Die Erfindung betrifft ein Regelungssystem bestehend aus Algorithmen für die Regelung und der Anordnung von Sensoren und Aktuatoren zur Regelung der Temperatur eines entlang einer Heizstrecke bewegten Materials.

Temperaturregelungen sind in vielen Ausfiihrungsformen bekannt, wobei zumindest ein Temperaturfühler einen Istwert erfasst und durch einen Regler ein Stellglied mit einer Stellgröße beaufschlagt wird, um einen Sollwert zu erreichen.

Bei Erwärmung eines bewegten Materials durch mehrere Heizzonen kann es dazu kommen, dass einfache Regelkreise an ihre Grenzen stoßen, sodass Aufwärmzeiten bis zum Erreichen der gewünschten Solltemperaturen länger als notwendig dauern.

Eine nach dem Stand der Technik bekannte Temperaturregelung bei Kunststoffextrudem besteht darin, entlang der Bewegungsrichtung des Materials mehrere unabhängig ansteuerbare Heizzonen anzuordnen, wobei in jeder Heizzone ein Regelkreis angeordnet ist, welcher die Temperatur in der Heizzone auf einen Sollwert regelt. Der Sollwert für jede Heizzone kann vom Maschinenbediener eingegeben werden, damit sich am Ende die gewünschten Zonentemperaturen einstellen. Die einzelnen Regler sind dabei meistens als PI- oder PID-Regler ausgeführt. Die Temperatursensoren der Regelkreise sind dabei im Zylinder des Kunststoffextruders angeordnet. Dadurch messen sie die Temperatur im Zylinder, welche jedoch nicht mit der Temperatur der Schmelze übereinstimmt. Nachteilig ist somit, dass in jeder Heizzone zwar die Temperatur im Zylinder bekannt ist, die tatsächliche Temperatur des Kunststoffes aber nicht. Zudem werden bei dieser Art der Regelung weder Wechselwirkung zwischen den Heizzonen noch fertigungsöder prozessspezifische Beschränkungen berücksichtigt. Da die extrudierten Kunststoffe oftmals nicht in reiner Form verarbeitet, sondern mit recyceltem Material vermengt werden, ändert sich das Extrusionsverhalten je nach Mischverhältnis. Die Schmelzetemperatur wird in der Regel erst nach der Schnecke, also am Ende der Heizstrecke erfasst, indem ein Schmelzetemperatursensor eine Direktmessung der Schmelzetemperatur vomimmt.

Die US 2022118653 Al offenbart eine Regelung einer Spritzguss- oder Extrusionsmaschine, basierend auf dem berechneten Regelfehler der einzelnen ringförmigen Heizelemente, als Differenz der Solltemperatur eines ringförmigen Heizelements und der am Heizelement von einem Temperatursensor gemessenen Temperatur, wobei eine optimale Aktion für das jeweilige Heizelement unter Berücksichtigung von in der Vergangenheit ausgewählten Aktionen ausgewählt wird.

Die DE 102020003757 Al betrifft eine Temperatursteuervorrichtung einer Spritzgießmaschine, die eine Anomalienerfassungsfiinktion aufweist.

Die EP 3766657 Al betrifft eine Temperaturregelvorrichtung zur Temperaturregelung eines Heizzylinders einer Spritzgussmaschine, um eine vorbestimmte, abgeschätzte Innenwandtemperatur bereitzustellen. Die EP 3747618 Al betrifft eine Temperatursteuervorrichtung einer Spritzgussmaschine, umfassend einen ersten Temperatursensor, der eine Düsentemperatur der Schmelze erfasst, eine erste Temperatursteuereinheit, die eine PID-Steuerung durchführt, so dass die Düsentemperatur eine erste Zieltemperatur erreicht, eine Vielzahl von zweiten Temperatursensoren die eine Zylindertemperatur der Schmelze erfassen, die durch den Zylinderabschnitt fließt und eine zweite Temperatursteuereinheit, die eine PID-Steuerung durchführt, so dass die Zylindertemperatur eine zweite Zieltemperatur erreicht. Die Temperatursteuerinformationen von der ersten Temperatursteuereinheit werden an die Mehrzahl von zweiten Temperatursteuereinheiten zurückgeführt.

Die WO 2016090294 Al offenbart eine Spritzgussmaschine mit einem Steuersystem zum automatischen Hochfahren, zur prozessintemen Überwachung und zur Betriebssteuerung.

Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist es, eine verbesserte Temperaturregelung für eine mehrere unabhängige Heizzonen umfassende Heizstrecke, entlang welcher ein Material bewegt wird, bereit zu stellen. Insbesondere bezogen auf Kunststoffextruder ist es zielführend, ein materialunabhängiges Regelungskonzept zu haben.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine modellbasierte Regelung nach Anspruch 1 oder ein Verfahren nach Anspruch 16 vorgeschlagen.

In einer Ausführungsvariante wird eine modellbasierte Regelung einer Heizstrecke vorgeschlagen, wobei in der Heizstrecke ein Material durch ein radial geschlossenes Gehäuse, insbesondere einen Zylinder, bewegt wird, wobei die Heizstrecke mehrere Heizzonen umfasst, wobei je Heizzone zumindest ein Heizelement am Gehäuse vorhanden ist und für jede Heizzone ein unterlagerter Regelkreis vorhanden ist, dessen Heizzonenregler eine Heizelementtemperatur der jeweiligen Heizzone regelt, wobei Messwerte von Temperatursensoren, welche in Längsrichtung und Querrichtung der Heizstrecke vorliegen, an einen Smartsensor übergeben werden, der auf einem mathematischen Modell des Gehäuses mit einem Störgrößenbeobachter basiert, wobei der Smartsensor, basierend auf den Temperaturmesswerten, den Istzustand der Wärmeverteilung und der Wärmeflüsse schätzt, wobei der Smartsensor diesen geschätzten Istzustand an eine modellprädiktive Regelung liefert, wobei die modellprädiktive Regelung als weitere Eingangsgröße zumindest einen Sollwert für eine Zonentemperatur vorgegeben bekommt, wobei die modellprädiktive Regelung aufgrund des geschätzten Istzustandes und eines in der modellprädiktiven Regelung hinterlegten mathematischen Modells zumindest eines Teils der Heizstrecke jeweils einen Verlauf von Sollwerten der Heizelementtemperatur je Heizzone berechnet und den aktuellen Wert dem jeweiligen Regelkreis der Heizzone vorgibt, um eine vorgegebene Zonentemperatur zu erreichen.

