DE10328234A1

DE10328234A1 - Verfahren zur Temperierung, Regeleinrichtung sowie Vorrichtung zur Temperierung

Info

Publication number: DE10328234A1
Application number: DE10328234A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr.-Ing. Müller
Original assignee: Koenig and Bauer AG
Current assignee: Koenig and Bauer AG
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: ES2327514T3; AU2003293286A1; HK1077784A1; ATE435118T1; DE10328234B4; EP1572459A1; US20060086812A1; CN100368191C; JP4198153B2; DE50311672D1; US7740185B2; WO2004054805A1; CN1692018A; JP2006510131A; EP1572459B1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Temperierung eines Bauteiles einer Maschine mittels einer Regeleinrichtung wird jeweils ein Messwert einer Temperatur an zwei auf einer Regelstrecke angeordneten, voneinander beabstandeten Messstellen ermittelt. Jeweils einer der Messwerte wird zwei kaskadenartig miteinander verbundenen Regelkreisen der Regeleinrichtung zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Temperierung, eine Regeleinrichtung sowie eine Vorrichtung zur Temperierung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 4, 18 bzw. 28.
Durch die DE 44 29 520 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperierung eines Bauteiles in einer Druckmaschine bekannt, wobei das Bauteil über ein zumindest teilweise umlaufendes Fluid temperiert wird. Ein Stellglied, mittels welchem ein Mischungsverhältnis an einer Einspeisestelle zweier Fluidströme verschiedener Temperatur einstellbar ist, wird über eine zwischen der Einspeisestelle und dem Bauteil angeordnete Temperaturmessstelle gesteuert.
Die EP 0 886 577 B1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperierung eines Bauteils, wobei eine Bauteiltemperatur mittels Sensoren überwacht und der Messwert an eine Steuereinheit gegeben wird. Weicht die am Bauteil gemessene Temperatur von einem Sollwert ab, so senkt bzw. erhöht die Steuereinheit die Temperatur eines Kühlmittels in einer Kühleinheit um eine bestimmten Betrag, wartet einen Zeitraum ab und wiederholt die Messung und die genannten Schritte bis der Sollwert wieder erreicht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperierung, eine Regeleinrichtung sowie eine Vorrichtung zur Temperierung zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4, 18 bzw. 28 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Regelung auch bei vorliegen größerer Transportstrecken für das Temperiermedium sehr schnell und stabil arbeitet. Die kurze Reaktionszeit ermöglicht den Einsatz in Anwendungen und Prozessen mit hohen dynamischen Anteilen. So ist die vorliegende Temperierung auch dort von großem Vorteil, wo schnelle Änderungen in einem Temperatursollwert nachvollzogen werden müssen und/oder wo sich äußere Bedingungen, wie z. B. Energieeintrag durch Reibung oder Außentemperatur, sehr schnell ändern.
Die schnelle Regelung trotz ggf. langer Transportwege für das Fluid wird einerseits dadurch erreicht, dass einem die Temperatur am Bauteil überwachenden Regelkreis weitere, insbesondere zwei Regelkreise, unterlagen sind. Auch kann in einer vereinfachten Ausführung die direkte Ermittlung der Temperatur des Bauteils unterbleiben und ein die Temperatur am Eintritt in das Bauteil überwachender Regelkreis durch einen weiteren Regelkreis unterlagert werden. Die Regelstrecke vom Ort der Aufbereitung des Temperiermediums (Mischen, Heizen, Kühlen) bis zum Zielort, z. B. dem Bauteil selbst oder dem Eintritt in das Bauteil, ist somit in mehrere Teilstrecken und -laufzeiten unterteilt.
Von großem Vorteil ist hierbei, dass ein innerster Regelkreis die Temperiermitteltemperatur bei der Aufbereitung (Mischen, Heizen, Kühlen) bereits äußerst ortsnah überwacht und regelt, so dass ein ggf. bei der Aufbereitung auftretender Fehler bereits am Anfang der Transportstrecke detektiert und ausgeregelt wird, und nicht erst bei Erreichen des Bauteils festgestellt und eine Maßnahme getroffen wird.
Von besonderem Vorteil sind Ausführungen, bei denen eine Vorsteuerung bzgl. des Wärmeflusses (Verluste), bzgl. der Laufzeiten und/oder bzgl. der Maschinendrehzahl erfolgt. Eine weitere Beschleunigung des Regelprozesses ist durch Vorsteuerung bzgl. einer Amplitudenüberhöhung und/oder im Hinblick auf das Einbeziehen der Rücklauftemperatur zu erreichen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Temperierstrecke mit erstem Ausführungsbeispiel für die Regeleinrichtung bzw. den Regelprozess;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Regeleinrichtung bzw. den Regelprozess;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel für die Regeleinrichtung bzw. den Regelprozess;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel für die Regeleinrichtung bzw. den Regelprozess;
5 eine Weiterbildung der Ausführung gemäß 1 bis 4 den inneren Regelkreis betreffend;
6 eine Weiterbildung der Ausführung gemäß 1 bis 4 den äußeren Regelkreis betreffend;
7 eine schematische Darstellung eines laufzeitbasierten Reglers;
8 einen detaillierteren Ausschnitt der in 1 dargestellten Temperierstrecke;
9 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Verwirbelungskammer;
10 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Verwirbelungskammer;
11 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Verwirbelungskammer.
Ein Bauteil 01 einer Maschine, z. B. einer Druckmaschine, soll temperiert werden. Das Bauteil 01 der Druckmaschine ist z. B. Teil eines nicht dargestellten Druckwerkes, insbesondere eine farbführende Walze 01 eines Druckwerkes. Diese Walze 01 kann als Walze 01 eines Farbwerkes, z. B. als Rasterwalze 01, oder als Zylinder 01 des Druckwerkes, z. B. als Formzylinder 01, ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist die nachfolgend beschriebene Einrichtung und das Verfahren zur Temperierung zusammen mit einem Druckwerk für den wasserlosen Offsetdruck, d. h. einem Druckwerk ohne den Einsatz von Feuchtmittel, einsetzbar. Im Druckwerk, insbesondere einem Druckwerk für den wasserlosen Offsetdruck, ist die Qualität in der Farbübertragung äußerst stark abhängig von der Temperatur der Farbe und/oder der farbführenden Oberflächen (z. B. Mantelfläche von Walzen 01 oder Zylindern 01). Darüber hinaus ist die Qualität in der Farbübertragung auch noch empfindlich gegenüber einer Spaltgeschwindigkeit, also der Maschinendrehzahl.
Die Temperierung erfolgt über ein Temperiermedium,lnsbesondere ein Fluid wie z. B. Wasser, welches über eine Temperierstrecke 02 mit dem Bauteil 01 in thermische Wechselwirkung gebracht wird. Soll das Bauteil 01 mit dem Fluid angeströmt werden, so kann das Fluid auch ein Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft sein. Zur Temperierung wird dem Bauteil 01 in einem ersten Kreislauf 03 das Fluid zugeführt, durchströmt oder umströmt das Bauteil 01, nimmt Wärme auf (kühlen) oder gibt Wärme ab (heizen) und strömt entsprechend erwärmt oder abgekühlt wieder zurück. In diesem ersten Kreislauf 03 kann ein Heiz- oder Kühlaggregat angeordnet sein, welches zur Herstellung der gewünschten Fluidtemperatur dienen kann.
In der vorteilhaften Ausgestaltung nach 1 steht der erste Kreislauf 03 jedoch als Sekundärkreislauf 03 in Verbindung zu einem zweiten Kreislauf 04, einem Primärkreislauf 04, in welchem das Fluid mit einer definierten und weitgehend konstanten Temperatur T_V, z. B. Vorlauftemperatur T_V, umläuft. Eine Temperiereinrichtung, z. B. ein Thermostat, ein Heiz- und/oder Kühlaggregat etc., welches für die Vorlauftemperatur T_V sorgt, ist hier nicht dargestellt. Über eine Verbindung 05 zwischen Primär- und Sekundärkreislauf 03; 04 kann an einer ersten Verbindungsstelle 06 des Primärkreislaufes 04 über ein Stellglied 07, z. B. ein steuerbares Ventil 07, Fluid aus dem Primärkreislauf 04 entnommen und dem Sekundärkreislauf 03 zudosiert werden. An einer zweiten Verbindungsstelle 08 wird, je nach Zufuhr neuen Fluids an der Verbindungsstelle 06, Fluid vom Sekundärkreislauf 03 an einer Verbindungsstelle 10 über eine Verbindung 15 in den Primärkreislauf 04 zurückgegeben. Hierzu befindet sich beispielsweise das Fluid im Bereich der ersten Verbindungsstelle 06 auf einem höheren Druckniveau als im Bereich der zweiten Verbindungsstelle 08. Eine Differenz Δp im Druckniveau wird z. B. durch ein entsprechende Ventil 09 zwischen den Verbindungsstellen 06; 08 erzeugt.
