Die Erfindung betrifft einen Regler, der insbesondere in einem Hydrauliksystem für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, z.B. eine Papier- oder Kartonmaschine, verwendbar ist.

In Papiermaschinen wird verbreitet Hydraulik als Betätigungs- und Steuerungsmittel eingesetzt; insbesondere werden Stellglieder hydraulisch angetrieben, mit denen große Kräfte mit hoher Genauigkeit eingestellt und ausgeübt werden können.

In der Regel wird ein Arbeitsfluid, z.B. Hydrauliköl verwendet, das von einer Pumpe unter Druck gesetzt wird. Die Einleitung des unter Druck stehenden Hydrauliköls in ein hydraulisches Stellglied, wie z.B. einen Hydraulikzylinder oder einen Hydraulikmotor wird typischerweise durch ein proportionales Steuerventil oder Proportionalventil gesteuert, das elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetrieben sein kann.

Ein solches Steuerventil hat einen verschieb- oder verlagerbaren Steuerschieber oder Steuerkolben, der in Antwort auf seine Lage in einem zugehörigen Ventilgehäuse einen Solldruck am Ausgang einstellen kann, indem der Druck von der Pumpe gelieferten Hydrauliköls heruntergeregelt wird. Die Beweglichkeit des Steuerkolbens im Ventilgehäuse erfordert zwingend ein gewisses Spiel oder Spaltmaß zwischen Steuerkolben und Ventilgehäuse, so dass eine innere Leckage des Steuerventils unvermeidbar ist. Das Spaltmaß darf nicht zu eng gewählt werden, denn sonst würde das Ventil zu anfällig gegen Verschmutzungen im Hydrauliköl .

In letzter Zeit wurden alternative Druckregler entwickelt, die in dieser Anmeldung durchgängig als digitalhydraulische Druckregler bezeichnet werden sollen. Werden solche digitalhydraulischen Druckregler als Druckminderer eingesetzt, werden diese in der vorliegenden Anmeldung durchgehend als digitalhydraulische Druckminderer bezeichnet .

Die Arbeitsweise der digitalhydraulischen Druckregler bzw. Druckminderer ist beispielsweise in der Zeitschrift Fluid Nr. 7-8, 2008 Seiten 12,13 beschrieben. Der verbesserten Lesbarkeit dieser Anmeldung halber wird die Arbeitsweise digitalhydraulischer Druckregler nochmals kurz zusammengefasst dargestellt:

Ein digitalhydraulischer Druckregler besteht im einfachen Fall aus einer Reihe parallel geschalteter Ventile, die lediglich AUF/ZU Funktion besitzen; also einfache EIN/AUS- Schaltventile sind, die einen Durchfluss zulassen oder unterbrechen und in dieser Anmeldung durchgängig als Ventile bezeichnet werden können. Die Ventile sind alle mit einer gemeinsamen Zuführleitung einerseits und mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung andererseits verbunden. Die Ventile selbst können herkömmliche Solenoidventile, d.h. Ventile mit elektromagnetischem Antrieb sein. Natürlich können auch andere Antriebsformen gewählt werden. Durch Anschluss oder Einbau von Drosselelementen bzw. durch die Ventile selbst ist dafür gesorgt, dass die Ventile unterschiedliche Durchflüsse haben, wenn sie geöffnet sind. Wenn beispielsweise vier Ventile vorgesehen sind, so können die Durchflussraten Q in den einzelnen, jeweils von dem zugehörigen Ventil wahlweise freigebbaren Durchlässen im Verhältnis von 1:2:4:8 zueinander stehen; bei einer größeren Anzahl von Ventilen wird diese Reihe entsprechend fortgesetzt .

