EP0548023A1

EP0548023A1 - Durchfluszsteuerung einer Putzereilinie

Info

Publication number: EP0548023A1
Application number: EP92810986A
Authority: EP
Inventors: Urs Dr. Meyer; Hans Röösli
Original assignee: Maschinenfabrik Rieter AG
Current assignee: Maschinenfabrik Rieter AG
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1992-12-11
Publication date: 1993-06-23
Also published as: JPH05247734A

Abstract

Eine Putzereilinie wird anhand vom Fuzzy-Controller gesteuert.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Steuerungen bzw. Steuerverfahren für Putzereilinien, insbesondere (aber nicht ausschliesslich) für die Kurzstapelspinnerei.

Anforderungen an die Regelung

Die Putzereilinie besteht aus einer Kette von Förderstellen und Speichern. Die Förderstellen werden jeweils vom Füllstand des nachfolgenden Speichers gesteuert. Die Durchsatz-Steuerung der Förderstellen erfolgt stufenlos durch Verstellen der Fördermenge und gleichzeitig nach dem Ein/Aus-Prinzip, weil der stufenlose Verstellbereich aus technologischen Gründen begrenzt ist und nicht bis zur Fördermenge Null reicht.
Die Durchsatz-Einstellung ist deshalb ein Kompromiss:

- Je geringer der Durchsatz um so besser die Reinigungswirkung der einzelnen Stufen. Im stationären Betrieb sollte deshalb "idealerweise" der Durchsatz genau der verlangten Menge entsprechen und die Förderung dauernd eingeschaltet sein.
- Genauso wünschbar wie eine maximale Reinigungswirkung ist ein konstantes technologisches Ergebnis. Dies grenzt den möglichen Verstellbereich für den Durchsatz ein. Es ist deshalb genauso zweckmässig, die Förderung bei konstantem Durchsatz durch gelegentliches Unterbrechen dem-Bedarf anzupassen.
- Die optimale Einstellung liegt bei einem langzeitig möglichstwenig schwankenden Durchsatz, wobei vorübergehende Zeiträume mit geringerem Bedarf durch periodisches Ausschalten ausgeregelt werden.

Die regeltechnische Lösung einer solchen Aufgabe ist einfach, so lange die Durchsatz-Verstellung bzw. die einzelnen Ein/Aus-zyklen wesentlich rascher verlaufen als die Schwankungen im Durchsatz der Linie. Diese Schwankungen sind im wesentlichen gegeben durch das zu- und Wegschalten einzelner Karden. Bei modernen Putzereilinien in Verbindung mit Hochleistungskarden ist die Durchsatz-Regelung schwieriger geworden. Der Einfluss einer einzelnen Karde auf den Durchsatz der Putzereilinie ist bedeutend und stellt eine kurzfristige und unvorhergesehene Störgrösse dar. Durch die höhere Ausnützung der einzelnen Putzereimaschinen ist gleichzeitig die Anforderung an die Konstanz des Durchsatzes gestiegen.
Die Voraussetzung einer raschen Reaktionsfähigkeit des Reglers gegenüber der zu erwartenden Störgrösse ist in der Putzereilinie nur mangelhaft erfüllt. Nur die unmittelbar vor der Kardengruppe liegenden Regelkreise im Bereich der Feinreinigung und des Mischers sind noch in der Lage, auf das zu- und Wegschalten einzelner Karden im Minuten- und Stundenbereich zu folgen, indem die Durchsatzverstellung gut begrenzt und gedämpft wird. Hier sind klassische lineare Regler in analoger oder digitaler Technik einsetzbar. Im Bereich der Ballenöffnung ist dagegen-die Dynamik der Regelstrecke sehr viel langsamer und auch bedeutend schwierigerzu beherrschen. Konventionelle lineare Regelkreise sind hier zwecklos, weil die auszuregelnden Störungen viel rascher kommen und verschwinden als der Regelkreis überhaupt reagieren kann. Als Ausweg würde sich höchstens eine Art Störgrössen-Aufschaltung anbieten, etwa in der Form eines von der Kardengruppe her kommenden Signales "Anzahl Karden in Produktion". Infolge der häufigen zu- und Wegschaltungen bei den Karden bringt dies aber eine unnötige Unruhe in den Betrieb.
Eine weitere Besonderheit der Putzereilinie erschwert die Durchsatzregelung bedeutend: Die Messung der Speicherinhaltes ist sehr ungenau. Sie beruht auf optischen Füllstand-Sensoren oder auf einer Druckmessung in der pneumatischen Zuleitung. Es steht somit lediglich ein Signal für "Voll" oder "Leer" zur Verfügung. Eine Messung des Durchsatzes für die einzelnen Stufen ist schwierig, ungenau und auch nicht notwendig. Die Verstellung des Durchsatzes geschieht rein qualitativ im Sinne einer Erhöhung oder Verminderung. Es handelt sich um eine Regelaufgabe, die nach menschlichem Ermessen viel Gefühl erfordert und ausgesprochen spekulative Elemente enthält. Für diese Aufgabenstellung ist in jüngster Zeit eine neuartige Regeltechnik unter dem Begriff "Fuzzy-Regler" bekannt geworden, die sich mit den folgenden Stichworten umschreiben lässt:

- Ausgerichtet auf das Verarbeiten von Grössen , die sich nur ungenau bestimmen lassen.
- Verknüpfen und Optimieren nach Kriterien, die sich nicht unbedingt numerisch exakt darstellen lassen
- Nachvollzug eines "vernünftigen" Verhaltens in einer von Ungewissheit geprägten Informationslage (zu viele, zu wenige, ungenaue oder widersprüchliche Daten).