Das Fluid, bzw. ein Großteil des Fluids, wird durch einen Antrieb 11, beispielsweise durch eine Pumpe 11, eine Turbine 11 oder in sonstiger Weise, auf einer Zuflussstrecke 12, durch das Bauteil 01, einer Rückflussstrecke 13 und einer Teilstrecke 14 zwischen Zufluss- und Rückflussstrecke 12; 13 im Sekundärkreislauf 03 zirkuliert. Je nach Zufuhr über das Ventil 07 fließt nach Durchlaufen des Bauteils 01 eine entsprechende Menge Fluid über die Verbindung 15 in den Primärkreislauf 04 ab bzw. eine entsprechend verminderte Menge Fluids durch die Teilstrecke 14. Der über die Teilstrecke 14 zurückfließende Teil und der frisch über das Ventil 07 an einer Einspeis- bzw. Einspritzstelle 16 zugeführte Teil vermischen sich und bilden nun das zur Temperierung gezielt temperierte Fluid. Zur Verbesserung der Durchmischung ist in vorteilhafter Ausführung möglichst direkt hinter der Einspritzstelle 16, insbesondere zwischen der Einspritzstelle 16 und der Pumpe 11, eine Verwirbelungsstrecke 17, insbesondere eine Verwirblungskammer 17, angeordnet.
Im o. g. Fall, dass nicht mittels eines Primärkreislaufs 04, sondern mittels eines Heiz- oder Kühlaggregates temperiert wird, entspricht die Einspeis- bzw. Einspritzstelle 16 dem Ort des Energieaustausches mit dem betreffenden Heiz- oder Kühlaggregat und das Stellglied 07 beispielsweise einer dem Heiz- oder Kühlaggregat zugeordneten Leistungssteuerung o. ä. Die Verbindungsstelle 10 im Kreislauf 03 entfällt, da das Fluid insgesamt im Kreislauf 03 zirkuliert und an der Einspeisestelle 16 Energie zu- oder abgeführt bzw. Wärme oder Kälte „eingespeist" wird. Das Heiz- oder Kühlaggregat entspricht hierbei z.B. dem Stellglied 07.
Durch die Temperierung soll letztlich eine bestimmte Temperatur θ₃ des Bauteils 01, insbesondere im Fall einer Walze 01 die Oberflächentemperatur θ₃ auf der Walze 01 auf einen bestimmten Sollwert θ_3,soll eingestellt bzw. gehalten werden. Dies erfolgt durch Messung einer aussagekräftigen Temperatur einerseits und ein Regeln der Zufuhr an Fluid aus dem Primär- 04 in den Sekundärkreislauf 03 zur Erzeugung einer entsprechenden Mischtemperatur andererseits.
Wesentlich ist es nun, dass in der vorliegenden Vorrichtung bzw. im vorliegenden Verfahren zwischen der Einspritzstelle 16 und einem Austritt des zu temperierenden Bauteils 01 mindestens zwei Messstellen M1; M2; M3 mit Sensoren S1; S2; S3 vorgesehen sind, wobei eine der Messstellen M1 nahe der Einspritzstelle 16 und mindestens eine der Messstellen M2; M3 im Bereich des bauteilnahen Endes der Zuflussstrecke 12 und/oder im Bereich des Bauteils 01 selbst angeordnet ist. Das Ventil 07, die Pumpe 11, die Einspritzstelle 16 sowie die Verbindungsstellen 06; 08 sind i. d. R. räumlich nah zueinander, und z. B. in einem strichliert angedeuteten Temperierschrank 18 angeordnet. Zufluss- und Rückflussstrecke 12; 13 zwischen dem Bauteil 01 und dem nicht explizit dargestellten Austritt bzw. Eintritt in den Temperierschrank 18 weisen i. d. R. eine gegenüber den übrigen Wegstrecken vergleichsweise große Länge auf, was in 1 durch jeweilige Unterbrechungen angedeutet ist. Die Orte für die Messung sind nun so gewählt, dass mindestens je eine Messstelle M1 im Bereich des Temperierschrankes 18 und eine Messstelle M2; M3 bauteilnah, also am Ende der langen Zuflussstrecke 12 angeordnet ist.
Im Ausführungsbeispiel nach 1 erfolgt die Messung einer ersten Temperatur θ₁ zwischen der Einspritzstelle 16 und der Pumpe 11, insbesondere zwischen einer Verwirbelungsstrecke 17 und der Pumpe 11, mittels eines ersten Sensors S1. Eine zweite Temperatur θ₂ wird mittels eines zweiten Sensors S2 im Bereich des Eintrittes in das Bauteil 01 ermittelt. Die Temperatur θ₃ wird in 1 ebenfalls durch Messung ermittelt, und zwar durch einen auf die Oberfläche der Walze 01 gerichteten Infrarot-Sensor (IR-Sensor) S3. Der Sensor S3 kann auch im Bereich der Mantelfläche angeordnet sein oder wie unten erläutert u. U. auch entfallen.
Die Temperierung erfolgt mit Hilfe einer Regeleinrichtung 21 bzw. eines Regelungsprozesses 21, welcher im Folgenden näher beschrieben ist. Der Regeleinrichtung 21 (1) liegt eine mehrschleifige, hier dreischleifige Kaskadenregelung zu Grunde. Ein innerster Regelkreis weist den Sensor S1 kurz hinter der Einspritzstelle 16, einen ersten Regler R1 und das Stellglied 07, d.h. das Ventil 07, auf. Der Regler R1 erhält als Eingangsgröße eine Abweichung Δθ₁ des Messwertes θ, von einem (korrigierten) Sollwert θ_1,soll,k (Knoten K1) und wirkt entsprechend seines implementierten Regelverhaltens und/oder Regelalgorithmus mit einem Stellbefehl Δ auf das Stellglied 07. D. h. je nach Abweichung des Messwertes θ₁ vom korrigierten Sollwert θ_1,soll,k öffnet oder schließt er das Ventil 07 oder behält die Stellung bei. Der korrigierte. Sollwert θ_1,soll,k wird nun nicht wie sonst üblich direkt durch eine Steuerung oder manuell vorgegeben, sondern wird unter Verwendung einer Ausgangsgröße mindestens eines zweiten, weiter „außen" liegenden Regelkreises gebildet. Der zweite Regelkreis weist den Sensor S2 kurz vor dem Eintritt in das Bauteil 01 sowie einen zweiten Regler R2 auf. Der Regler R2 erhält als Eingangsgröße eine Abweichung Δθ₂ des Messwertes θ₂ am Sensor S2 von einem korrigierten Sollwert θ_2,soll,k (Knoten K2) und erzeugt an seinem Ausgang entsprechend seines implementierten Regelverhaltens und/oder Regelalgorithmus eine mit der Abweichung Δθ₂ korrelierte Größe dθ₁ (Ausgangsgröße dθ₁), welche mit zur Bildung des o. g. korrigierten Sollwertes θ_1,soll,k für den ersten Regler R1 herangezogen wird. D. h. je nach Abweichung des Messwertes θ₂ vom korrigierten Sollwert θ_2,soll,k wird über die Größe dθ₁ Einfluss auf den zu bildenden korrigierten Sollwert θ_1,soll,k des ersten Reglers R1 genommen.