Bevorzugt wird, dass die modellprädiktive Regelung als Eingangsgröße Sollwerte für mehrere Zonentemperaturen vorgegeben bekommt, welche an definierten Zonentemperaturpunkten erreicht werden sollen, wobei die Vorgabe der Zonentemperaturen entweder von einem übergeordneten Temperaturmanagement stammen oder von einer übergeordneten Materialendtemperaturregelung oder von einer Benutzerschnittstelle. Bevorzugt wird, dass die modellprädiktive Regelung als Eingangsgröße einen Sollwertverlauf für einen Zonentemperaturpunkt je Heizzone vorgegeben bekommt.

Bevorzugt wird, dass pro Heizzone zumindest ein Heizelementtemperatursensor vorhanden ist, welcher die Temperatur nahe oder unmittelbar am Heizelement misst und je Heizzone zumindest ein materialnaher Temperatursensor vorhanden ist, welcher die Temperatur näher am Material misst, wobei der Smartsensor alle Messwerte dieser Temperatursensoren erhält und von der modellprädiktiven Regelung Sollwerte für die Heizelementtemperatursensoren den Heizzonenreglem vorgegeben werden.

Bevorzugt wird, dass die mehreren Heizzonen in Längsrichtung eines Zylinders, insbesondere Extrusionszylinders, vorliegen, wobei das Material durch zumindest eine Schnecke in Längsrichtung durch den Zylinder bewegt wird, wobei die Heizelemente und die Heizelementtemperatursensoren am Zylinder vorliegen und materialnahe Temperatursensoren innerhalb des Zylindermantels vorliegen.

Bevorzugt wird, dass die modellprädiktive Regelung zumindest einen Sollwertverlauf für eine Zonentemperatur von einem Temperaturmanagement vorgegeben bekommt, wobei auch das Temperaturmanagement auf dem mathematischen Modell zumindest eines Teils der Heizstrecke basiert. Bevorzugt wird, dass die modellprädiktive Regelung, der Smartsensor und das Temperaturmanagement jeweils auf einem Finite Volumen Modell oder Finite Elemente Modell basieren.

Bevorzugt wird, dass der Smartsensor ein Störgrößenbeobachter ist, wobei die Wärmeflüsse zwischen zu verarbeitendem Material und dem Gehäuse vom Smartsensor geschätzt werden.

Bevorzugt wird, dass das Temperaturmanagement, aufgrund von Benutzereingaben und von gespeicherten Daten in einer Datenbank, zumindest einen Sollwertverlauf an die modellprädiktive Regelung vorgibt, wobei die Datenbank Daten zu bereits durchgeführten Regelungsprozessen der Heizstrecke enthält.

Bevorzugt wird, dass eine Materialendtemperaturregelung die Materialtemperatur nach der Heizstrecke vorgegeben bekommt und den Istwert der Materialendtemperaturregelung von einem Materialendtemperatursensor erhält und direkt Sollwertverläufe für die Zonentemperaturen an die modellprädiktive Regelung übergibt oder Sollwerte an ein Temperaturmanagement liefert und das Temperaturmanagement Sollwertverläufe für die Zonentemperaturen an die modellprädiktive Regelung übergibt.

Bevorzugt wird, dass beim Ausfuhren eines Prozesses die Eingaben des Bedieners, in Form des zu verarbeitenden Materials, der Nenndrehzahl und/oder des Nenndrucks und/oder des zugeführten Materialstroms gespeichert werden und zu diesem Prozess des Weiteren Mess- und Schätzwerte gespeichert werden.

Bevorzugt wird, dass beim nächsten Prozess mit denselben Eingaben des Bedieners das Temperaturmanagement optimierte Solltemperaturverläufe für die Zonentemperaturen aus den gespeicherten Informationen berechnet. Bevorzugt wird, dass die modellprädiktive Regelung die Trajektorie für einen ersten definierten Zeitraum berechnet, wobei eine neue Berechnung der Trajektorie unter Berücksichtigung des aktuellen geschätzten Istzustands, welcher vom Smartsensor bereitgestellt wird, in einem zweiten kürzeren Zeitraum erfolgt.

Bevorzugt wird, dass zusätzlich zu den materialnahen Temperatursensoren zumindest ein weiterer Temperatursensor in einer Einzugszone vor der Heizstrecke im Mantel des Gehäuses, insbesondere Zylinders, platziert ist.

Bevorzugt wird, dass zusätzlich zu den materialnahen Temperatursensoren zumindest ein weiterer Temperatursensor nach der letzten Heizzone im Mantel des Gehäuses, insbesondere Zylinders, platziert ist.

Bevorzugt wird, dass an der Heizstrecke oder in zumindest einer Heizzone ein Kühlelement vorhanden ist, welches ein aktives Kühlen zumindest eines Teils der Heizstrecke erlaubt.

