actuator can be connected to the subsystem via a cable connection. Of course, this cable connection will of course be so short that no protective tubes are required.

Zudem wird ein Verfahren zur Erfassung und/oder Regelung und zum Übermittlung von Mess- und/oder Regeldaten, in einer Maschine oder Produktionsanlage zu einem Leitsystem, mit mindestens einem Teilsystem, mit mindestens einem angeschlossenen Sensor und/oder Aktuator und einer Energieversorgung vorgeschlagen. Wobei die Mess- und oder Regeldaten von dem Teilsystem, bestehend aus mindestens einer Datenerfassungs- und Ansteuerungseinheit, einem Microcontroler, einer Sende- und Empfangseinheit und einer Antenne, erfasst werden, die Mess- und/oder Regeldaten vom Teilsystem zum Leitsystem und/oder einem anderen Teilsystem mittels einer drahtlosen Verbindung erfolgt und dass für die Energieversorgung des Teilsystems ein Energieerzeugungsmodul verwendet wird, dass eine nichtelektrische Energiequelle zur Energieerzeugung nutzt.In addition, a method for detecting and / or regulating and transmitting measurement and / or control data, in a machine or production plant to a control system, with at least one subsystem, proposed with at least one connected sensor and / or actuator and a power supply. Wherein the measurement and / or control data from the subsystem, comprising at least one data acquisition and control unit, a microcontroller, a transmitting and receiving unit and an antenna are detected, the measurement and / or control data from the subsystem to the control system and / or a another subsystem is made by means of a wireless connection and that a power generation module is used for the power supply of the subsystem that uses a non-electrical energy source for power generation.

Die drahtlose Verbindung erfolgt vorzugsweise über WLAN, wobei auch alle anderen drahtlosen Verbindungen zum Einsatz kommen können.The wireless connection is preferably via WLAN, although all other wireless connections can be used.

Die vorgeschlagen Vorrichtung bzw. das Verfahren kann an vielen Stellen einer Maschine oder Anlage eingesetzt werden, wie z.B. zur Messung von Temperaturen und/oder Drücken und/oder Durchflüssen und/oder Positionen und/oder Schwingungen an oder im Bereich der Walzen einer Papieranlage, sogar innerhalb von rotierenden Bauelementen, oder auch zur Messung und Regelung von Temperaturen an oder im Bereich von Lagerstellen.The proposed device or method can be used in many places of a machine or plant, such as e.g. for measuring temperatures and / or pressures and / or flow rates and / or positions and / or vibrations at or in the area of the rolls of a paper plant, even within rotating components, or also for measuring and controlling temperatures at or in the area of bearing points.

Wobei diese Aufzählung nur beispielhaft ist und sich für den Fachmann weitere Einsatzmöglichkeiten ergeben.Whereby this list is only an example and will result in further possible applications for the person skilled in the art.

Figurenbeschreibungfigure description

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und des bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Figur 1:
prinzipieller Aufbau eines Teilsystems mit allen Komponenten
Figur 2:
eine Skizze des Gehäuses des Teilsystems
Figur 3:
eine Skizze des Gesamtsystems
Figur 4:
Anwendungsbeispiel an der Lagerstelle einer Walze
Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description and the preferred embodiment with reference to the drawings.
FIG. 1:
basic structure of a subsystem with all components
FIG. 2:
a sketch of the housing of the subsystem
FIG. 3:
a sketch of the overall system
FIG. 4:
Application example at the bearing point of a roller

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Teilsystems 1 mit allen Komponenten die dies enthalten kann. Um die Grundfunktion realisieren zu können, umfasst das Teilsystem 1 mindestens eine Datenerfassungs- und Steuereinheit 6, einen Microcontroler 7, eine Sende- und Empfangseinheit 8, eine Energieerzeugungseinheit 3 sowie eine Antenne 5 und einen Sensor/Aktuator 12. Wobei die Antenne 5, der Sensor/Aktuator 12 auch über eine Kabelverbindung mit dem Teilsystems 1 verbunden sein können.The Fig. 1 shows the basic structure of a subsystem 1 with all components that may contain this. In order to be able to realize the basic function, the subsystem 1 comprises at least one data acquisition and control unit 6, a microcontroller 7, a transmitting and receiving unit 8, a power generation unit 3 and an antenna 5 and a sensor / actuator 12. The antenna 5, the Sensor / actuator 12 may also be connected via a cable connection to the subsystem 1.