In einer bevorzugten Ausführung wird der kjorrigierte Sollwert θ_1,soll,k für den ersten Regler R1 an einem Knoten K1' (z.B. Addition, Subtraktion) aus der Größe dθ₁ und einem theoretischen Sollwert θ'_1,soll gebildet. Der theoretische Sollwert θ'_1,soll wiederum wird in einem Vorsteuerglied bzgl. des Wärmeflusses V_WF gebildet. Das Vorsteuerglied V_WF , hier V_1,WF (Index 1 für die Sollwertbildung des ersten Regelkreises) berücksichtigt den Wärmeaustausch (Verluste etc.) des Fluids auf einer Teilstrecke und basiert auf Erfahrungswerten (Expertenwissen, Eichmessungen etc.). So berücksichtigt das Vorsteuerglied V_1,WF beispielsweise die Wärme- bzw. Kälteverluste auf der Teilstrecke zwischen den Messstellen M1 und M2, indem es einen entsprechend erhöhten bzw. erniedrigten theoretischen Sollwert θ'_1,soll bildet, welcher dann zusammen mit der Größe dθ₁ zum korrigierten Sollwert θ_1,soll,k für den ersten Regler R1 verarbeitet wird. Im Vorsteuerglied V_WF ist ein Zusammenhang zwischen der Eingangsgröße (Sollwert θ_3,soll bzw. θ'_2,soll bzw. s.u. θ'_2,soll,n) und einer korrigierten Ausgangsgröße (modifizierter Sollwert θ'_2,soll bzw. s.u. θ'_2soll,n bzw. θ'_1,soll,n) fest vorgehalten, der vorzugsweise über Parameter oder in sonstiger Weise nach Bedarf änderbar ist.
Prinzipiell ist eine einfache Ausführung der Regeleinrichtung möglich, in welcher lediglich die beiden ersten genannten Regelkreise die Kaskadenregelung bilden. In diesem Fall würde dem Vorsteuerglied V_1,WF als Eingangsgröße von einer Maschinensteuerung oder manuell ein definierter Sollwert θ_2,soll vorgegeben. Dieser würde auch zur Bildung der o. g. Abweichung Δθ₂ vor dem zweiten Regler R2 herangezogen.
In der in 1 dargestellten Ausführung weist die Regeleinrichtung 21 jedoch drei kaskadierte Regelkreise auf. Der korrigierte Sollwert θ_2,soll,k vor dem zweiten Regler R2 wird nun ebenfalls nicht wie sonst üblich direkt durch eine Steuerung oder manuell vorgegeben, sondern wird unter Verwendung einer Ausgangsgröße eines dritten, äußeren Regelkreises gebildet. Der dritte Regelkreis weist den Sensor S3 auf, welcher die Temperatur auf oder im Bereich der Mantelfläche detektiert, sowie einen dritten Regler R3. Der Regler R3 erhält als Eingangsgröße eine Abweichung Δθ₃ des Messwertes θ₃ am Sensor S3 von einem Sollwert θ_3,soll (Knoten K3) und erzeugt an seinem Ausgang entsprechend seines implementierten Regelverhaltens und/oder Regelalgorithmus eine mit der Abweichung Δθ₃ korrelierte Größe dθ₂, welche mit zur Bildung des o. g. korrigierten Sollwertes θ_2,soll,k für den zweiten Regler R2 herangezogen wird. D. h. je nach Abweichung des Messwertes θ₃ vom durch eine Maschinensteuerung oder manuell vorgegebenen Sollwert θ_3,soll (oder einem korrigierten Sollwert θ''_3,soll, s. u.) wird über die Größe dθ₂ Einfluss auf den zu bildenden korrigierten Sollwert θ_2,soll,k des zweiten Reglers R2 genommen.
Der korrigierte Sollwert θ_2,soll,k für den zweiten Regler R2 wird an einem Knoten K2' (z.B. Addition, Subtraktion) aus der Größe dθ₂ und einem theoretischen Sollwert θ'_2,soll (oder θ''_2,soll s. u.) gebildet. Der theoretische Sollwert θ'_2,soll wird wieder in einem Vorsteuerglied bzgl. des Wärmeflusses V_2,WF gebildet. Das Vorsteuerglied V_2WF berücksichtigt beispielsweise hier die Wärme- bzw. Kälteverluste auf der Teilstrecke zwischen den Messstellen M2 und M3, indem es einen entsprechend erhöhten bzw. erniedrigten theoretischen Sollwert θ'_2,soll bildet, welcher dann zusammen mit der Größe dθ₂ zum korrigierten Sollwert θ_2,soll,k für den zweiten Regler R2 verarbeitet wird.
Das beschriebene Verfahren beruht somit zum einen auf der Messung der Temperatur direkt hinter der Einspritzstelle 16 sowie mindestens einer Messung nahe dem zu temperierenden Bauteil 01. Zum zweiten wird eine besonders kurze Reaktionszeit der Regelung dadurch erreicht, dass mehrere Regelkreise kaskadenartig ineinander greifen und bereits bei der Sollwertbildung für den inneren Regelkreis ein näher am Bauteil 01 befindlicher Messwert θ₂; θ₃ berücksichtigt wird. Zum dritten wird eine besonders kurze Reaktionszeit durch eine Vorsteuerung erreicht, welche Erfahrungswerte für auf der Temperierstrecke 02 zu erwartende Verluste einbringt. Einem näher am Stellglied 07 befindlichen Regelkreis wird somit in Erwartung von Verlusten bereits ein um einen Erfahrungswert entsprechend erhöhter oder erniedrigter Sollwert vorgegeben.
In einer vorteilhaften Ausführung nach 2 weist die Regeleinrichtung 21 neben dem Vorsteuerglied bzgl. des Wärmeflusses V_1,WF; V_2,WF weitere Vorsteuerungen auf:
Wie aus 1 ersichtlich, benötigt das Fluid beispielsweise für die Strecke vom Ventil 07 bis zum Sensor S2 eine endliche Laufzeit T_L2. Darüber hinaus ändert sich beim Stellen des Stellgliedes 07 die jeweilige Mischtemperatur nicht augenblicklich auf den gewünschten Wert (z.B. Trägheit des Ventils, Aufwärmung bzw. Abkühlung der Rohrwandungen und Pumpe), sondern unterliegt einer Zeitkonstanten T_e2. Wird dies wie in der Ausführung nach 1 nicht berücksichtigt, so kann es zu stärkeren Überschwingern bei der Steuerung kommen, da beispielsweise ein Befehl zur Öffnung des Ventils 07 erfolgt ist, das Ergebnis dieser Öffnung, nämlich entsprechend wärmeres oder kälteres Fluid, jedoch noch nicht am Messort der Messstelle M2 angekommen sein kann, der entsprechende Regelkreis darauf hin jedoch fälschlicherweise weitere Stellbefehle zur Öffnung ausgibt. Ebenso verhält es sich mit der Strecke vom Ventil 07 bis zur Detektion der Temperatur durch den Sensor S3 mit der Laufzeit T'_L3 und einer Zeitkonstanten T'_e3 , wobei hierbei das gestrichene Bezugszeichen zum Ausdruck bringt, dass es sich hierbei nicht um die Zeit bis zur Dektektion der Fluidtemperatur im Bereich des Walzenmantels handeln muss, sondern um die Zeit bis zur Detektion der Temperatur der Walzenoberfläche bzw. des Walzenmantels.