In einer Ausführungsvariante wird ein Verfahren zur Regelung von Temperaturen an einer Transportstrecke eines Materials vorgeschlagen, wobei entlang der Transportstrecke mehrere Zonen im Sinn je eines Längenabschnitts der Transportstrecke vorhanden sind, wobei in mehreren Zonen je ein Regelkreis vorliegt, jeweils umfassend zumindest ein von diesem Regelkreis geregeltes Element, welches eine Temperatur in der Zone aktiv beeinflussen kann und einen ersten Temperatursensor, welcher eine Temperatur an einem ersten Messpunkt bestimmt, welcher die Temperatur am geregelten Element repräsentiert, wobei in den besagten Zonen zumindest je ein zweiter Temperatursensor vorliegt, welcher die Temperatur an einem zweiten Messpunkt bestimmt, wobei der zweite Messpunkt näher am Material liegt als der erste Messpunkt, wobei ein Smartsensor vorliegt, welcher die Temperaturmesswerte aller genannten Temperatursensoren der besagten Zonen erhält und aufgrund eines mathematischen Modells einen geschätzten thermischen Istzustand zumindest eines Teils der Transportstrecke ermittelt, wobei eine modellprädiktive Regelung vorliegt, welche den geschätzten thermischen Istzustand erhält und welche einen ersten Sollwertverlauf für je eine Zonentemperatur an je einem Zonentemperaturpunkt für die besagten Zonen erhält, welcher Zonentemperaturpunkt an einer anderen Position liegt als der erste Messpunkt des ersten Temperatursensors, wobei die modellprädiktive Regelung zum Erreichen der ersten Sollwerte an den Zonentemperaturpunkten zweite Sollwerte für die Regelkreise vorgibt, wobei die Regelkreise durch Regelung der geregelten Elemente die zweiten Sollwerte an den ersten Messpunkten einstellen.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass zumindest ein Zonentemperaturpunkt oder jeder Zonentemperaturpunkt an der Position eines der zweiten Messpunkte definiert ist, sodass der Temperaturmesswert des zweiten Temperatursensors die Zonentemperatur repräsentiert.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass zumindest ein Zonentemperaturpunkt oder jeder Zonentemperaturpunkt an einer Position definiert ist, die unterschiedlich zu den Positionen der ersten und zweiten Messpunkte ist, wobei ein geschätzter Wert der Zonentemperatur aus dem geschätzten thermischen Istzustand des Smartsensors ermittelt wird. Zur Lösung der Aufgabe wird somit eine modellbasierte Regelung einer Heizstrecke vorgeschlagen, wobei in der Heizstrecke ein Material durch ein radial geschlossenes Gehäuse, insbesondere einen Zylinder, bewegt wird, wobei die Heizstrecke mehrere Heizzonen umfasst, wobei je Heizzone ein Heizelement, bestehend aus mindestens einem heizenden Element wie einem Heizband, einer Heizpatrone o.ä., am Gehäuse vorhanden ist. Zu jeder Heizzone gibt es einen Temperatursensor, der die Temperatur des Heizelements erfasst und eine einfache Regelung, die dafür sorgt, dass die Temperatur des Heizelementes an der Position des Temperatursensors einen vorgegebenen Wert hat.

In Längsrichtung der Heizstrecke sind nahe am Material weitere Temperatursensoren angebracht. Mithilfe dieser Temperatursensoren und der Temperatursensoren der Heizelemente bestimmt ein Smartsensor die Temperaturverteilung im Gehäuse, insbesondere dem Zylinder, und den Wärmefluss zwischen dem durch das Gehäuse bewegten Material z.B. Kunststoff und dem Gehäuse. Die Daten des Smartsensors werden an eine modellprädiktive Regelung übergeben, wobei die modellprädiktive Regelung als weitere Eingangsgrößen den zukünftigen Sollverlauf der Temperaturen an definierten Zonentemperaturpunkten vorgegeben bekommt. Die modellprädiktive Regelung erzeugt die Sollwerte für die Regelung der Heizelemente.

In einer Ausführungsvariante gibt ein übergeordnetes Temperaturmanagement der modellprädiktiven Regelung den Verlauf der Sollwerte für die Zonentemperaturpunkte vor, um schnelles Anfahren und um schnelle Arbeitspunktwechsel gewährleisten zu können.

In einer Ausführungsvariante ist jeder Zonentemperaturpunkt gleich dem Messpunkt eines materialnahen Temperatursensors .

In einer Ausführungsvariante ist eine weitere übergeordnete Regelung (Materialendtemperaturregelung) vorhanden; diese bekommt als Sollwert die gewünschte Materialendtemperatur. Die Materialendtemperatur wird durch einen Sensor am Ende der Heizstrecke erfasst. Die Materialendtemperaturregelung variiert die Sollwerte für das Temperaturmanagement oder direkt die Sollwerte für die modellprädiktive Regelung so, dass sich die gewünschte Materialendtemperatur einstellt. Bezogen auf die Kunststoffverarbeitung kann die Materialendtemperatur als Schmelzetemperatur vorliegen und der Materialendtemperatursensor als Schmelzetemperatursensor bezeichnet werden. Bekannte Extruder weisen in der Regel einen solchen Schmelzetemperatursensor auf. Die Erfindung ist bei Vorrichtungen anwendbar, welche ein Material entlang einer Heizstrecke transportieren, wobei das Material dabei in einem radial geschlossenen Gehäuse von einem Materialeingang zu einem Materialauslass bewegt wird, wobei am Gehäuse in dessen Längsrichtung mehrere Heizelemente angeordnet sind, wobei die Heizelemente einzeln ansteuerbare Heizzonen der Vorrichtung bilden, wobei ein Wärmefluss zwischen den Heizelementen und dem transportierten Material durch Wärmeleitung durch das Gehäuse erfolgt. Besonders vorteilhaft ist die gegenständliche Erfindung dann, wenn konstruktiv bedingt Temperaturänderungen des Gehäuses nur langsam erfolgen, wie es z.B. bei einem Gehäuse mit großer Wandstärke gegeben ist. Konkrete Beispiele sind die Heizstrecken von Extrudern und Spritzgussvorrichtungen, wobei das Gehäuse als Extrusionszylinder oder als Plastifizierzylinder vorliegt und somit allgemein als Zylinder bezeichnet werden kann. Die Heizelemente liegen bevorzugt als Heizbänder vor. Mehrere durch einen Regelkreis auf eine Temperatur eines gemeinsamen Temperatursensors geregelte Heizbänder sind dabei als eine Heizzone anzusehen. Bevorzugt liegt das Material vor der Heizstrecke als Feststoff, insbesondere Granulat, vor und nach der Heizstrecke als Schmelze.

Erfmdungsgemäß ist vorgesehen, dass je Heizzone zumindest ein heizelementnaher Temperatursensor und mindestens ein materialnaher Temperatursensor vorhanden sind. Die Temperatur je eines Heizelements wird dabei aufgrund des Messwerts eines heizelementnahen Temperatursensors oder anders bezeichnet eines Heizelementtemperatursensors geregelt.