Durch Öffnen und Schließen einzelner Ventile bzw. Ventilkombinationen, die auf der Basis von mathematischen Modellen von einem Rechner bestimmt und ausgewählt werden, kann nun eine sehr rasche und präzise Druckeinstellung in der Ausgangsleitung bzw. in dem daran angeschlossenen Stellglied erreicht werden. Dies wird erreicht, indem die analoge Regelkurve des eingangs geschilderten proportionalen Steuerventils durch eine digital erstellte (angenäherte) Regelkurve ersetzt wird. Diese Kurve kann wegen des Wegfalls von Nichtlinearitäten und/oder Hysterese des analogen Proportionalventils eine stufenförmig angenäherte Gerade sein, die es erlaubt, einen Regelpunkt schnell und (nahezu) überschwingungsfrei anzufahren.

In den Druckreglern der genannten Art sind mehrere Ventile (nachfolgend als Ventilelemente bezeichnet, die eine Schaltventilfunktion und eine starre Drosselfunktion haben) unabhängig voneinander betätigbar. Die Darstellung der Regelkurve erfolgt durch Schalten geeigneter Kombinationen der Ventilelemente zur gleichen Zeit. Wenn ein einzelnes Ventilelement nicht mehr funktioniert, nimmt die Genauigkeit der Regelung zwar ab, die Regelungsfunktion bleibt aber erhalten. Aufgabe der Erfindung ist es, einen digitalhydraulischen Regler vorzuschlagen der mit einfachen Mittels eine hohe Regelungspräzision auch bei Ausfall eines Ventilelements sicherstellt .

Diese Aufgabe wird mit einem digitalhydraulischen Regler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Es wurde gefunden, dass Ventilelemente mit geringen Durchflüssen, also den kleinen Strömungsquerschnitten, für die Präzision der Regelung von ausschlaggebender Bedeutung sind und dass diese Ventilelemente auch jene Ventilelemente sind, die mit am häufigsten betätigt werden.

Dies wurde als besonderes Beispiel bei der Regelung der Linienlast in einem mit Hydraulikzylindern betätigten Walzenspalt eines Kalanders untersucht und die Aussage, dass die Ventilelemente mit den geringen Durchflüssen, also den kleinen Strömungsquerschnitten, für die Präzision der dieser Regelung von ausschlaggebender Bedeutung sind, wurde bestätigt .

Erfindungsgemäß hat ein digitalhydraulischer Regler mindestens zwei Ventilelementreihen, von denen die eine Ventilelementreihe eine Versorgungsleitung mit einem Reglerausgang verbinden kann und die andere Ventilelementreihe den Reglerausgang mit einer Auslassleitung verbinden kann. Die Ventilelemente jeder Ventilelementreihe sind parallel angeschlossen und einzeln oder in verschiedenen Kombinationen miteinander gleichzeitig schaltbar. Mindestens einige der Ventilelemente einer Ventilelementreihe haben einen jeweils anderen Strömungsquerschnitt. Erfindungsgemäß ist mindestens das Ventilelement jeder Ventilelementreihe, das den kleinsten Strömungsquerschnitt hat, in der Ventilelementreihe doppelt vorhanden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass im Fall des Versagens des Ventilelements mit dem kleinsten Strömungsquerschnitt durch Redundanz dieser Funktion eine gleichbleibende Regelungsqualität erhalten bleibt.

Die getroffene Anordnung hat zudem den Vorteil, dass erfahrungsgemäß auch nominell baugleiche Ventilelemente tatsächlich geringfügig verschiedene Strömungsquerschnitte haben bzw. verschiedene Durchflüsse durchlassen. Diese Unterschiede können in einem digitalhydraulischen Regler dahingehend genutzt werden, dass bei der Festlegung einer zu schaltenden Kombination von Ventilelementen für einen Reglereingriff, das geeignetere der beiden Ventilelemente kleinsten Durchflusses gewählt wird. Damit lässt sich die Regelung noch weiter verfeinern.