Aufgrund der Totzeit (entspricht Laufzeit T_L2 bzw. T'_L3) und der Zeitkonstanten T_e2 bzw. T'_e3 werden die Streckenreaktionen auf die Aktivitäten des innersten Reglers R1 hin auf der Ebene der beiden äußeren Regler R2; R3 zunächst nicht sichtbar. Um eine dadurch bedingte Doppel-Reaktion dieser Regler, welche übertrieben falsch und nicht rückholbar wäre, zu vermeiden bzw. zu verhindern, ist bei der Bildung des Sollwertes in einem oder mehreren der Regelkreise ein Vorsteuerglied bzgl. der Laufzeit und/oder der Zeitkonstanten V_LZ als Streckenmodellglied vorgesehen, mittels welchem die zu erwartende natürliche „Verzögerung" im Ergebnis einer Änderung am Stellglied 07 berücksichtigt wird. Mittels des Vorsteuergliedes bzgl. der Laufzeit und/oder der Zeitkonstanten V_LZ wird die tatsächlich durch das Fluid benötigte Laufzeit (anhand von Erfahrungswerten oder vorzugsweise durch Messwertaufzeichnung oder durch rechnerische Abschätzung ermittelt) in der Regelung simuliert. Die äußeren Regler R2; R3 reagieren nun nur noch auf diejenigen Abweichungen, die unter Berücksichtigung der modellierten Streckeneigenschaften nicht zu erwarten und somit tatsächlich korrekturbedürftig sind. Gegenüber den ohnehin zu erwartenden Regelabweichungen, die physikalisch unvermeidbar sind und um die sich der innerste Regler R1 bereits „lokal" kümmert, werden die äußeren Regler R2; R3 durch diese Symmetrierung „blind" gemacht. Das „Vorsteuerglied" V_L2 wirkt so in der Art eines „Laufzeit- und Verzögerungsgliedes" V_LZ. Im Vorsteuerglied V_L2 ist die genannte dynamische Eigenschaft (Laufzeit und Verzögerung) abgebildet und fest vorgehalten, aber vorzugsweise über Parameter oder in sonstiger Weise nach Bedarf änderbar. Hierzu sind entsprechende Parameter T^* _L2; T^* _e2; T^* _L3;T^* _e3, die z.B. die reale Laufzeit T_L2 bZW. T'_L3 und/oder die Ersatzzeitkonstante T_e2. bzw. T_e3 nachbilden und repräsentieren sollen, am Vorsteuerglied V_LZ einstellbar. Die Einstellung soll so erfolgen, dass hiermit ein rechnerisch erzeugter virtueller dynamischer Sollwertverlauf, beispielsweise Sollwert θ''_2,soll bzw. θ''_3,soll, im wesentlichen zeitlich synchron mit dem entsprechenden Verlauf des Messwertes θ₂ bzw. θ₃ für die Temperatur am zugeordneten Sensor S2 bzw. S3 am Knoten K2 bzw. K3 verglichen wird.
Für den äußeren Regelkreis entspricht der virtuelle, veränderte Sollwert θ''_3,soll dem mit dem Messwert zu vergleichenden Sollwert θ_3,soll,k, da er nicht durch einen weiteren Regelkreis korrigiert wird. Daneben ist im Ausführungsbeispiel kein Vorsteuerglied V_LZ für den innersten Regelkreis vorgesehen (sehr kurze Wege bzw. Laufzeit). In Vereinheitlichung der Nomenklatur stellt hier der Sollwert θ_'3,soll ohne weitere Veränderung somit den Sollwert θ''_3,soll dar.
Ein derartiges das Streckenmodell repräsentierende Vorsteuerglied V_LZ ist zumindest für die Sollwertbildung des Regelkreises bzw. der Regelkreise vorgesehen, welche dem bauteilnahen Sensor S2 bzw. den bauteilnahen Sensoren S2; S3 zugeordnet sind. Im Beispiel weisen die beiden äußeren Regelkreise in ihrer Sollwertbildung ein derartiges Vorsteuerglied V_LZ,2; V_LZ,3 auf. Sollte sich auch die Wegstrecke zwischen dem Ventil 07 und dem Sensor S1 als zu groß und störend herausstellen, so ist es auch möglich, ein entsprechendes Vorsteuerglied V_LZ,1 bei der Sollwertbildung für den inneren Regelkreis vorzusehen.
Eine weitere Verbesserung der Regeldynamik lässt sich in Weiterbildung der genannten Regeleinrichtung gemäß 3 erreichen, wenn die Umsetzung des gewünschten Sollwertverlaufs auf der Ebene des innersten Regelkreises durch ein Vorhalteglied V_VH,i in Form eines Zeitkonstantentauschers z.B. 1.Ordnung (Lead-Lag-Filter) schneller und schleppabstandsärmer gemacht wird. Diese Vorsteuerung in Form des Vorhaltegliedes V_VH bewirkt zunächst eine Amplitudenüberhöhung (Überkompensation) in der Reaktion, um den Regelprozess in einer jeweiligen Anfangsphase zu beschleunigen, und kehrt dann zur Neutralität zurück.
Um jegliche Stabilitätsprobleme auszuschließen, erfolgt diese Maßnahme bevorzugt nur in dem nicht durch Istwerte beeinflussten Sollwertanteil, d.h. vor dem jeweiligen Knoten K1'; K2' (Addier- bzw. Subtrahierpunkt etc. je nach Vorzeichen). Um die Symmetrierung bei den äußeren Reglern R2; R3 aufrechtzuerhalten, muß diese dynamische Maßnahme dort dann auch durch entsprechende Vorhalteglieder V_VH, ₂ bzw. V_VH,3 ausgeglichen werden, die zusätzlich zu den genannten Vorsteuerungen V_WF bezüglich des Wärmeflusses und V_L,Z bzgl. der Laufzeit und/oder der Zeitkonstanten bei der Sollwertbildung des folgenden Regelkreises wirken.
Im Vorsteuerglied V_VH,i ist die Verlaufseigenschaft der genannten Überhöhung (relativ zum Eingangssignal) abgebildet und fest vorgehalten, aber in Höhe und Verlauf vorzugsweise über Parameter oder in sonstiger Weise nach Bedarf änderbar. Entsprechend der physikalischen Reihenfolge ist das Vorhalteglied V_VH,i bzgl. des Signalweges bevorzugt vor dem Vorsteuerglied V_LZ (falls vorhanden) und nach dem Vorsteuerglied V_WF (falls vorhanden) angeordnet. Das Vorsteuerglied V_VH ist auch in einer der Ausführungen nach 1 bis 4 unabhängig vom Vorhandensein der Vorsteuerglieder V_LZ, V_DZ, oder V_AB (s.u.) oder zusätzlich einsetzbar.
Eine weitere Verbesserung der Regeldynamik lässt sich in Weiterbildung der Regeleinrichtungen nach 1, 2 oder 3 erreichen, wenn zusätzlich zu den genannten Vorsteuerungen V_WF bezüglich des Wärmeflusses, bzgl. der Laufzeit und/oder der Zeitkonstanten V_LZ und/oder dem Vorhalteglied V_VH eine Vorsteuerung bezüglich der Maschinendrehzahl V_DZ erfolgt (4). In Abhängigkeit von einer Maschinendrehzahl n wird in einem Druckwerk mehr oder weniger starke Reibungswärme produziert. Soll der Massenstrom des Fluids im wesentlichen konstant gehalten werden, so lässt sich eine erhöhte Reibungswärme lediglich über Absenkung der Fluidtemperatur erzielen und umgekehrt. Die oben beschriebene Regeleinrichtung würde zweifelsohne im Laufe der Zeit auf die Änderung in der Reibungswärme durch Absenkung bzw. Erhöhung der Fluidtemperatur reagieren, jedoch erst, wenn die Temperatur am Sensor S3 die unerwünschte Temperatur anzeigt.
Um die Dynamik der Regeleinrichtung 21, insbesondere bei wechselnden Betriebsbedingungen (Anlaufphase, Drehzahlwechsel etc.), weiter zu erhöhen, ist das Vorsteuerglied bzgl. der Drehzahl V_DZ vorgesehen, welches grundsätzlich sämtlichen unterlagerten Sollwertbildungen, die somit Stellgrößencharakter haben, d. h. der Bildung der Sollwerte θ''_1,soll; θ''_2,soll; θ''_3,soll, überlagert sein kann. Die Überlagerung des äußeren Regelkreises macht jedoch keinen Sinn, solange der Messwert des Sensors S3 den technologisch letztgültigen Istwert (z.B. die Temperatur der wirksamen Fläche, d. h. der Mantelfläche selbst) darstellt. Daher wirkt im Ausführungsbeispiel das Vorsteuerglied V_DZ lediglich auf die Bildung der Sollwerte θ''_1,soll und θ''_2,soll, und zwar indem ein Korrekturwert dθ_n dem durch das dem zweiten Regelkreis vorgelagerte Vorsteuerglied V_2,WF erzeugten theoretischen Sollwert θ'_2,soll überlagert wird. Der hieraus entstandene Sollwert θ'_2,soll,n wird direkt oder über entsprechende Vorsteuerglieder V_VH,i und/oder V_LZ,i zur Sollwertbildung des zweiten Regelkreises (R2) und gleichzeitig über das Vorsteuerglied V_WF,i und ggf. das Vorsteuerglied V_VH,i zur Sollwertbildung des ersten Regelkreises (R1) herangezogen. Im Vorsteuerglied V_DZ ist ein Zusammenhang zwischen der Maschinendrehzahl n und einer geeigneten Korrektur fest vorgehalten, der vorzugsweise über Parameter oder in sonstiger Weise nach Bedarf änderbarer ist. Das Vorsteuerglied V_DZ ist auch in einer der Ausführungen nach 1 bis 4 unabhängig vom Vorhandensein der Vorsteuerglieder V_LZ, V_VH, (s.u.) oder V_AB (s.u.) oder zusätzlich einsetzbar.