Die modellprädiktive Regelung benötigt ein Modell des zu regelnden Prozesses der Heizstrecke und die Daten des Smartsensors.

Aus den Messwerten der Temperatursensoren (heizelementnahe Temperatursensoren und materialnahe Temperatursensoren) ermittelt bzw. schätzt der Smartsensor auf Basis eines mathematischen Modells (insbesondere eines Finiten Volumen oder Finiten Elemente Modells) die Temperaturverteilung innerhalb des Gehäuses und die Wärmestromdichte zwischen dem transportierten Material und dem Gehäuse.

In einer Ausführungsvariante umfasst das mathematische Modell des Smartsensors nur das Gehäuse (insbesondere in Form eines Zylindermantels), wobei der Übergang zum Material (insbesondere Kunststoff) und gegebenenfalls einem im Gehäuseinneren vorliegenden Transportelement (insbesondere einer Schnecke) durch zu schätzende Wärmeflüsse berücksichtigt wird.

Auch der am Ende des Gehäuses vorliegende Übergang zu einer an der Heizstrecke nachfolgenden Vorrichtungskomponente (Z.B. Düse, Drossel, Schlauchkopf, Kavität) kann als zu schätzender Wärmefluss berücksichtigt werden.

In einer anderen Ausführungsvariante kann das mathematische Modell die erwähnte nachfolgende Vorrichtungskomponente mitumfassen. Wenn die nachfolgende Vorrichtungskomponente ein Heizelement umfasst und dieses mit einem Heizelementsensor und einer Heizelementtemperaturregelung versehen ist und in der nachfolgenden Vorrichtungskomponente ein zusätzlicher materialnaher Temperatursensor vorhanden ist und/oder ein Zonentemperaturpunkt definiert ist, kann die nachfolgende Vorrichtungskomponente auch als Teil der Heizstrecke in die gegenständliche Regelung miteinbezogen werden.

Der Smartsensor ist als Störgrößenbeobachter implementiert, der keine Kenntnis von Parametern des transportierten Materials benötigt.

Da der Beobachter die thermische Wirkung des transportierten Materials auf den Prozess ohne die Kenntnis von physikalischen Parametern charakterisieren kann, erlaubt der Einsatz des Smartsensors ein materialunabhängiges Regelungskonzept umzusetzen.

Das bevorzugte Temperaturmanagement hat Zugriff auf eine Datenbank, in welcher in der Vergangenheit bewährte Sollwerte und daraus resultierende Temperatur- und Wärmestromverläufe für bereits durchgeführte Prozesse gespeichert sind. Wenn es keine Übereinstimmung in der Datenbank gibt, kann eine Lemphase zur Erweiterung der Datenbank eingeleitet werden.

Bevorzugt werden zu den neuen Prozessparametem, insbesondere zum neuen Material, der Verlauf der Sollwerte, Daten zum Verlauf der Ist-Temperaturverteilung und die geschätzten Wärmeströme in der Datenbank gespeichert.

Da aus diesen Daten Rückschlüsse auf das thermische Verhalten des Materials, insbesondere dessen Kühl-/Heizwirkung auf die Heizstrecke, möglich sind, werden diese Daten im Temperaturmanagement verwendet.

Die Heizstrecke ist bevorzugt Teil einer Vorrichtung, welche einen Speicher für das zu transportierende Material aufweist und eine Transportvorrichtung um das Material entlang der Heizstrecke zu bewegen, sowie eine Ausgabevorrichtung, an welcher das Material von der Heizstrecke freigesetzt oder in eine Bearbeitungsvorrichtung übergeben wird. Bei der Transportvorrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Pumpe, ein Gebläse, eine Förderschnecke, einen Extruder, ein Förderband oder eine Rollenbahn. Wenn das Material unter Druck im Speicher vorliegt, kann auf eine Transportvorrichtung verzichtet werden.

Die Vorrichtung kann insbesondere im Kunststoff-, Pharma- oder Lebensmittelbereich Verwendung finden.

Beim Material handelt es sich bevorzugt um Feststoffe oder Flüssigkeiten. Beispielsweise kann es sich beim Material eingangsseitig bereits um eine Schmelze handeln. Auch ein Gemisch von Materialien unterschiedlicher Aggregatszustände ist möglich. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass während dem Transport durch die Heizstrecke chemische Reaktionen im Material ablaufen.

Das Material kann beim Erwärmen einen Phasenübergang vollführen, insbesondere von fest zu flüssig.

Der Feststoff kann als massiver Körper in oder durch die Heizstrecke bewegt werden, oder in anderer Form wie z.B. Pulver, Granulat oder Flakes vorliegen.

Die Bearbeitungsvorrichtung ist vorzugsweise eine Vorrichtung zum Urformen, insbesondere zum Gießen oder Pressen, insbesondere zum Spritzgießen oder Extrudieren.

Die Erfindung ist allgemein auf Extruder anwendbar, beispielsweises Einschnecken-, Doppelschneckenoder Mehrschneckenextruder, wobei sich die Transportvorrichtung auch in Förderrichtung bewegen kann, z.B. die bewegte Schnecke beim Spritzgießen.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen veranschaulicht:

Fig. 1: veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Extruder nach dem Stand der Technik.

Fig. 2: veranschaulicht schematisch ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Regelungssystem.

Fig. 3: veranschaulicht schematisch eine weitere Variante des bevorzugten erfmdungsgemäßen Regelungssystems mit Materialendtemperaturregelung.

Fig. 4: veranschaulicht schematisch eine weitere Variante des bevorzugten erfmdungsgemäßen Regelungssystems mit Materialendtemperaturregelung. Zum besseren Verständnis der Erfindung erfolgen nun einige Begriffsbestimmungen.

Längsrichtung: Ist jene Ausdehnung der Heizstrecke in der die Bewegung des Materials erfolgt.