Vorzugsweise sind die Ventilelemente aus einem elektromagnetischen Schaltventil und einer an dem Ventil vorgesehenen Drossel zusammengesetzt. Die Drosseln können durch einfache Bohrungen hergestellt sein und können dann mit immer gleichen Ventilen kombiniert werden. Auf diese Weise sind die Elemente, die bewegte Teile haben und damit störanfälliger sind, immer gleich. Dies Macht sowohl den Aufbau preiswerter und vereinfacht die Bevorratung von Ersatzteilen .

Vorzugsweise sind innerhalb einer Ventilelementreihe die Ventilelemente mit verschiedenen Strömungsquerschnitte so zusammengestellt, dass sie einen von Ventilelement zu Ventilelement stufenweise zunehmenden Strömungsquerschnitt haben. Vorzugsweise ist der Strömungsquerschnitt von Stufe zu Stufe verdoppelt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung bilden die Strömungsquerschnitte eine binäre Reihe, in der kleinste Strömungsquerschnitt 1 beträgt und die anderen Strömungsquerschnitte 2, 4, 8 und 16 usw. betragen.

Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße digitalhydraulische Regler so gestaltet dass Schaltventile und Drosseln zum Einsatz mit Flüssigkeiten, insbesondere für Hydrauliköl, ausgelegt und geeignet sind; alternativ können Schaltventile und Drosseln zum Einsatz mit Gasen, insbesondere für Druckluft, ausgelegt und geeignet sein. Dabei können die Schaltventile elektromagnetisch angetriebene Ventile sein.

In Anwendung der Erfindung kann der Regler mit einem Steuergerät verbunden sein, das die Schaltventile oder die Schaltventilkombinationen zum Öffnen ansteuert, wobei das Steuergerät den Regler als Druckregler oder als Durchflussregler steuern kann.

Die Erfindung ist auf eine Systemeinheit mit einem Differentialzylinder und einem digitalhydraulischen Regler anwendbar, in der der Regler vier Ventilelementreihen hat, von denen zwei mit ihrem gemeinsamen Reglerausgang mit einer zylinderseitigen Druckkammer des

Differentialzylinders verbunden sind, während die beiden anderen Ventilelementreihen mit ihrem gemeinsamen Reglerausgang mit einer kolbenstangenseitigen Druckkammer des Differentialzylinders verbunden sind. In dieser Systemeinheit kann in einer vom Reglerausgang zur zylinderseitigen Druckkammer führenden Leitung ein Durchflusssensor angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann der Durchflusssensor als Positionssensor verwendet werden, wie später beschrieben wird. Besondere Vorteile zeigt dann eine Anordnung mit zwei solchen Systemeinheiten, in der jeder Differentialzylinder an einem Lagerpunkt einer an ihren beiden Enden gelagerten Walze angreift, wobei das Steuergerät die Signale der Durchflusssensoren als Positionsinformation des jeweiligen Walzenendes auswertet und die Bewegung der beiden Differentialzylinder auf der Grundlage dieser PositionsInformation synchronisiert .

Verschiedene Anwendungen des erfindungsgemäßen Reglers werden nachfolgend erläutert.

In der Regel wird zur Steuerung der von einem Differentialzylinder, d.h. einem doppeltwirkenden Hydraulikzylinder mit zwei jeweils von einer Kolbenseite begrenzten Kammern, erzeugten Kraft lediglich der Druck in einer Kammer des Zylinders eingestellt, während in der anderen Kammer Umgebungsdruck bzw. der Druck im Vorratstank (Tankdruck) herrscht.

Wenn der Zylinder „drücken" soll (z.B. die Kolbenstange ausgefahren werden soll), wird der Druck in der kolbenseitigen Kammer erhöht. Wenn andernfalls der Zylinder „ziehen" soll (z.B. die Kolbenstange eingezogen werden soll), wird der Druck in der stangenseitigen Kammer erhöht.