Der Microcontroler 7 steuert die Abläufe, die Datenverarbeitung, steuert Kommunikationsaufgaben, führt Berechnungen durch, und reduziert die Datenmengen durch geeignete Komprimierung.The microcontroller 7 controls the processes, the data processing, controls communication tasks, performs calculations, and reduces the amount of data by appropriate compression.

Um die Funktionalität des Teilsystems 1 zu erweitern, können zusätzlich weiter Komponenten hinzugefügt werden.In order to expand the functionality of the subsystem 1, additional components can be additionally added.

So kann das Teilsystem zusätzlich ein Akkumulator 2 enthalten, der es ermöglicht auch größere Energiemengen bereitzustellen. Dies ist dann Notwendig wenn Aktuatoren angesteuert werden sollen, die in der Regel ein Vielfaches der Energie eines Sensors benötigen, oder wenn die Energie der Energieerzeugungseinheit zwischengespeichert werden muss.Thus, the subsystem may additionally include an accumulator 2, which also makes it possible to provide larger amounts of energy. This is necessary when actuators are to be controlled, which generally require a multiple of the energy of a sensor, or when the energy of the power generation unit must be cached.

Auch ist es sehr sinnvoll im Teilsystem ein Speichermodul 5 wie ein RAM oder Flash zu integrieren, so dass Daten wie die Konfigurationsdaten, Messdaten, Kommunikationsdaten und Steuerdaten auch zwischengespeichert werden können und so die Möglichkeit besteht die Messung und die Datenübertragung zeitlich voneinander zu trennen.It is also very useful in the subsystem to integrate a memory module 5 such as a RAM or Flash, so that data such as the configuration data, measured data, Communication data and control data can also be cached and so the possibility exists to separate the measurement and the data transmission from each other in time.

Weiterhin ist sehr sinnvoll eine Uhr und eine Wake-UP Modul in dem Teilsystem zu integrieren um eine Energiesparfunktion zu realisieren. Wobei die Uhr auch für eine Zeitsteuerung der Abläufe und der Aktuatoren oder als Zeitstempel für eine Messung einsetzbar ist.Furthermore, it is very useful to integrate a clock and a wake-up module in the subsystem to realize an energy saving function. Wherein the clock can also be used for a timing of the processes and the actuators or as a time stamp for a measurement.

Zur Verstärkung des Signallevels kann zusätzlich ein Verstärkermodul im Teilsystem 1 integriert werden, sowie ein Filter zur Filterung der Signale, falls beispielsweise das Messrauschen zu hoch ist.To amplify the signal level, an amplifier module can additionally be integrated in the subsystem 1, as well as a filter for filtering the signals if, for example, the measurement noise is too high.

In Fig. 2 ist beispielhaft ein Gehäuse 13 eines Teilsystems 1 skizziert. Wobei im vorliegenden Fall das Gesamtgehäuse 13 in zwei Teilgehäuse 13a/13b unterteilt ist. Im Teilgehäuse 13a sind alle wesentlichen Komponenten enthalten wie auch der Thermoelektrische Generator 15 und ein Wärmeleiter 16, der auch außerhalb des Gehäuses 13 fortgesetzt werden kann. An den Buchsen 5 kann auch außerhalb des Gehäuses eine Antenne und/oder eine Energieversorgung angeschlossen werden. Zum Anschluss der Sensoren oder der Aktuatoren sind die Buchsen 14 vorgesehen.In Fig. 2 is exemplified a housing 13 of a subsystem 1 outlined. Wherein, in the present case, the overall housing 13 is divided into two sub-housings 13a / 13b. In the sub-housing 13 a all essential components are included as well as the thermoelectric generator 15 and a heat conductor 16, which can be continued outside the housing 13. An antenna and / or a power supply can also be connected to the sockets 5 outside the housing. To connect the sensors or actuators, the sockets 14 are provided.

Das Teilgehäuse 13a wird wärmeleitend auf der Oberfläche einer Anlage befestigt. Es ist nicht Wärmeleitend mit dem Teilgehäuse 13b verbunden. Der Wärmefluss wird durch den TEG 15 und den Wärmeleiter 16 geführt. Wobei der Wärmeleiter 16 auf der Seite des Gehäuses 13b mit einem anderen Temperaturniveau als auf 13a in Verbindung steht. Das kann durch Rippen auf dem Gehäuse 13b erfolgen, die mit einer Luftströmung oder Wasserströmung als Wärmetauscher dienen. Oder durch eine Anbindung an ein Bauteil, das Wärmestrahlung empfängt.The sub-housing 13a is attached to the surface of a system in a heat-conducting manner. It is not thermally conductively connected to the sub-housing 13b. The heat flow is passed through the TEG 15 and the heat conductor 16. Wherein the heat conductor 16 is on the side of the housing 13b with a different temperature level than on 13a in combination. This can be done by ridges on the housing 13b, which serve as a heat exchanger with an air flow or water flow. Or through a connection to a component that receives heat radiation.