Heizzone 12: Ist eine Zone im Sinn eines Längenabschnitts der Heizstrecke, an welcher ein eigener Regelkreis umfassend zumindest ein von diesem Regelkreis geregeltes Element vorliegt, welches die Temperatur in der Zone aktiv beeinflussen kann. In den meisten Anwendungsfällen ist in jeder Zone ein Element, welches eine aktive Erwärmung und eine aktive Kühlung des Materials ermöglicht, vorhanden. Theoretisch kann in einer Heizzone 12 auch nur ein aktives Heizelement 6 oder nur ein aktives Kühlelement vorliegen. Ein geregeltes Heizelement 6 kann auch eine aktive Erwärmung und aktive Kühlung ermöglichen, beispielsweise als Wärmetauscher. Da es im Grunde von der Temperatur des im Gehäuse bewegten Materials abhängt, ob ein Heizelement 6 eine wärmende oder kühlende Wirkung entfaltet, ist im Rahmen der gegenständlichen Erfindung vom Begriff des Heizelements 6 auch ein Kühlelement umfasst und vom Begriff der Heizzone 12 auch eine Kühlzone. Beispielsweise kann das Material am Ende einer Heizzone 12 eine geringere Temperatur aufweisen als am Beginn der Heizzone 12.

Zonentemperatur: Die Zonentemperatur bezeichnet hierin die an einem Zonentemperaturpunkt 10 gemessene oder geschätzte Temperatur. Dabei entspricht die Zonentemperatur einer gemessenen Temperatur, wenn der Messpunkt eines Temperatursensors am Zonentemperaturpunkt 10 liegt. Andernfalls wird die Zonentemperatur für den definierten Zonentemperaturpunkt 10 aus der vom Smartsensor geschätzten Temperaturverteilung entnommen.

Heizelementtemperatur: Ist die Temperatur, die an einem Punkt je Heizelement 6 gemessen wird. Die Heizelementtemperaturen werden an den Messpunkten (erste Messpunkte) der Heizelementtemperatursensoren 14 gemessen.

Materialnahe Temperatur: Ist die punktweise durch mehrere materialnahe liegende Temperatursensoren 15 am jeweiligen Messpunkt (zweite Messpunkte) erfasste Temperatur. Dabei entspricht die Zonentemperatur der erfassten Temperatur eines materialnahen Temperatursensors 15, wenn der Messpunkt eines materialnahen Temperatursensors 15 am Zonentemperaturpunkt 10 liegt, bzw. der Messpunkt eines materialnahen Temperatursensors 15 als Zonentemperaturpunkt 10 definiert ist.

Die Erfindung wird anhand einer Temperaturregelung für einen hocheffizienten und damit gut isolierten Extruder 1 ohne aktive Kühlung in den Fig. 2-4 veranschaulicht. Ein Kunststoff-Extruder 1 schmilzt Kunststoffgranulat 4 auf und erzeugt eine Schmelze 5 für eine nachfolgende Arbeitsmaschine, die den flüssigen Kunststoff weiterverarbeitet. Der Kunststoff stellt das Material dar, wobei der Begriff Material das Granulat 4 und die Schmelze 5 umfasst. Die Förderrichtung in den Graphiken ist demensprechend von rechts nach links. Das Granulat 4 wird mit einer Förderschnecke 2 durch das Gehäuse, also im konkreten Beispiel den Extruder-Zylinder 3, gepresst und dabei aufgeschmolzen.

Über Heizelemente 6, insbesondere in Form von Heizbändem, wird Wärme zugeführt. Die Abfuhr der Wärme erfolgt vornehmlich durch den Transport des Materials, also des Granulats 4 und der Schmelze 5. Der Extruder 1 besteht aus einem Zylinder 3, indem sich eine Förderschnecke 2 befindet. Die Förderschnecke 2 wird über eine nicht dargestellte Antriebseinheit angetrieben. Eine nicht dargestellte Dosiereinheit definiert die Einzugszone 11, in der das Granulat 4 in den Zylinder 3 eingefüllt wird, um anschließend durch die Rotationsbewegung der Förderschnecke 2 durch den Zylinder 3 befördert zu werden. Ein beträchtlicher Teil der benötigten Aufschmelzleistung wird durch Reibung, die während der Förderung des Granulates 4 entsteht, erzeugt. Die Reibleistung wird durch die Geometrie der Förderschnecke 2 und der Innenwand des Zylinders 3 beeinflusst. Die fehlende Aufschmelzleistung muss über die Heizelemente 6, die den Zylinder 3 umschlingen, bereitgestellt werden. Der gesamte Extruder 1 ist von Isolationsmanschetten umgeben, um eine energieeffiziente Arbeitsweise zu gewährleisten. Das Granulat 4 wird ausgehend von der Einzugszone 11 durch mehrere Heizzonen 12 gefördert. Eine Heizzone 12 kann als eine elektrische Parallelschaltung von mehreren Heizbändem gebildet werden, wodurch alle Heizbänder innerhalb einer Heizzone 12 durch eine Stellgröße eines Heizzonenreglers 13 angesteuert werden. Die gemeinsam geregelten Heizbänder einer Heizzone 12 bilden somit ein Heizelement 6.

Diese ist auch beim Stand der Technik (Fig. 1) der Fall, wobei hier im Unterschied zur gegenständlichen Umsetzung die Regelung der Heizbänder direkt mit einer punktweise erfassten Zonentemperatur eines Zonentemperatursensors 24 je Heizzone 12 erfolgt. Die jeweilige Zonentemperatur wird beim Stand der Technik durch je einen Regler 13 auf einen vom Bediener über eine Benutzerschnittstelle 21 vorgegebenen Sollwert geregelt. Der Bediener erhält als Rückmeldung einen Messwert eines Schmelzetemperatursensors 16 am Ende der Heizstrecke.

Das erfindungsgemäße System der Fig. 2-4 unterscheidet sich gegenüber diesem Aufbau in der Anzahl der Temperatursensoren, in der Platzierung der Temperatursensoren und durch zusätzliche Regelungskomponenten.

Die unterschiedliche Anzahl und Platzierung der Temperatursensoren ergibt sich daraus, dass bei der gegenständlichen Erfindung je geregeltem Heizelement 6 ein Heizelementtemperatursensor 14 vorhanden ist und zusätzlich zumindest ein materialnaher Temperatursensor 15 je Heizzone 12 vorhanden ist.

