Säätöhydrauliikan uusinta kuinka toteutetaan? Osa 7 (7)
Hydraulijärjestelmän modernisointi on yksi yleinen ratkaisu jatkaa pitkään käytössä olleen koneen elinkaarta ja parantaa sen toimintaa. Paperikoneen nippihydrauliikka on hyvä kohde käsitellä säätöhydrauliikan toteutustapoja myös yleisellä tasolla, sillä esimerkit soveltuvat myös muihin laitteisiin. Tätä aihetta käsitellään kuluvan vuoden aikana moniosaisessa artikkelisarjassa. Edellisessä käsiteltiin tämän hetken laitetarjontaa. Viimeisenä ovat vuorossa asema-anturit ja niiden käyttö.
Asemamittaustekniikoita ja asemaanturivalmistajia on lukuisia. Eri tekniikoita on koottu kuvaan 45. Sylinterikäyttöön ja hydrauliikkaan soveltuvista antureista ovat yleistyneet magnetostriktiiviseen periaatteeseen perustuvat anturit (kuva 46). Digitaalinen SSI-muotoinen signaali on yleistynyt mittasignaalina. Anturien resoluutio on usein 0,001 mm, jolloin anturit mahdollistavat alle 0,01 mm:n asemointitarkkuuden.
Anturielektroniikan lämpötilan kesto on edelleen rajallinen. Suurin sallittu ympäristön lämpötila on usein 70...80 °C. Kuvan 47 esittämään sylinteriin on liitetty säätöventtiili ja asema-anturi. Hydraulinen kytkentä on jäykkä (öljytilavuus on pieni), ja on mahdollisuus saavuttaa hyvät dynaamiset ominaisuudet. Huonojen ympäristöolojen sietokyky ei ole paras mahdollinen, eikä järjestely sovellu esimerkiksi puristinosan olosuhteissa käytettäväksi.
Sylinterin sisään sijoitettu anturi on hyvässä suojassa. Haittapuolena on sylinterin mittojen kasvu. Jos anturielektroniikka on erotettu öljytilasta (kuva 47), on sylinteriin sijoitettua elektroniikkaa jäähdytettävä lämpimissä kohteissa. Anturit, joissa myös elektroniikka voidaan sijoittaa paineenalaiseen öljytilaan (esim. Hydac), eivät vaadi erillisjäähdytystä edellyttäen, että öljy vaihtuu sylinterissä (seisova öljy lämpenee kuumissa kohteissa). Teollisuushydrauliikassa anturin sisältävästä sylinteristä tulee usein vaihto- osa, koska anturin vioittuessa halutaan vaihtaa koko sylinteri. Sylinterin ulkopuolista anturisijoitusta esittää kuva 48, jossa anturi on jäähdytetyssä kotelossa. Anturi + vara-anturi on koteloitu. Koteloon syötetään jäähdytettyä paineilmaa.
Säätöpiirin toteutus
Säätöpiirin sulkemiseen käytetyn laitteiston (logiikan, säätökortin, akseliohjaimen, erillissäätimen) valintaan vaikuttaa säätöventtiilin tyyppi yhdessä tavoitteena olevan säätötarkkuuden kanssa.
Puristinosalla on pääsääntöisesti tultu toimeen paperikoneen pääohjausjärjestelmällä, joka on hitaalla kiertoajalla (n. 150...200 ms) pyörivä prosessilogiikkajärjestelmä. Kalantereilla on käytössä erilaisia totetustapoja; analogisia säätökortteja, prosessilogiikkaa, erillisiä akseliohjaimia. Osassa prosessilogiikoista on nykyisin nopealla kiertoajalla pyöriviä hajautettuja yksiköitä tai erilliskortteja.
Kuva 45. Asemanmittaustekniikoita. Kuvasta puuttuu induktiivinen kosketukseton mittaustapa. /5/
Kuva 46. Magnetostriktiivisen anturin periaate.
Kuva 47. Hydraulinen lineaaritoimilaite tarkkaan asemointiin. /5/
Kuva 48. Asema-anturien sijoitus sylinterien ulkopuolelle.