Im Falle eines Lastwechsels von Drücken zu Ziehen oder umgekehrt, durchläuft die Regelung zwingend einen Zustand (toten Bereich) in dem keine Kraft vom Zylinder ausgeübt wird, wobei in diesem Zustand beide Kammern Tankdruck haben. In diesem Zustand sind beide Kammern mit dem Tank verbunden und der Kolben ist gewissermaßen lose oder frei.

Wenn zudem ein großer Bereich von Kräften abzudecken ist, ist es schwierig, entsprechend feinfühlige Regelungen bereitzustellen, die eine genaue Regelung kleiner Kräfte sicherstellen .

Mit der Präzision einer digitalhydraulischen Druckregelung ist es möglich, beide Kammern des Differentialzylinders gleichzeitig mit Druck zu beaufschlagen und den Druck in den Kammern unabhängig voneinander zu regeln. Auf diese Weise ist es möglich, auch sehr kleine Kräfte, die der Hydraulikzylinder ausüben soll, einzustellen, indem beide Druckkammern auf einem hohen Druckniveau entsprechend eingestellte Druckdifferenzen haben, also die Krafteinstellung durch Gegendruck in der gegen die gewünschte Kraft arbeitenden Druckkammer erfolgt bzw. unterstützt wird.

Hinzu kommt noch der Vorteil, dass die Präzision der digitalhydraulischen Regelung besser ist, wenn der Eingangsdruck in den Regler und der Ausgangsdruck aus dem Regler ähnlich groß sind, d.h. wenn das Druckgefälle über den Regler klein ist. Dies bedeutet, dass der Druck in beiden Kammern in der Nähe des Versorgungsdrucks (Eingangsdruck des Reglers) gehalten werden kann, so dass das ein Ventilelement innerhalb von dessen minimaler Öffnungszeit durchströmendes Volumen klein wird, und somit gerade die feinfühlige Regelung im Bereich kleiner Änderungen verbessert ist. Um diesen positiven Effekt zu verstärken, kann das Steuergerät so ausgelegt werden, dass die Drücke so wählt, dass der höhere der beiden Kammerdrücke nur geringfügig unter dem Versorgungsdruck liegt. Dadurch wird unabhängig von den zu erzeugenden Kräfte stets im Bereich bester Regelungspräzision geregelt.

Durch die gleichzeitige Druckregelung in beiden Druckkammern ist ferner der Wechsel zwischen Drücken und Ziehen im Differentialzylinder erheblich besser steuerbar; es genügt, wenn lediglich durch Änderung des Drucks in einer Druckkammer die Gegenkraft passend erhöht oder vermindert wird, um so die Kraft der anderen Druckkammer zu überschreiten oder zu unterschreiten. Dadurch ergibt sich kein unkontrollierter Zustand mehr in dem beide Druckkammern mit dem Tank verbunden sind.

Eine typische Anwendung der digitalhydraulischen Regelungstechnik ist die Steuerung von Pressdrücken von Walzen und Regelung von Druckverläufen in einem Walzenspalt in Maschinenquerrichtung CD (CD = cross machine direction) .

Diese digitalhydraulische Technik kann auch verwendet werden um die Blende einer Stoffauflaufdüse (Schlitzdüse) in einer Papier- oder Kartonmaschine einzustellen. Üblicherweis erfolgt die Einstellung der Blende, die in CD- Richtung einen gleichmäßigen Stoffaustritt aus dem Düsenschlitz eines Stoffauflaufs sicherstellen soll, mittels elektrischen Spindelantrieben. Diese mit Schrittmotoren und einem passenden Getriebe ausgerüsteten Stellantriebe sind dicht an dicht (etwa alle 75 bis 150 mm) entlang der Blende angebracht und die Einstellung der Schlitzbreite der Schlitzdüse erfolgt durch lokales (geringfügiges) Verbiegen der Unterkante der Blende in Richtung auf die Unterkante der Schlitzdüse.