Misst der Sensor S3 jedoch nicht die Mantelfläche, sondern eine weiter im Innen des Bauteils liegende Temperatur (die technologisch nicht die letztgültige Temperatur ist), so kann es auch sinnvoll sein, das Vorsteuerglied V_DZ auch auf den äußeren Regelkreis (R3) wirken zu lassen. Gleiches gilt für einen äußeren Regelkreis, der den Messwert nicht direkt vom Bauteil 01, sondern aus einem nach Durchfluss des Bauteils 01 angeordneten Sensor S4; S5 (siehe 1 und 5), u. U. verknüpft mit dem Messwert aus S2, bezieht.
In 4 ist in Weiterbildung unmittelbar vor dem Knoten K1 zur Bildung des korrigierten Sollwertes θ_1,soll,k ein weiteres Vorsteuerglied V_AB als dynamisches Modellglied, z. B. ein Anstiegsbegrenzer V_AB, insbesondere nichtlinear, vorgesehen. Dieser empfindet die endliche Stellzeit (ungleich Null) und die reale Begrenztheit des Stellgliedes 07 im Hinblick auf seinen maximalen Stellweg nach, d. h. auch bei Anforderung einer sehr starken Änderung kann nur eine begrenzte Öffnung des Ventils 07 und damit eine begrenzte Menge an temperiertem Fluid aus dem Primärkreislauf 04 zugeführt werden. Im Vorsteuerglied V_AB ist die genannte Anstiegsbegrenzung (Ventileigenschaft) abgebildet und fest vorgehalten, aber vorzugsweise über Parameter oder in sonstiger Weise nach Bedarf änderbar. Das Vorsteuerglied V_AB ist auch in einer der Ausführungen nach 1 bis 3 unabhängig vom Vorhandensein der Vorsteuerglieder V_LZ,i, V_VH,i, oder V_DZ oder zusätzlich einsetzbar.
5 zeigt eine Weiterbildung der bisherigen Ausführungen des ersten Regelkreises, unabhängig davon, ob nach Ausführungen gemäß 1, 2, 3 oder 4. Ein Messwert θ₅ eines Sensors S5 wird nahe der oder im Bereich der Teilstrecke 14, d. h. in kurzem Abstand zum Einspritzpunkt 16 erfasst und zusätzlich zur Regelung im innersten Regelkreis herangezogen. Hierzu wird der Messwert θ₅ als Eingangswert in ein weiteres Vorsteuerglied V_NU zur dynamischen Nullpunktunterdrückung geführt. Der Messwert θ₅ gibt Information darüber, mit welcher Temperatur das rücklaufende Fluid für die bevorstehende Mischung mit eingespeistem, Kühl- oder Heizfluid zur Verfügung stehen wird. Ändert sich der Messwert plötzlich stark, beispielsweise die Temperatur fällt stark ab, so wird durch das Vorsteuerglied V_NU ein entsprechend entgegengesetztes Signal σ, beispielsweise eine starke Erhöhung der Öffnung am Ventil 07, erzeugt und dem Regler R1 zugeführt. Das Vorsteuerglied V_NU bewirkt somit ein Entgegensteuern einer am Sensor S1 in kürze zu erwartenden Änderung, noch bevor diese dort eingetreten ist. Durch diese Störgrößenaufschaltung wird diese Änderung dann im Idealfall dort gar nicht mehr eintreten.
Der Funktionsverlauf und die Verstärkung des Vorsteuerglied V_NU für diese Rücklauftemperatur-Vorsteuerung sind fest vorgehalten und über Parameter vorzugsweise veränderbar.
6 zeigt eine Weiterbildung der bisherigen Ausführungen des äußeren Regelkreises, unabhängig davon, ob nach Ausführungen gemäß 1, 2, 3 oder 4. Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungen wird für den äußeren Regelkreis des Reglers R3 nicht ein Messwert θ₃ eines die Bauteiloberfläche detektierenden, oder in der Mantelfläche befindlichen Sensors S3, sondern die Messwerte θ₂ und θ₄ bauteilnaher Sensoren S2 und S4 in Zufluss- und Rückflussstrecke 12; 13 verwendet. Diese werden zusammen mit einem Drehzahlsignal n in einer logischen Einheit L bzw. in einem logischen Prozess L anhand eines fest hinterlegten, aber vorzugsweise veränderbaren Algorithmus zu einem Ersatzmesswert - ₃ , z.B. der Ersatztemperartur - ₃ des Bauteils 01 (bzw. dessen Oberfläche) verarbeitet. Dieser Ersatzmesswert - ₃ wird als Messwert bzw. Temperatur - ₃ anstelle des Messwertes - ₃ entsprechend der vorgenannten Ausführungsbeispiele ab dem Knoten K3 weitergeführt.
Die Regler R1; R2; R3 aus den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 sind in einer einfachen Ausführung als PI-Regler R1; R2; R3 ausgeführt.
In vorteilhafter Ausführung sind jedoch zumindest die Regler R2 und R3 als sog. „Laufzeitbasierte Regler" bzw. „Smith-Regler" ausgeführt. Die Laufzeitbasierten Regler R2 und R3, insbesondere Laufzeitbasierte PI-Regler R2 und R3, sind in 7 als Ersatzschaltbild dargestellt und parametriert. Der Regler R2; R3 weist als Eingangsgröße die Abweichung Δθ₂; Δθ₃ auf. Er ist als PI-Regler mit einem parametrierbaren Verstärkungsfaktor V_R ausgebildet, dessen Ausgangssignal über ein Ersatzeitkonstantenglied G_ZK und ein Laufzeitglied G_LZ (bzw. wie bei dem Vorsteuerglied V_LZ dargestellt als ein Glied) rückgekoppelt wird.
Im Laufzeitbasierten PI-Regler R2; R3 ist die Lauf- bzw. Totzeit der Regelstrecke sowie deren Zeitkonstante abgebildet und fest vorgehalten, aber vorzugsweise über Parameter oder in sonstiger Weise nach Bedarf änderbar. Hierzu sind entsprechende Parameter T^** _L2; T^** _e2; T^** _L3; T^** _e3, die z.B. die reale Laufzeit T_L2 bZW. T'_L3 und/oder die Zeitkonstante T_e2. bzw. T_e3 repräsentieren sollen, am Laufzeitbasierten PI-Regler R2 und R3 einstellbar. Die Werte der Parameter T^** _L2; T^** _e2; T^** _L3; T^** _e3 und die Werten der Parameter T*^L2; T^* _e2; T^* _L3; T^* _e3 aus den Vorsteuergliedern V_LZ,i bzgl. der Laufzeit und Zeitkonstante sollten bei korrekter Einstellung und Wiedergabe der Regelstrecke im wesentlichen übereinstimmen, da sowohl im Regler R2; R3 sowie im Vorsteuerglied V_LZ die entsprechende Regelstrecke hierdurch beschrieben wird. Somit können, sollten in der Regeleinrichtung sowohl Laufzeitbasierte P1-Regler R2 und R3 als auch Vorsteuerglieder V_LZ,i verwendet werden, die selben einmal ermittelten Parametersätze für beides verwendet werden.