In Fig. 3 ist das Gesamtsystem 18, beispielsweise ein Monitoring-System dargestellt. Die Teilsysteme 1 sind untereinander und/oder mit dem Leitsystemknotenpunkt 26 über eine drahtlose Verbindung 19 miteinander verbunden. Die drahtlose Verbindung 19 erfolgt vorzugsweise über WLAN.In Fig. 3 is the overall system 18, for example, a monitoring system shown. The subsystems 1 are with each other and / or with the control system node 26th connected to each other via a wireless connection 19. The wireless connection 19 is preferably via WLAN.

Ein konkretes Anwendungsbeispiel zeigt die Fig. 4, hier ist eine Walze mit einer Walzenlagerung 20 dargestellt bei der z.B. die Temperatur des Lagers überwacht werden soll. Wobei der Sensor, hier ein Temperatursensor, an der Messstelle angebracht ist und mittels eines Kabels mit dem Teilsystem 1, dass an einer Fläche 21 angebracht ist, verbunden. Das Gehäuse 13 des Teilsystems ist an einer geeigneten Fläche21 angebracht, so dass zur Energieerzeugung mittels eines Thermoelektrischen Generators eine möglichst große Temperaturdifferenz zur Umgebung zur Verfügung steht und so genug Energie erzeugt werden kann. Die Fläche 21 kann beispielsweise das Gehäuse eines Lagers, ein Stuhlungsteil, ein Motor, eine Walzenoberfläche, eine Fundamentschiene, oder ähnliches sein.A concrete application example shows the Fig. 4 , Here is a roller with a roller bearing 20 shown in the example, the temperature of the bearing to be monitored. Wherein the sensor, here a temperature sensor, is attached to the measuring point and connected by means of a cable to the subsystem 1, which is attached to a surface 21. The housing 13 of the subsystem is attached to a suitable surface 21, so that the largest possible temperature difference to the environment is available for generating energy by means of a thermoelectric generator and so enough energy can be generated. The surface 21 may be, for example, the housing of a bearing, a stiffener, a motor, a roller surface, a foundation rail, or the like.

Zur Unterstützung kann ein Kühlkörper am Gehäuse 13b angebracht werden, beziehungsweise ein Körper mit einer großen Oberfläche, der durch die große Oberfläche einen guten Wärmekontakt zur Umgebungsluft bietet. Oder es kann auch ein flächiges Element am Gehäuse 13b angebracht werden, das durch abgestrahlte Wärme eines benachbarten Bauteils erwärmt wird. Oder auch ein Körper der Kontakt zu einer Flüssigkeit bietet, wie beispielsweise ein Wärmetauscher.To support a heat sink can be attached to the housing 13 b, or a body with a large surface area, which provides a good thermal contact with the ambient air through the large surface. Or it can also be a planar element attached to the housing 13 b, which is heated by radiated heat of an adjacent component. Or a body that provides contact with a liquid, such as a heat exchanger.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Teilsystemsubsystem
22
Aufladbare SpannungsquelleRechargeable power source
33
Energieerzeugungpower generation
44
Speichermodulmemory module
55
Antenneantenna
66
Datenerfassungs- und AnsteuerungseinheitData acquisition and control unit
77
Microcontrolermicrocontroller
88th
Sender/EmpfängerTransmitter-receiver
99
Filter/VerstärkerFilter / amplifier
1010
Wake UPWake up
1111
UhrClock
1212
Sensor / AktuatorSensor / actuator
1313
Gehäusecasing
1414
Anschluss Sensor /AktuatorConnection sensor / actuator
1515
Thermoelektrischer GeneratorThermoelectric generator
1616
Wärmeleiterheat conductor
1818
Gesamtsystemoverall system
1919
Drahtlose DatenverbindungWireless data connection
2020
Walzenlagerungroller bearings
2121
Flächearea
2222
Kühlkörperheatsink
2626
LeitsystemknotenpunktControl system node
2727
DatennetzwerkData network
2828
Bedieneinheitoperating unit

Claims (15)