Durch die Präzision der Regelung, die mit der digitalhydraulischen Technik der eingangs geschilderten Art erreicht wird und weil diese Hydraulik einen einmal eingestellten Druck in einem Volumen einschließt und ohne weiteren Aufwand dann aufrecht erhält, ist es möglich, die Blendenverstellung mittels Differentialzylindern zu bewerkstelligen anstatt die bisher üblichen Spindelantriebe zu verwenden. Auf diese Weise lässt sich eine in der Konstruktion einfache und wartungsarme Blendenverstellung realisieren .

In dieser Lösung ist jeweils anstelle eines Spindeltriebs in einem üblichen Stoffauflaufkästen ein

Differentialzylinder vorgesehen, dessen Kolbenstange mit einem Weg- bzw. Positionssensor verbunden ist, um einen genauen Einstellwert für die Kolbenstellung zu erhalten. Als Positionssensoren können verschiedene Sensortypen verwendet werden; für die an einem Stoffauflauf herrschenden Umgebungsbedingungen ist ein sogenannter LVDT- Sensor (LVDT=Linear Variabler Differential Transformator) wegen seiner Robustheit besonders geeignet. Andere Sensortypen können verwendet werden. Für eine Regelung kann ferner auch eine Kraft als Rückkopplungsgröße verwendet werden .

Je nach Anforderungen an die Stellgeschwindigkeit und Stellgenauigkeit kann ein einfacher digitalhydraulischer Regler mit zweimal zwei bis drei Ventilelementen (Schaltventile mit Drossel) vorgesehen werden, der die Drücke in den beiden Druckkammern unter Rückkopplung der tatsächlichen Stellung so einstellt, dass die Blende die gewünschte Schlitzbreite einstellt. Es ist möglich, jeden Differentialzylinder mit seinen eigenen Ventilelementen auszurüsten .

Wenn die geforderten Stellzeiten dies zulassen, können aber auch Lösungen gewählt werden, in denen beispielsweise in einer Art Multiplexverfahren nur ein Regler vorhanden ist, der die Drücke für zwei Druckkammern in zwei zentralen Druckleitungen einstellen kann. Die einzelnen Differentialzylinder werden in diesem Multiplexverfahren nacheinander einzeln mit den zentralen Druckleitungen verbunden und die Solldrücke in den beiden Kammern dieses Differentialzylinders werden dann von dem zentralen Druckregler eingestellt. Dabei kann der individuelle Positionssensor eine Größe für die Einstellung liefern. Dann werden die beiden Kammern verschlossen und damit auch von den zentralen Leitungen getrennt. Auf diese Weise genügen zwei einfache Schaltventile für jeden Differentialzylinder und es kann mit sehr wenigen Leitungen ausgekommen werden.

Es sind auch Mischformen möglich, in denen Gruppen von Differentialzylindern im Multiplexverfahren einzeln oder auch gemeinsam in Überlagerung einer mechanischen (Vor) Einstellung verstellt werden können. Natürlich kann auch jedem Differentialzylinder ein eigener Regler zugeordnet sein.

Für die Druckversorgung genügt wegen der geringen Häufigkeit der Einstellung und wegen der kurzen Stellwege eine sehr kleine Pumpe, die zweckmäßigerweise mit einem Druckspeicher gekoppelt ist, so dass ein in etwa konstanter Eingangsdruck an dem Regler oder den Reglern ausreichend ist.

In Fig. 1 ist eine Anordnung eines solchen

Differentialzylinders zur Blendenverstellung schematisch mit nur einem Zylinder gezeigt.

Der Differentialzylinder 1 hat zwei Druckkammern 11 und 12. Die Kolbenstange des Zylinders 1 ist fest mit einer Blende 6 gekoppelt und der Zylinder 1 ist wirksam, um die Blende 6 in Fig. 1 auf- und abwärts zu verstellen.