Einen Ausschnitt der schematisch in 1 dargestellten Temperierstrecke in einer vorteilhaften konkreten Ausführung zeigt 8. Die Zuflussstrecke 12 von der Einspritzstelle 16 bis zu einem Zielort 22, d.h. dem Ort, dessen Umgebung bzw. Oberfläche gekühlt werden soll, ist in 8 in drei Abschnitten 12.1; 12.2; 12.3 dargestellt.
Der erste Abschnitt 12.1 reicht von der Einspritzstelle 16 bis zur ersten Messstelle M1 mit dem ersten Sensor S1 und weist eine erste Wegstrecke X1 sowie eine erste mittlere Laufzeit Ti, auf. Der zweite Abschnitt 12.2 reicht von der ersten Messstelle M1 bis zu einer „bauteilnahen" Messstelle M2 mit dem Sensor S2. Er weist eine zweite Wegstrecke X2 sowie eine zweite mittlere Laufzeit T_L2 auf. Der dritte Abschnitt 12.3 mit einer dritten Wegstrecke X3 sowie einer dritten mittleren Laufzeit T_L3 für das Fluid schließt sich an die zweite Messstelle M2 an und reicht bis zum Zielort 22 (hier der Erstkontakt des Fluids im Bereich der ausgedehnten Mantelfläche). Eine Gesamtlaufzeit T des Fluids von der Einspritzstelle 16 bis zum Zielort ergibt sich somit zu T_L1 + T_L2 + T_L3.
Die erste Messstelle M1 ist „einspeisestellennah", d.h. in geringem Abstand zur Einspeisestelle 16, hier der Einspritzstelle 16, gewählt. Unter einspeisestellennaher Messstelle M1 bzw. stellmittelnahem Sensor S1 wird hier daher ein Ort im Bereich der Zuflussstrecke 12 verstanden, welcher bzgl. der Laufzeit des Fluids T_L weniger als auf einem zehntel, insbesondere als einem zwanzigstel, der Strecke von der Einspeisestelle 16 bis zur Erstberührung des Zielortes 22 (hier der Erstkontakt des Fluids im Bereich der ausgedehnten Mantelfläche) liegt, d.h. es gilt T_L1 < 0,1 T, insbesondere T_L1 < 0,05 T. Für eine hohe Regeldynamik liegt die Messstelle M1 bezüglich der Laufzeit des Fluids T_L1 maximal 2 Sekunden, insbesondere maximal 1 Sekunde, von der Einspritzstelle 16 entfernt. Wie bereits zu 1 genannt, befinden sich Einspritzstelle 16, Sensor S1 sowie die nachfolgende Pumpe 11 in einem Temperierschrank 18, welcher eine bauliche Einheit der beinhalteten Aggregate bildet. Die Messstelle M1 liegt bevorzugt vor der Pumpe 11. Über lösbare Verbindungen 23; 24 in der Zuflussstrecke 12 sowie der Rückflussstrecke 13 ist der Temperierschrank 18 mit dem Bauteil 01 verbindbar.
In der Regel sind Bauteil 01 und Temperierschrank 18 nicht direkt zueinander benachbart in der Maschine angeordnet, so dass eine Leitung 26, z. B. eine Verrohrung 26 oder ein Schlauch 26, vom Temperierschrank 18 zu einem Eintritt 27 in das Bauteil 01, z.B. zu einer Durchführung 27, insbesondere Drehdurchführung 27, eine entsprechend große Länge aufweist. Die Durchführung in die Walze 01 bzw. den Zylinder 01 ist in 8 lediglich schematisch dargestellt. Weist die Walze 01 bzw. der Zylinder 01 wie üblich stirnseitig einen Zapfen auf, so erfolgt die Durchführung durch den Zapfen. Auch der Weg des Fluids zur Mantelfläche sowie im Bauteil 01 entlang der Mantelfläche ist nur symbolisch dargestellt und kann in bekannter Weise, z. B. in axialen oder spiralenförmigen Kanälen, in ausgedehnten Hohlräumen, in einem Kreisringquerschnitt, oder in anderen geeigneten Weisen unterhalb der Mantelfläche verlaufen. Die zweite Messstelle M2 ist „bauteilnah", d.h. in geringem Abstand zum Bauteil 01 bzw. zum Zielort 22, hier der Mantelfläche, gewählt. Unter bauteilnaher zweiter Messstelle M2 bzw. bauteilnahem zweitem Sensor S2 wird hier daher ein Ort im Bereich der Zuflussstrecke 12 verstanden, welcher bzgl. der Laufzeit des Fluids weiter entfernt als auf halber Strecke von der Einspritzstelle 16 bis zur Erstberührung des Zielortes 22 (hier der Erstkontakt des Fluids im Bereich der ausgedehnten Mantelfläche) liegt. Es gilt T_L2 > 0,5 T. Um eine hohe Dynamik der Regelung bei gleichzeitig geringem baulichen Aufwand bei rotierenden Bauteilen 01 zu erhalten, ist die zweite Messstelle M2 im Bereich der Leitung 26 ortsfest noch außerhalb des rotierenden Bauteils 01 angeordnet, und liegt jedoch unmittelbar, d.h. bezüglich der Laufzeit des Fluids maximal 3 Sekunden vom Eintritt 27 in das Bauteil 01 entfernt.
Die dritte Messstelle M3, falls vorhanden, ist ebenfalls zumindest „bauteilnah", insbesondere jedoch „zielortnah" angeordnet. D.h. sie befindet sich in unmittelbarer Umgebung zum Zielort 22 des Fluids oder detektiert direkt die zu temperierende Oberfläche (hier Mantelfläche der Walze 01). In vorteilhafter Ausführung detektiert die Messstelle M3 nicht die Fluidtemperatur, wie z.B. im Fall der Messstellen M2 und M3, sondern den zu temperierenden Bereich des Bauteils 01 selbst. Unter unmittelbarer Umgebung zum Zielort 22 wird hier verstanden, dass sich der Sensor S3 zwischen im Bauteil 01 zirkulierendem Fluid und der Mantelfläche befindet oder aber berührungslos die Temperatur θ₃ auf der Mantelfläche detektiert.
In einer anderen Ausführung der Temperiervorrichtung kann auf die Messstelle S3 verzichtet werden. Rückschlüsse auf die Temperatur θ₃ können aus Erfahrungswerten durch die Messwerte der Messstelle M2 ,beispielsweise anhand eines hinterlegten Zusammenhanges, eines Offset, eines funktionellen Zusammenhanges, gewonnen werden. Für eine gewünschte Temperatur θ₃ wird dann z.B. unter Berücksichtigung der Maschinen- bzw. Produktionsparameter (u.a. Maschinendrehzahl, Umgebungstemperatur und/oder Fluiddurchsatz, (Rakel-)Reibungskoeffizient, Wärmedurchgangswiderstand) auf eine gewünschte Temperatur θ₂ als Sollwert geregelt.
In einer weiteren Ausführung wird wieder auf die Messstelle 3 verzichtet, Rückschlüsse auf die Temperatur θ₃ werden jedoch aus Erfahrungswerten über die Messwerte der Messstelle M2 und der Messstelle M4, beispielsweise wieder anhand eines hinterlegten Zusammenhanges, eines Offset, eines funktionellen Zusammenhanges und/oder durch Mittelwertbildung der beiden Messwerte, gewonnen. Für eine gewünschte Temperatur θ₃ wird dann z.B. entweder unter Berücksichtigung der Maschinen- bzw. Produktionsparameter (u.a. Maschinendrehzahl, Umgebungstemperatur und/oder Fluiddurchsatz) wieder auf eine gewünschte Temperatur θ₂ als Sollwert geregelt, oder aber auf die durch die beiden Messwerte indirekt ermittelte Temperatur θ₃. In 8 befinden sich Zu- und Abfluss des Fluids in bzw. aus dem als Walze 01 oder Zylinder 01 ausgeführten Bauteil 01 auf der selben Stirnseite. Dementsprechend ist die Drehdurchführung hierbei mit zwei Anschlüssen, oder wie dargestellt mit zwei koaxial ineinander und koaxial zur Walze 01 angeordneten Durchführungen, ausgeführt. Die Messstelle M4 ist ebenfalls möglichst nah an der Durchführung angeordnet.