Vorrichtung zur Erfassung und/oder Regelung und zum Übermittlung von Mess- und/oder Regeldaten, in einer Maschine oder Produktionsanlage zu einem Leitsystem (26), mit mindestens einem Teilsystem (1), mit mindestens. einem angeschlossenen Sensor und/oder Aktuator (12) und einer Energieversorgung
dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilsystem (1) aus mindestens einer Datenerfassungs- und Ansteuerungseinheit (6), einem Microcontroler (7), einer Sende- und Empfangseinheit (8) und einer Antenne (5) besteht, das für die Übermittlung der Mess- und/oder Regeldaten vom Teilsystem (1) zum Leitsystem (26) und/oder einem anderen Teilsystem (1) eine drahtlose Verbindung (19) vorhanden ist und dass zur Energieversorgung ein Energieerzeugungsmodul (3) vorhanden ist, dass eine nichtelektrische Energiequelle zur Energieerzeugung nutzt.Device for detecting and / or regulating and for transmitting measurement and / or control data, in a machine or production plant to a control system (26), with at least one subsystem (1), with at least. a connected sensor and / or actuator (12) and a power supply
characterized in that
the subsystem (1) consists of at least one data acquisition and control unit (6), a microcontroller (7), a transmitting and receiving unit (8) and an antenna (5) for transmitting the measurement and / or control data from Subsystem (1) to the control system (26) and / or another subsystem (1) a wireless connection (19) is present and that for energy supply, a power generation module (3) is present that uses a non-electric energy source for energy production. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Energieerzeugungsmodul (3) zur Nutzung der nichtelektrische Energiequelle ein Thermoelektrischer Generator (15) ist, der einen Wärmestrom in elektrische Energie wandelt.Device according to claim 1,
characterized in that
the power generation module (3) for utilizing the non-electric power source is a thermoelectric generator (15) that converts a heat flow into electrical energy. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilsystem (1) in mindestens einem Gehäuse (13) angeordnet ist, dass an einer Fläche (21) der Anlage befestigt ist, und der Thermoelektrische Generator (15) mit seinen Kontaktflächen im Gehäuse (13) so angeordnet ist, dass eine Kontaktfläche wärmeleitend mit dieser Fläche (21) verbunden ist und die andere Kotaktfläche wärmeleitenden Kontakt zu einem anderen Temperaturpotential hat, wie beispielsweise zum Temperaturpotential der Umgebungsluft, einer Flüssigkeit, oder eines Bauteiles, das mit Wärmestrahlung beaufschlagt wird.Apparatus according to claim 1 or 2,
characterized in that
the subsystem (1) is arranged in at least one housing (13), which is fastened to a surface (21) of the installation, and the thermoelectric generator (15) is arranged with its contact surfaces in the housing (13) such that a contact surface conducts heat is connected to this surface (21) and the other Kotaktfläche thermally conductive contact to another temperature potential, such as the temperature potential of the ambient air, a liquid, or a component which is exposed to thermal radiation. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilsystem (1) zusätzlich eine aufladbare Spannungsquelle (2) und/oder ein Speichermodul (4) aufweist.Apparatus according to claim 1 to 3,
characterized in that
the subsystem (1) additionally has a rechargeable voltage source (2) and / or a memory module (4). Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilsystem (1) zusätzlich eine Uhr (11) und/oder ein Wake UP (10) Modul aufweist.Apparatus according to claim 1 to 3,
characterized in that
the subsystem (1) additionally has a clock (11) and / or a wake UP (10) module. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilsystem (1) zusätzlich ein Filter und/oder Verstärker (9) aufweist.Apparatus according to claim 1 to 3,
characterized in that
the subsystem (1) additionally has a filter and / or amplifier (9). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
dass das Energieerzeugungsmodul (3) und/oder die Antenne (5) und/oder der mind. eine Sensor/Aktuator (12) über eine Kabelverbindung mit dem Teilsystem (1) verbunden ist.Device according to one of the preceding claims,
characterized in that
in that the power generation module (3) and / or the antenna (5) and / or the at least one sensor / actuator (12) is connected to the subsystem (1) via a cable connection. Verfahren zur Erfassung und/oder Regelung und zum Übermittlung von Mess- und/oder Regeldaten, in einer Maschine oder Produktionsanlage zu einem Leitsystem (26), mit mindestens einem Teilsystem (1), mit mindestens einem angeschlossenen Sensor und/oder Aktuator (12) und einer Energieversorgung