Leitungen 21 und 22 sind mit den zugehörigen Druckkammern 11 und 12 verbunden und an einen Druckregler 2 angeschlossen, der ein digitalhydraulischer Regler ist, der zuvor ausführlich beschrieben worden ist. Ein Steuergerät 3 empfängt als Informationen ein Positionssignal x, das von einem Positionssensor (nicht dargestellt) abgegeben wird, und die beiden Drücke in den Kammern 11 und 12. Weitere Einflussgrößen auf die gewünschten Kammerdrücke bzw. die Sollposition der Kolbenstange (bzw. der Blende) können sich aus Berechnungen, anderen Vorgaben oder Messgrößen etc. ergeben. Diesen Vorgaben des Steuergeräts 3 folgend stellt der Druckregler 2 dann die gewünschten Drücke in den Kammern 11 und 12 ein.

Ferner sind in Fig. 1 noch eine Versorgungseinheit 4 mit Pumpe und Tank für das Arbeitsfluid vorgesehen und Bezugszeichen 5 zeigt einen Druckspeicher.

Als Arbeitsfluid kommt hier neben üblichen Hydraulikflüssigkeiten auch Wasser und/oder wässrige Emulsionen in Betracht, was einfach zu handhabe ist, und kein Umweltrisiko darstellt. Weil nur geringe Bewegungen ausgeführt werden und im Druckregler nur ein/aus- Schaltventile verwendet werden, ist die Schmierfähigkeit von Hydrauliköl nicht unbedingt erforderlich.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Erfassung der Kolbenstellung von Differentialzylindern 1 in einem Hydrauliksystem mit digitalen Druckreglern 2.

Eine Pumpe 10 liefert über einen Durchflussmesser 51, der den von der Pumpe 10 dem System zugeführten Volumenstrom an Arbeitsfluid misst, Arbeitsfluid zu zwei Druckreglern 2, die jeweils mit einem Differentialzylinder 1 verbunden sind. Der Lieferdruck der Pumpe 10 und ggf. die Temperatur werden an der Messstelle 14 erfasst. Durchflussmesser 52 erfassen den Zustrom an Arbeitsfluid in die zylinderseitige Druckkammer des jeweiligen Zylinders 1. Die Messstellen 19 liefern Messwerte der Drücke und ggf. Temperaturen in den Druckleitungen zu den Zylindern 1. Durch die verlustfreie Arbeitsweise der digitalhydraulischen Druckregler 2 entspricht die von den Durchflussmessern 52 erfasste Menge an Arbeitsfluid den tatsächlich in den jeweiligen zylinderseitigen Druckkammern vorliegenden Füllmenge, die ein verlässliches Maß für die Kolbenstellung ist.

Das Bewegen von schweren Lasten, wie z.B. Walzen in einer Papiermaschine, mit zwei Hydraulikzylindern 1 ist stets auch ein Synchronisationsproblem der Bewegung der beiden Kolbenstangen. Das Ergebnis der Durchflussmessungen ist ein Positionssensor für die Kolbenstellung, wobei die Durchflussmesser 52 genau messen sollten. Vorzugsweise werden dazu Zahnradsysteme verwendet, die relativ genau sind. Zudem liefert die Durchflussmessung mit dem Durchflussmesser 51 in der Versorgungsleitung einen weiteren Messwert, der zur Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse der Durchflussmesser 52 für die Druckkammern herangezogen werden kann.

Durch die indirekte Messung kann der Absolutwert für die Kolbenstellung auch leicht fehlerbehaftet sein, es können aber den beiden Messwerten (jeder für einen Zylinder 1), die gleichzeitig erfasst werden und dabei den gleichen äußeren Einflüssen ausgesetzt sind, Hinweise darauf entnommen werden, wie synchron sich die beiden Kolben bewegen, oder ob die Bewegungen unzulässig stark voneinander abweichen. Diese Erkenntnisse können dazu verwendet werden, die Synchronisation gegebenenfalls mit geeigneten Maßnahmen zu verbessern. Ferner kann aus den Messwerten auch auf Fehlfunktionen im Hydrauliksystem geschlossen werden.