Kuva 49. BoschRexrothin HNC-akseliohjaimet yhdelle, kahdelle, kolmelle ja neljälle akselille.
Kuva 50. HNC-säätimen perustoimintoja.
Paineenalennuspropoja käytettäessä voidaan säätöpiiri sulkea hitaan kiertoajan logiikassa. Käytettäessä PQ-venttiileitä (itsenäisiä paineen- ja virtauksen säätöyksiköitä), jotka sisältävät nopean painesäätimen, voidaan asetusarvon antoon käyttää hitaan kiertoajan logiikkaa. Asemansäätö tarvittavalla tarkkuudella voidaan myös tehdä PQ-venttiilin Q-asetuksen avulla hitaassa prosessilogiikassa. Prosessilogiikka on riittävä myös erillistä PQ-korttia käytettäessä; esimerkiksi analoginen kortti, kuva 36.
Sylinterin nelireunaohjaus regelventtiilillä edellyttää nopean kiertoajan ohjainta. Vanhat analogiakortit, joita ei enää valmisteta, voidaan korvata nopeilla akseliohjaimilla tai prosessilogiikkojen nopeilla ohjainkorteilla. Hydrauliikkavalmistajien akseliohjaimien etuna on, että ne sisältävät hydrauliikan säätöön optimoidut säätimet ja säätörutiinit. BoschRexrothin HNC-akseliohjain (kuvat 49 ja 50) on otettu käyttöön 1993, ja nykyinen versio on kokenut useampia päivityksiä.
Ohjaimen ohjemointikielenä on numeeristen työstökoneiden ohjelmointikielen kaltainen kieli. Parkerilla on myös vastaava ohjain (Compax 3), joka on tullut myöhemmin markkinoille. Tarjolla on myös tilasäädin, jossa asematietoa hyödyntämällä lasketaan nopeus ja kiihtyvyys, joita käytetään takaisinkytkentöinä.
Akseliohjaimiin ja erillislogiikoihin liittyy prosessiteollisuudessa ”mustan laatikon” leima. Edelleen on suuri osa erillisohjaimista sellaisia, joiden parametreja ei pääse muuttamaan pääohjausjärjestelmän kautta, vaan muutos tehdään laitteen oman käyttöliittymän kautta kytkemällä PC-laitteeseen. Tämä edellyttää, että tehtaalla on henkilö, joka tuntee laitteen ja jonka saa paikalle kaikkina vuorokauden aikoina. Tehtailla on pääohjausjärjestelmän osaajia, mutta osaajia ei riitä, jos kentällä on lukuisia laitteita, joihin ei pääse käsiksi pääohjausjärjestelmän kautta. Tätä aihepiiriä on pohdittava uusintoja suunniteltaessa.
Yleinen kysymys on: minkä tason asemansäätö riittää eri kohteisiin; riittääkö avoin piiri ja nopeuksien asetus esimerkiksi vastusvastaventtiileillä vai tarvitaanko aseman mittaus ja suljettu asemansäätöpiiri? Lähes kaikki puristinosan nipit suljetaan ja avataan avoimessa piirissä, joten on hyvä harkita, tarvitaanko parempaa uudessa järjestelmässä. Kalanterit, joissa nippi ajetaan kiinni rata päällä, on parasta muuttaa uusinnassa suljetuksi säätöpiiriksi. Asemansäätömoodi mahdollistaa myös liikutettavan massan punnituksen ja monia muita kiinniajoon liittyviä temppuja.
»»Lähteet ››1. W. Backe; Systematik der hydraulischen Widerstandsschaltungen in Ventilen und Regelkreisen. Krausskopf-Verlag, Mainz, 1974 ››2. T. Lehner, G. Scheffel; Wegeventile in elektrohydraulischen Linearantrieben, O+P 1-2/2012 ››3. B. Zervas; Moog Miniseminar, 2007 Helsinki ››4. Esitemateriaali, Moog GmBH ››5. Esitemateriaali, BoschRexroth Oy ››6. Esitemateriaali, Parker Oy ››7. Esitemateriaali, Wika Oy ››8. Esitemateriaali, Hydac Oy