Die zusätzlichen Regelungskomponenten umfassen zumindest einen Smartsensor 8 und eine modellprädiktive Regelung 7.

Basierend auf einem Finiten Volumina oder Finiten Elemente Modell für die Wärmeverteilung im Extruder 1 wurde bei der Erprobung der gegenständlichen Erfindung eine modellprädiktive Regelung 7 für den Extruder 1 entworfen. Der Wärmefluss zwischen Zylinder 3 und Material (insb. Kunststoff als Granulat 4 und Schmelze 5) wird mithilfe eines Smartsensors 8 in Form eines Störgrößenbeobachters so erfasst, dass er in der Regelung entsprechend berücksichtigt werden kann. Die modellprädiktive Regelung 7 berechnet geeignete Verläufe der Solltemperaturen an den Messpunkten der Heizelementtemperatursensoren 14 der Heizelemente 6, um gewünschte Zonentemperaturen an den Zonentemperaturpunkten 10 zu erreichen. Die Messpunkte der Heizelementtemperatursensoren 14 und die Zonentemperaturpunkte 10 sind dabei unterschiedlich. Anders formuliert weisen die Heizelementtemperatursensoren 14 und die Zonentemperaturpunkte 10 einen Abstand zueinander auf.

Das gegenständliche Regelungskonzept basiert auf einer physikalisch motivierten Modellierung mit einer Modellbeschreibung im Zustandsraum, auf der der Smartsensor 8, die modellprädiktive Regelung 7 und das bevorzugt zusätzlich vorhandene Temperaturmanagement 9 basieren. Im Vergleich zu der industriellen Standardregelung ist das entwickelte Regelungskonzept in der Lage, die benötigte Dauer zum Erreichen stationärer Zonentemperaturen sowie die Dauer um einen Arbeitspunktwechsel durchzuführen, drastisch zu verkürzen.

Die materialnahen Temperatursensoren 15 sind im Zylindermantel des Extruders bevorzugt so platziert, dass eine optimale Schätzung (im Sinne der Singulärwerte der Beobachtbarkeits-Gramschen Matrix) der Temperaturverteilung erreicht werden kann. Dabei ist zumindest ein materialnaher Temperatursensor 15 je Heizzone 12 bzw. je Heizelement 6 bzw. je Heizelementregelkreis vorhanden. Vorteilhaft sind mehr materialnahe Temperatursensoren 15 als Heizzonen 12 vorhanden.

Bevorzugt ist unter den mittleren Heizbändem, bzw. in Längsrichtung gesehen zentral am jeweiligen Heizelement 6 jeweils ein Heizelementtemperatursensor 14 angebracht. Die Heizelementtemperatursensoren 14 messen die Heizelementtemperaturen. Die Heizelementtemperatur wird von der untersten Schicht 17 des Regelungskonzeptes geregelt. Im Zylindermantel des Zylinders 3 sind die materialnahen Temperatursensoren 15 verbaut.

Der beispielhafte Extruder 1, besteht aus drei Heizzonen 12, die jeweils mit einem Heizelementtemperatursensor 14 ausgestattet sind. Je Heizzone 12 ist zumindest ein materialnaher Temperatursensor 15 vorhanden, im dargestellten Beispiel sind es zwei je Heizzone 12. Die Anzahl der Heizzonen 12 kann beispielsweise zwischen 2 und 10, insbesondere zwischen 3 und 8, betragen.

Bevorzugt sind zumindest drei, insbesondere zumindest vier, Heizzonen 12 vorhanden.

In einer Ausführungsvariante wird als Zonentemperatur der Messwert eines materialnahen Temperatursensors 15 verwendet, sodass der Messpunkt je eines materialnahen Temperatursensors 15 mit dem einen Zonentemperaturpunkt 10 je Heizzone 12 zusammenfällt (Veranschaulicht in Fig. 4). Auch wenn wie bevorzugt, mehrere materialnahe Temperatursensoren 15 je Heizzone 12 vorhanden sind, wird nur ein Zonentemperaturpunkt 10 je Heizzone 12 definiert, indem je Heizzone 12 nur einer der mehreren materialnahen Temperatursensoren 15 ausgewählt wird.

Alternativ könnten durch den Smartsensor geschätzte Zonentemperaturen an beliebig definierbaren Zonentemperaturpunkten 10 innerhalb des Zylindermantels herangezogen werden. In Fig. 2 ist dies durch die Lage der Zonentemperaturpunkte 10 zwischen den Messpunkten der materialnahen Temperatursensoren 15 veranschaulicht.

Allgemein kann formuliert werden, dass je Heizzone 12, bzw. je Heizelement 6 bzw. je Heizelementregelkreis exakt ein Zonentemperaturpunkt 10 vorhanden ist, aber wie oben erwähnt mehr materialnahe Temperatursensoren 15 vorhanden sein können. Ein materialnaher Temperatursensor 15 pro Heizzone 12 und ein Heizelementtemperatursensor 14 pro Heizzone 12 sind unerlässlich. Das Streckenmodell des Extruders 1 ist nichtlinear, weil z.B.: Wärme über die Heizbänder nur zugeführt werden kann, es gibt hier z.B. keine aktive Kühlung. Die Abfuhr der Wärme erfolgt hier vornehmlich über das Material 4, 5. Bei Extrudern mit aktiver Kühlung, beispielsweise über ein Gebläse oder Flüssigkeitskühlung, muss das Streckenmodell um diese Kühleinrichtungen erweitert werden.

Abhängig von der Art des Granulats 4 kann ein wesentlicher Wärmeeintrag durch Reibung auftreten.

Das gesamte, hier vorgestellte, Regelungskonzept lässt sich in drei oder vier Schichten unterteilen, wobei die dritte und vierte Schicht optional, wenn auch bevorzugt vorhanden, sind. Die Hardware der untersten Schicht 17 ist durch den Hersteller der Heizstrecke festgelegt und besteht aus den Heizelementen 6.