In der vorteilhaften Ausführung der Temperiervorrichtung weist diese auf dem Abschnitt 12.1 zwischen Einspeisestelle 16 und erster Messstelle M1 eine Verwirbelungsstrecke 17, insbesondere eine speziell ausgebildete Verwirbelungskammer 17, auf. Wie oben bereits erwähnt, soll die Messstelle M1 einspeisestellennah angeordnet sein, damit möglichst schnelle Reaktionszeiten im betreffenden Regelkreis mit der Messstelle M1 und dem Stellglied 07 realisierbar sind. Andererseits ist jedoch dicht hinter der Einspeisestelle in der Regel noch kein homogenes Gemisch zwischen eingespeistem und rückgelaufenem Fluid (bzw. im geheiztem/gekühltem Fluid) erreicht, so dass Messwertfehler ein Regeln erschweren und u.U. das Erreichen der letztlich gewünschten Temperatur θ₃ am Bauteil 01 erheblich verzögern.
Der Einsatz der Verwirbelungsstrecke 17, insbesondere der speziell ausgeführten Verwirbelungskammer 17 gemäß 9 und 10, gewährleisten in einfacher Weise ein sicheres Durchmischen des Fluids auf kürzester Distanz, so dass die o.g. Bedingung bzgl. der kurzen Laufzeit T1 erfüllbar ist.
Auf kleinstem Bauraum erfolgt zunächst eine erste Querschnittsänderung, wobei sich eine erste Querschnittsfläche A1 sprunghaft mindestens um einen Faktor f1 = 2 auf eine zweite Querschnittsfläche A2 vergrößert. Im direkten Anschluß erfolgt eine Richtungsänderung von 70° bis 110°, insbesondere abrupt um ca. 90°, worauf sich eine zweite Querschittsänderung und zwar Verkleinerung von der Querschnittsfläche A2 auf die Querschnittsfläche A3 mit dem Faktor f2 (f2 < 1) anschließt. Der Faktor f2 ist vorteilhaft f2 ≤ 0,5 gewählt und ist komplemtär zum Faktor f1 derart gewählt, dass die beiden Querschnittsflächen A1; A3 vor und nach der Verwirbelungskammer 17 im wesentlichen gleich groß sind.
9 zeigt eine Ausführung der Verwirbelungskammer 17 mit rohrförmigem Ein- und Auslassbereich 29; 31, wobei nicht dargestellte rohrförmige Leitungen mit Querschnittsfläche A1 hier in zentral angeordnete Öffnungen 32; 33 als Einlass 32 und Auslass 33 münden. Die Stoßlinie 34 der rohrförmigem Ein- und Auslassbereiche 29; 31 bildet keinen Rohrbogen mit stetig verlaufender Krümmung, sondern ist zumindest in einer durch die Flussrichtungen im Einlass- und Auslassbereich gebildete Ebene kantig abgeknickt ausgeführt (siehe Knick 36; 37). Die Öffnungen 32; 33 können in einer Weiterbildung auch nichtzentrisch in den Flächen A2; A3 liegen.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei die Verwirbelungskammer 17 in der Geometrie eines Stoßes zweier kastenförmiger Rohre ausgeführt ist. Hierbei weisen wieder zwei Flächen A2 jeweils die Öffnungen 32; 33 auf. Auch hier ist die Richtungsänderung im Bereich des vorhandenen oder „gedachten" Stoßes 34 von Einlass- und Auslassbereich (scharf)kantig ausgeführt (siehe Knick 36; 37). Die Öffnungen 32; 33 können wieder asymmetrisch in den Flächen A2 angeordnet sein.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei die Verwirbelungskammer 17 in der Geometrie eines Quaders, in spezieller Ausführung wie in 10 als Quader gleicher Seitenkantenlängen, ausgeführt ist. Hierbei weisen zwei benachbarte Flächen A2 jeweils die Öffnungen 32; 33 auf. Auch hier ist die Richtungsänderung im Bereich des „gedachten Stoßes" (34) von Einlass- und Auslassbereich (scharf)kantig ausgeführt (siehe Knick 36; 37). Auch hier können die Öffnungen 32; 33 wieder asymmetrisch in den Flächen A2 angeordnet sein.

01: Bauteil, Walze, Rasterwalze, Zylinder, Formzylinder
02: Regelstrecke, Temperierstrecke
03: Kreislauf, erster; Sekundärkreislauf
04: Kreislauf, zweiter; Primärkreislauf
05: Verbindung
06: Verbindungsstelle, erste
07: Stellglied, Ventil
08: Verbindungsstelle, zweite
09: Ventil, Differenzdruckventil
10: Verbindungsstelle
11: Antrieb, Pumpe, Turbine
12: Zuflussstrecke
12.1: Abschnitt, erster
12.2: Abschnitt, zweiter
12.3: Abschnitt, dritter
13: Rückflussstrecke
14: Teilstrecke
15: Verbindng
16: Einspeisestelle, Einspritzstelle
17: Verwirbelungsstrecke, Verwirbelungskammer
18: Temperierschrank
19
20
21: Regeleinrichtung, Regelungsprozess
22: Zielort
23: Verbindung, lösbar
24: Verbindung, lösbar
25
26: Leitung, Verrohrung, Schlauch
27: Eintritt, Durchführung, Drehdurchführung
28
29: Einlassbereich
30: -
31: Auslassbereich
32: Öffnung, Einlass
33: Öffnung, Auslass
34: Stoßlinie
35
36: Knick
37: Knick
A1 bis A3: Flächen, Querschnittsflächen
K1 bis K3: Knoten
K1' bis K2': Knoten
M1 bis M5: Messstellen Regler
R1 bis R3: Regler
S1 bis S5: Sensoren
T_ei: Zeitkonstante (Index i bezeichnet den Regelkreis)
T^* _ei: Parameter, Ersatzzeitkonstante (Index i bezeichnet den Regelkreis)
T^** _ei: Parameter, Ersatzzeitkonstante (Index i bezeichnet den Regelkreis)
T_Li: Laufzeit, Fluid (Index i bezeichnet den Regelkreis)
T'_L3: Laufzeit, Temperaturantwort am Sensor S3
T^* _Li: Parameter, Laufzeit (Index i bezeichnet den Regelkreis)
T^** _Li: Parameter, Laufzeit (Index i bezeichnet den Regelkreis)
T_V: Temperatur, Vorlauftemperatur
V_AB: Vorsteuerglied
V_NU: Vorsteuerglied
V_DZ: Vorsteuerglied
V_(i)VH: Vorhaltglied (Index i bezeichnet ggf. den Regelkreis)
V_(i)WF: Vorsteuerglied (Index i bezeichnet ggf. den Regelkreis)
V_(i)LZ: Vorsteuerglied (Index i bezeichnet ggf. den Regelkreis)
n: Maschinendrehzahl
dθ_i: Größe, Ausgangsgröße
Δθ_i: Abweichung
θ_i: Temperatur, Messwert (Index i bezeichnet den Regelkreis)
-₃: Temperatur, Messwert, Ersatztemperatur, Ersatzmesswert
θ_3,soll: Sollwert, dritter Regelkreis
θ_i,soll,k: Sollwert, korrigierter (Index i bezeichnet den Regelkreis)
θ'_i,soll: Sollwert, theoretisch (Index i bezeichnet den Regelkreis)
θ'_i,soll,n: Sollwert (Index i bezeichnet den Regelkreis)
Δ: Stellbefehl
Δp: Differenz im Druckniveau

Claims

Verfahren zur Temperierung eines Bauteiles (01) einer Maschine mittels einer Regeleinrichtung (21), dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Messwert (θ₁; θ₂; θ₃; θ₄; θ₅) einer Temperatur an zwei auf einer Regelstrecke (02) angeordneten, voneinander beabstandeten Messstellen (M1; M2; M3; M4; M5) ermittelt wird, und jeweils einer der Messwerte (θ₁; θ₂ ; θ₃; θ₄;θ₅) zwei kaskadenartig miteinander verbundenen Regelkreisen der Regeleinrichtung (21) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierung mittels eines Fluids erfolgt, dessen Temperatur an einer Einspeisstelle (16) mittels der Regeleinrichtung (21) eingestellt und welches entlang einer der Einspeisstelle (16) nachgeordneten Zuflussstrecke (12) dem Bauteil (01) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster der Messwerte (θ₁) einspeisstellennah, und ein zweiter der Messwerte (θ₂; θ₃; θ₄) bauteilnah ermittelt wird.