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mess- und oder Regeldaten von dem Teilsystem (1), bestehend aus mindestens einer Datenerfassungs- und Ansteuerungseinheit (6), einem Microcontroler (7), einer Sende- und Empfangseinheit (8) und einer Antenne (5), erfasst werden, dass die Übertragung der Mess- und/oder Regeldaten vom Teilsystem (1) zum Leitsystem (26) und/oder einem anderen Teilsystem (1) mittels einer drahtlosen Verbindung (19) erfolgt und dass für die Energieversorgung des Teilsystems(1) ein Energieerzeugungsmodul (3) verwendet wird, dass eine nichtelektrische Energiequelle zur Energieerzeugung nutzt.Method for detecting and / or regulating and transmitting measurement and / or control data in a machine or production plant to a control system (26), with at least one subsystem (1), with at least one connected sensor and / or actuator (12) and a power supply
characterized in that
the measurement and / or control data from the subsystem (1), comprising at least one data acquisition and control unit (6), a microcontroller (7), a transmitting and receiving unit (8) and an antenna (5), are detected the transmission of the measurement and / or control data from the subsystem (1) to the control system (26) and / or another subsystem (1) by means of a wireless connection (19) and that for the energy supply of the subsystem (1) a power generation module (3 ) is used that uses a non-electric energy source for energy production. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Energieerzeugungsmodul (3) einen Wärmestrom zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet, wobei der Wärmestrom mit einem Thermoelektrischen Generator (15) in elektrischen Strom gewandelt wird.Method according to claim 8,
characterized in that
the power generation module (3) uses a heat flow to generate electrical energy, wherein the heat flow is converted into electrical current with a thermoelectric generator (15). Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmestrom eine Temperaturdifferenz zwischen 4°C und 60°C aufweist.Method according to claim 9,
characterized in that
the heat flow has a temperature difference between 4 ° C and 60 ° C. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die drahtlose Verbindung (6) über WLAN erfolgt.Method according to claim 9,
characterized in that
the wireless connection (6) via WLAN. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 10
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmestrom dadurch erzeugt wird, dass das Teilsystem (1) in mindestens einem Gehäuse (13) angeordnet ist, dass an einer Fläche (21) der Anlage befestigt ist und der Thermoelektrische Generator (15) mit seinen Kontaktflächen im Gehäuse (13) so angeordnet ist, dass eine Kontaktfläche wärmeleitend mit dieser Fläche (21) verbunden ist und die andere Kotaktfläche wärmeleitenden Kontakt zu einem anderen Temperaturpotential hat, wie beispielsweise zum Temperaturpotential der Umgebungsluft, einer Flüssigkeit, oder eines Bauteiles, das mit Wärmestrahlung beaufschlagt wird.Method according to one of claims 8 and 10
characterized in that
the heat flow is generated by arranging the subsystem (1) in at least one housing (13) attached to a surface (21) of the system and the thermoelectric generator (15) with its contact surfaces in the housing (13) in that one contact surface is thermally conductively connected to this surface (21) and the other contact surface has thermally conductive contact with another temperature potential, such as the temperature potential of the ambient air, a liquid, or a component which is exposed to thermal radiation. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Übertragung der Mess- und/oder Regeldaten vom Teilsystem (1) zum Leitsystem (26) und/oder einem anderen Teilsystem (1) mittels der drahtlosen Verbindung (19) sowie die Energieversorgung der angeschlossenen Sensoren und/oder Aktuatoren (12) zyklisch erfolgt.Method according to one of claims 8 to 10,
characterized in that
the transmission of the measured and / or control data from the subsystem (1) to the control system (26) and / or another subsystem (1) by means of the wireless Connection (19) and the power supply of the connected sensors and / or actuators (12) takes place cyclically. Verwendung der Vorrichtung bzw. das Verfahren nach einer der vorgehenden Ansprüche zur Messung von Temperaturen und/oder Drücken und/oder Durchflüssen und/oder Positionen und/oder Schwingungen im Bereich von Walzen und/oder Rohrleitungen und/oder Motoren und/oder Teilmaschinen einer Papiermaschine, wobei sich die Kontaktfläche (21) vorzugsweise nahe einer Lagerstelle befindet.Use of the device or the method according to one of the preceding claims for measuring temperatures and / or pressures and / or flows and / or positions and / or vibrations in the range of rolls and / or pipes and / or motors and / or sub-machines of a paper machine , wherein the contact surface (21) is preferably located near a bearing point. Verwendung der Vorrichtung bzw. das Verfahren nach einer der vorgehenden Ansprüche zur Messung und Regelung von Temperaturen und/oder Drücken und/oder Durchflüssen und /oder Positionen und/oder Schwingungen innerhalb von rotierenden Bauteilen, wie z.B. Walzen, Walzenbezügen, Bespannungen oder Wellen.Use of the device or method according to one of the preceding claims for the measurement and regulation of temperatures and / or pressures and / or flows and / or positions and / or vibrations within rotating components, such as e.g. Rolls, roll coverings, coverings or waves.
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