Die Schnittstelle zur übergeordneten Schicht 18 stellt die Temperatur (Heizelementtemperatur) unter den Heizelementen 6 dar. Die modellprädiktive Reglung 7 (MPC) und der Störgrößenbeobachter (auch als Smartsensor 8 bezeichnet) bilden die übergeordnete Schicht 18. Der Smartsensors 8 nimmt, basierend auf der Kenntnis der Signale (Heizelementtemperatur) der Heizelementtemperatursensoren 14 und der materialnahen Temperatursensoren 15 eine Schätzung der Temperaturverteilung im Mantel des Zylinders 3 und eine Schätzung des Wärmestroms, der zwischen Zylinder 3 und dem Material 4, 5 auftritt, vor.

Exakter formuliert schätzt der Smartsensors 8 die Wärmestromdichte.

Die Aufgabe der modellprädiktiven Reglung 7 ist es, eine optimale Sollwertvorgabe für die Heizelementregelung (unterste Schicht 17) so zu berechnen, dass sich eine Wunschtemperatur an den definierten Zonentemperaturpunkten 10 einstellt. Es wurde eine modellprädiktive Reglung 7 gewählt, weil diese auf die durch den Smartsensor 8 geschätzte Zustandsänderungen reagieren und gleichzeitig alle gewünschten und technologisch bedingten Systembeschränkungen einhalten kann.

Der Stand der Technik (Fig. 1) ist es, dass der Operator Sollwerte für PI Regler vorgibt, deren Aufgabe es ist, den Extruder 1 auf ein dem zu extrudierenden Material abgestimmtes Temperaturprofil zu heizen. Diese Vorgehensweise schließt schnelles Hochfahren, optimales Vorheizen und schnelle Arbeitspunktwechsel aus.

Eine optionale dritte Schicht 19 des gegenständlichen Systems stellt das Temperaturmanagement 9 dar und ist für schnelle Arbeitspunktwechsel zuständig (veranschaulicht in Fig. 2 und 3). Die dritte Schicht 19 verarbeitet die Eingaben des Bedieners (Materialart, Nenndrehzahl, Nenndruck, Materialstrom) in Kombination mit den Messungen der Drehzahl und des Moments der Schnecke 2 und den Zonentemperaturen und bestimmt mithilfe einer Datenbank 20 mögliche Einstellungen für den Extruder 1. Das Temperaturmanagement 9 führt eine Optimierung unter Berücksichtigung der gefundenen Daten durch und generiert eine optimale Sollwertvorgabe für die einzelnen Zonentemperaturen. Die Eingabe des Bedieners erfolgt über eine in den Figuren veranschaulichte Benutzerschnittstelle 21.

Zur Modellbildung:

Der Extruder 1 wird bevorzugt mittels der Methode der Finiten Volumina (FV) oder der der Finiten Elemente (FE) modelliert. Die detaillierte Vorgehensweise zur Erzeugung des FV Modells (und auch des FE Modells) findet man in K. Schwarzinger and K. Schlacher, “A smart sensor for the heat flow of an extruder,” MATHMOD, 2022.

Die Modellbildung des Extruders 1 ist somit bekannt, bzw. eine Aufgabe, die ein Fachmann auf dem Gebiet der Modellierung im Bereich seiner Tätigkeit ausführen kann.

Der Finite Volumen Ansatz liefert ein Zustandsraummodell.

Der Systemeingang des Zustandsraummodells besteht aus den Heizelementtemperaturen und der Umgebungstemperatur. Die Heizelemente 6 stehen nur mit dem Zylinder 3 im direkten Kontakt.

Um das reale Verhalten des Extruders mathematisch nachbilden zu können, werden bevorzugt unbekannte physikalische Parameter durch eine Anpassung an Messdaten mithilfe von Simulationen ermittelt.

Das Modellierungsziel, die Dynamik des Extruders mathematisch nachzubilden, kann mit dem Finite Volumen Modell erfüllt werden und ist somit eine geeignete Basis für modellbasierte Strategien.

Zum Smartsensor 8:

Der Wärmefluss zwischen Zylinder 3 und dem Material 4, 5 charakterisiert den Extrusionsprozess und ist daher von großem Interesse für die Güte des Prozesses.

Die Information über diesen Wärmefluss kann bei der Konstruktion des gesamten Extruders berücksichtigt werden.

Die Platzierung der heizenden Elemente, die Geometrie der Förderschnecke und die Geometrie des Zylinders 3 (Längen und Durchmesser) können basierend auf dem beobachteten Wärmeflussverlauf optimiert werden.

In diesem Abschnitt wird der Smartsensor 8, der diesen Wärmefluss schätzt, vorgestellt. Der Smartsensor 8, in Form eines Beobachters, basiert auf einem adaptierten diskretisierten Modell des Extruders 1. Das adaptierte Modell berücksichtigt bevorzugt lediglich den Zylindermantel (=Gehäusemantel) des im vorigen Abschnitt beschriebenen Finiten Volumen Modells. Das Innere (bzw. der Innenraum) des Zylinders 3 wird durch vorerst unbekannte Wärmequellen berücksichtigt.

Die durch Reibung erzeugte Wärme hängt dabei stark vom extrudierten Material ab.

Das Resultat ist ein Beobachter, der keine Kenntnis der das Material beschreibenden Kunststoffparameter benötigt.

Ein LQG Störgrößenbeobachter nach Kalman, basierend auf dem Modell des Zylindermantels, stellt somit den Smartsensor 8 dar.

Der Einsatz des Smartsensors 8 erlaubt es, ein materialunabhängiges Regelungskonzept umzusetzen, da der Beobachter die Wirkung des Materials 4, 5 ohne die Kenntnis weiterer physikalischer und/oder chemischer Parameter charakterisieren kann.

Zur modellprädiktiven Regelung 7 :

Das erzeugte FV Modell des Extruders 1 sowie die Schätzung des Smartsensors 8 (Zylindertemperatur und Wärmefluss zwischen Zylinder und Material) stellen das Fundament für den modellprädiktiven Regelungsentwurf dar.