Verfahren zur Temperierung eines Bauteiles (01) einer Maschine mittels eines Fluids, dessen Temperatur an einer Einspeisstelle (16) mittels einer Regeleinrichtung (21) eingestellt wird, und welches entlang einer der Einspeisstelle (16) nachgeordneten Zuflussstrecke (12) dem Bauteil (01) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Weg von der Einspeisstelle (16) bis einschließlich dem Bauteil (01) an mindestens zwei Messstellen (M1; M2; M3) der Regelstrecke (02) jeweils ein Messwert (θ₁; θ₂; θ₃) einer Temperatur gemessen und der gemeinsamen Regeleinrichtung (21) zugeführt wird, und dass einer der Messwerte (θ₁) einspeisstellennah, und ein zweiter der Messwerte (θ₂; θ₃) bauteilnah ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer der Messwerte (θ₁; θ₂; θ₃) zwei kaskadenartig miteinander verbundenen Regelkreisen der Regeleinrichtung (21) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer der mindestens zwei Regelkreise mit einem Steilbefehl (Δ) auf ein Stellglied (07) wirkt, und eine Ausgangsgröße (dθ₁) des äußeren der mindestens zwei Regelkreise zur Bildung eines korrigierten Sollwertes (θ_1,soll,k) für den inneren Regelkreis herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des korrigierten Sollwertes (θ_1,soll,k) für zumindest den inneren Regelkreis ein theoretischer Sollwert (Θ'_1,soll) herangezogen wird, welcher in einem Vorsteuerglied bzgl. des Wärmeflusses V_WF gebildet wird und zu erwartende Wärme- bzw. Kälteverluste auf der Regelstrecke (02) berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des korrigierten Sollwertes (θ_1,soll,k) für zumindest den äußeren Regelkreis eine Vorsteuerung bzgl. der Laufzeit und/oder der Zeitkonstanten (V_LZ) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des korrigierten Sollwertes (θ_1,soll,k) für die mindestens zwei Regelkreise eine Vorsteuerung bzgl. einer gezielten Amplitudenüberhöhung mittels eines Vorhaltegliedes (V_VH) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des korrigierten Sollwertes (θ_1,soll,k) für zumindest den inneren Regelkreis eine Vorsteuerung bzgl. der Maschinendrehzahl (V_DZ) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des korrigierten Sollwertes (θ_1,soll,k) für zumindest den inneren Regelkreis eine Vorsteuerung bzgl. einer Stellgliedcharakteristik mittels eines Anstiegsbegrenzers (V_AB) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an einer ersten, einer zweiten und einer dritten Messstelle (M1; M2; M3; M4) ermittelt wird und jeweils einer von drei kaskadenartig miteinander verbundenen Regelkreisen der Regeleinrichtung (21) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Messwert (θ₂) als Temperatur des Fluids unmittelbar vor Eintritt in das Bauteil (01) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Messwert (θ₃) als Bauteiltemperatur ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Messwert (θ₄) als Temperatur des Fluids unmittelbar nach Austritt aus dem Bauteil (01) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zumindest teilweise in einem ersten Kreislauf umläuft und die Temperierung durch Zudosierung von Fluid aus einem zweiten Kreislauf über das als Ventil (07) ausgebildete Stellmittel (07) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in einem Kreislauf umläuft und die Temperierung durch ein Heiz- oder Kühlaggregat über das als Leistungssteuerung (07) ausgebildete Stellmittel (07) erfolgt.
Regeleinrichtung zur Temperierung eines Bauteiles (01) einer Maschine mittels einer Regeleinrichtung (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (21) mindestens zwei kaskadenartig miteinander verbundene Regelkreise aufweist, welchen jeweils ein Messwert (θ₁; θ₂; θ₃; θ₄; θ₄) von zwei auf einer Regelstrecke (02) angeordneten, voneinander beabstandeten Messstellen (M1; M2; M3; M4; M5) zugeführt ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal des inneren der mindestens zwei Regelkreise als Steilbefehl (Δ) auf ein Stellglied (07), und eine Ausgangsgröße (dθ₁) des äußeren der mindestens zwei Regelkreise auf einen Eingang des inneren Regelkreises geführt ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für den inneren Regelkreis ein Vorsteuerglied (V_WF,i) vorgesehen ist, mittels welchem in der Sollwertbildung ein die zu erwartenden Wärme- bzw. Kälteverluste auf der Regelstrecke (02) berücksichtigender theoretischer Sollwert (θ'_1,soll) erzeugbar ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für den äußeren Regelkreis ein Vorsteuerglied (V_LZ) vorgesehen ist, mittels welchem in der Sollwertbildung eine zu erwartende Laufzeit des Fluids und/oder eine Ersatzzeitkonstante (V_LZ) berücksichtigbar ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass für die mindestens zwei Regelkreise je ein Vorhalteglied (V_VH,i) vorgesehen ist, mittels welchem in der Sollwertbildung eine gezielte Amplitudenüberhöhung erzeugbar ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für den inneren Regelkreis ein Vorsteuerglied (V_DZ) vorgesehen ist, mittels welchem in der Sollwertbildung eine Maschinendrehzahl berücksichtigbar ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für den inneren Regelkreis ein Vorsteuerglied (V_AB) in der Art eines Anstiegsbegrenzers vorgesehen ist, mittels welchem in der Sollwertbildung eine Stellgliedcharakteristik berücksichtigbar ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (21) drei kaskadenartig miteinander verbundene Regelkreise aufweist, welchen jeweils ein Messwert (θ₁; θ₂; θ₃; θ₄; θ₅) von drei auf einer Regelstrecke (02) angeordneten, voneinander beabstandeten Messstellen (M1; M2; M3; M4; M5) zugeführt ist.
Regeleinrichtung nach Anspruch 18 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelkreise als PI-Regler ausgeführte Regler (R1; R2; R3) aufweisen.
Regeleinrichtung nach Anspruch 18 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Regelkreise einen als laufzeitbasierten Regler ausgeführten Regler (R1; R2; R3) aufweist.
Vorrichtung zur Temperierung eines Bauteiles (01) einer Maschine mittels eines Fluids, dessen Temperatur an einer Einspeisstelle (16) veränderbar ist, und welches entlang einer der Einspeisstelle (16) nachgeordneten Zuflussstrecke (12) dem Bauteil (01) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Weg von der Einspeisstelle (16) bis einschließlich dem Bauteil (01) mindesten zwei Messstellen (M1; M2; M3) angeordnet sind, und dass eine erste der Messstellen (M1) einspeisstellennah, und eine zweite der Messstellen (M2; M3) bauteilnah angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte (θ₁; θ₂; θ₃) der beiden Messstellen (M1; M2) einer gemeinsamen Regeleinrichtung (21) zugeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (21) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 25 ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messstelle (M1) bezüglich einer Laufzeit des Fluids maximal 2 Sekunden von der Einspritzstelle 16 entfernt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messstelle (M2) bezüglich einer Laufzeit des Fluids weiter entfernt als auf halber Strecke von der Einspritzstelle (16) bis zum Zielort (22) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Messstelle (M3) zur Ermittlung der Bauteiltemperatur vorgesehen ist, deren Messwert einer Regeleinrichtung (21) gemäß Anspruch 25 zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messstelle (M1) zwischen der Einspeisstelle (16) und einer Pumpe (17) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Einspeisstelle (16) und erster Messstelle (M1) eine Verwirbelungskammer (17) angeordnet ist.
Verfahren zur Temperierung nach Anspruch 1 oder 4, Regeleinrichtung nach Anspruch 18 oder Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (01) als Walze (01) oder Zylinder (01) einer Druckmaschine ausgeführt ist.
Verfahren zur Temperierung nach Anspruch 1 oder 4, Regeleinrichtung nach Anspruch 18 oder Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (01) als Walze (01) oder Zylinder (01) eines feuchtmittelfreien Offsetdruckwerkes ausgeführt ist.