Da die betrachteten thermischen Prozesse langsam ablaufen, genügt es, eine Abtastzeit von z.B. 1 min zu wählen. Die für die Auswertung der Optimierung benötigte Zeit ist im Vergleich zur Abtastzeit der modellprädiktiven Regelung 7 klein und kann daher vernachlässigt werden.

Einer der größten Vorteile, den der modellprädiktive Regelungsansatz mit sich bringt, ist, dass es möglich ist, Zustands- und/oder Stellgrößenbeschränkungen, die aus prozesstechnischen Gründen und/oder aus Qualitätsgründen sinnvoll sind, vorzugeben.

Die Schätzung des Smartsensors kann parallel zum Extrusionsprozess analysiert werden, womit man ungünstiges Extrusionsverhalten identifizieren und darauf reagieren kann.

Zum Temperaturmanagement 9, veranschaulicht in Fig. 2 und 3:

Schnelle Arbeitspunktwechsel (APW) verkürzen die ineffizienten Produktionsphasen, die ein zu kalter/heißer Extruder aufweist. Das Temperaturmanagement (TM) 9 erlaubt einen schnellen APW und verringert daher die Menge des erzeugten Ausschussmaterials, verkürzt z.B. die Hochfahrzeit und erlaubt z.B. eine rasche Wiederinbetriebnahme nach z.B. einem Störfall oder Umrüsteingriffen. Dieses Konzept ist der modellprädiktiven Regelung 7 übergeordnet und errechnet Solltemperaturverläufe für die Zonentemperaturen basierend auf der aus vergangenen Extrusionvorgängen gewonnenen Informationen. Das Temperaturmanagement bietet auch eine Möglichkeit, ein passendes Temperaturprofil für einen unbekannten Kunststoff zu ermitteln. Der Lernprozess für einen unbekannten Kunststoff erfordert die Analyse von Arbeitspunkten (AP).

Das Temperaturmanagement liefert ein optimales Temperaturprofil für den Arbeitspunktwechsel.

Zur Schmelzetemperaturregelung bzw. allgemein Materialendtemperaturregelung 23, veranschaulicht in Fig. 3 und 4:

Eine vorteilhafte Erweiterung des Konzeptes besteht darin, dass nicht die Zonentemperaturen sondern die Schmelzetemperatur bzw. Materialendtemperatur als Regelziel vorgegeben werden kann, wie in Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist. Die Materialendtemperaturregelung 23 ist Teil einer weiteren optionalen Schicht 22, die zusätzlich zur Schicht 19 als vierte Schicht vorliegen kann, oder statt der Schicht 19 als dritte Schicht.

Die Materialendtemperaturregelung 23 erhält den Istwert der Materialendtemperatur vom Materialendtemperatursensor 16, bzw. im Anwendungsfall der Kunststoffverarbeitung von einem Schmelzetemperatursensor. Der Sollwert für die Materialendtemperatur wird der Materialendtemperaturregelung 23 vorgegeben, beispielsweise wie veranschaulicht über eine Benutzerschnittstelle 21.

Bevorzugt erkennt die Materialendtemperaturregelung 23 Gleichgewichtszustände.

Die Materialendtemperaturregelung 23 greift dabei nur dann ein, wenn ein Gleichgewichtszustand vorliegt. Damit unterscheidet sich diese Regelung von den anderen, da sie ereignisgetrieben ist. Das Ereignis ist ein Gleichgewichtszustand im Sinne eines im Zeitverlauf zumindest ausreichend stabil gemessenen Materialendtemperaturwerts.

Bevorzugt wird die Materialendtemperatur bzw. Schmelzetemperatur durch einen Materialendtemperatursensor 16 am Ende oder nach der Heizstrecke erfasst. Die Regelung der Schmelzetemperatur sorgt für eine konstante Schmelzetemperatur am Ende der Heizstrecke und wirkt somit einem Drift entgegen.

Die Schmelzetemperaturregelung erhält einen Messwert der Materialendtemperatur, wobei im System aber mehrere Aktuatoren (Heizelemente 6) vorhanden sind, wobei jeder Aktuator für sich die Schmelzetemperatur beeinflussen kann. In der Schmelzetemperaturregelung ist eine Strategie hinterlegt, wie mehrere Aktuatoren im redundanten System von der modellprädiktiven Regelung 7 zu regeln sind, um den Sollwert der Schmelzetemperatur zu erreichen.

In der Fig. 3 ist eine bevorzugte Variante veranschaulicht, bei welcher die Materialendtemperaturregelung 23 Sollwerte an das Temperaturmanagement 9 vorgibt und das Temperaturmanagement 9 wie zuvor beschrieben Sollwerte für die Zonentemperaturpunkte 10 an die modellprädiktive Regelung 7 vorgibt.

In der Fig. 4 ist eine andere Variante veranschaulicht, bei welcher die Materialendtemperaturregelung 23 direkt Sollwerte für die Zonentemperaturpunkte 10 an die modellprädiktive Regelung 7 vorgibt.

Nicht in den Figuren veranschaulicht ist eine weniger bevorzugte Variante, bei welcher die modellprädiktive Regelung 7 direkt von der Benutzerschnittstelle 21 oder einer anderen Quelle als Eingangsgröße Sollwerte für mehrere Zonentemperaturen vorgegeben bekommt, welche an definierten Zonentemperaturpunkten erreicht werden sollen, sodass die Schichten 19 und 22 entfallen könnten.

Die Erfindung wurde in der Figurenbeschreibung am bevorzugten Anwendungsfall eines Kunststoffextruders beschrieben. Da sich die mathematischen Modelle, der Smartsensor, der MPC, das Temperaturmanagement und die Materialendtemperaturregelung aber auch für andere Heizstrecken erstellen lassen, ist dieses Beispiel nicht einschränkend zu verstehen.

Beispielsweise kann die gegenständliche Regelung auch bei der Heizstrecke einer Spritzgießmaschine zum Einsatz kommen, wobei die wesentlichen Unterschiede zum Kunststoffextruder, dass bei der Spritzgießmaschine eine Bewegung der Schnecke in Längsrichtung erfolgt und die Schmelze im Bereich vor der Schnecke gestaut wird, berücksichtigt werden müssen.