Die Funktion der gesamten Putzereilinie hängt davon ab, dass jeder der beteiligten Speicher mindestens teilweise gefüllt, aber nie überfüllt und nie leer ist. An absolut oberster Priorität steht deshalb das Ein- und Ausschalten der Förderung, ausgehend von einem oberen und unteren Grenzwert. Dies stellt gleichzeitig das Minimum an Steuerungsaufwand dar, der für den Betrieb der Putzereilinie notwendig ist. Diese Feststellung gilt selbst dann, wenn es durch Einsatz besonderer Regelkreise gelingt, den Durchsatz so zu regeln, dass das zulässige Maximum bzw. Minimum des jeweiligen Speicherinhaltes nie erreicht wird.

Beschreibung des Vorschlages

Das vorliegende Regelkonzept löst nun die Aufgabe, in Ergänzung zum beschriebenen Minimalsystem den Durchsatz der einzelnen Förderstufen automatisch derart anzupassen, dass ein gewünschtes Ein/Aus-Verhältnis eingehalten wird. Dies gewährleistet eine gute Reinigungswirkung der betreffenden Stufe, ermöglicht aber auch das alternierende Speisen mehrere Putzereilinien von einem einzigen Ballenöffner aus. Hier wird nämlich ein Aufteilen der Einschaltzeit unter Einbezug einer genügenden Reserve erforderlich. Der vorgeschlagene Regler steuert den Durchsatz der betreffenden Stufe durch ein dreiwertiges Ausgangssignal "Durchsatz erhöhen", "keine Änderung", "Durchsatz vermindern". Diese Ansteuerung erfolgt zum Beispiel schrittweise mit Zeit blöcken. Sie ist zum Beispiel abgestimmt auf einen Verstellmotor in der betreffenden Stufe, der beispielsweise ein Potentiometer für den Sollwert eines Drehzahlreglers betätigt. Das Umsetzen des Regler-Ausganges in eine Änderung des Durchsatzes lässt sich aber auch quasi stufenlos mit einer direkten digitalen Ansteuerung lösen.
Als Sollwert wird dem Regler ein bestimmtes Ein/Aus-Verhältnis vorgegeben. Die Eingabe geschieht vorzugsweise als numerischer Wert über eine Tastatur.
Als Istwert steht dem Regler lediglich das Ein/Aus-Signal der betreffenden Förderstufe zur Verfügung. Der Verzicht auf eine separate Sensorik ist ein entscheidender Vorteil des Konzeptes.
Ausgehend vom Betriebszustand der gesamten Putzereilinie wird die Funktion des Reglers freigegeben oder blockiert.

Stand der Technik

Unsere europäischen Patente 93238 und 311831 beschreiben Systeme für die Steuerung einer Putzereilinie, die nach dem sogenannten Stop/Go-Betrieb bzw. Ein/Aus-Betrieb arbeiten sollen, d.h. jede steuerbare Stufe wird mit einem so hohen Durchsatz betrieben, dass der dadurch belieferte Folgespeicherfrüheroderspätervoll bzw. überfüllt wird, sodass die gesteuerte (beliefernde) Stufe als Liefervorrichtung abgeschaltet werden muss. In beiden Fällen ist es vorgesehen, Sollwerte für das sogenannte Ein-/Ausschaltzeit-Verhältnis der gesteuerten Stufe zu bestimmen. Nach EP 93238 soll der Sollwert konstant (auf einen einstellbaren Wert) gehalten werden. Nach EP 311831 ist jeder Sollwert in Abhängigkeit von der Anzahl produzierender Karden der durch die Putzereilinie belieferten Karderie veränderbar.
Die in den vorerwähnten Patenten aufgeführten Prinzipien beruhen auf den klassischen Regeltheorien. Systeme, die nach diesen Theorien aufgebaut sind, verhalten sich nur dann "gutmütig", wenn bestimmte Anforderungen erfüllt werden bezüglich der Genauigkeit der verarbeiteten Messgrössen und der Eigenschaften der Störsignale erfüllt sind. Es hat sich als sehr schwierig erwiesen, ein System nach den klassischen Prinzipien der Regeltechnik auszulegen, das imstande ist, eine Putzereilinie mit einem gutmütigen Verhalten automatisch zu steuern.

Erfindung - Aspekt 1

Durchflusssteuerung bzw. Steuerverfahren für eine Anlage mit einem Puffer, einer Liefervorrichtung zum Beliefern dieses Puffers mit Material, einer Füllstandssensorik, die auf den Füllstand des Materials im Puffer anspricht, einer Steuervorrichtung zum Ein- bzw. Ausschalten der Liefervorrichtung in Abhängigkeit vom von der Sensorik gemeldeten Füllstand und einer Regelvorrichtung für den Durchsatz (die momentane Produktion pro Zeiteinheit) der Liefervorrichtung, wobei für die Regelvorrichtung ein Sollwert für das Verhältnis Ein-/Ausschaltzeit vorgegeben werden muss, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchsatz kein bestimmter fester Wert vorgegeben wird, sondern in Abhängigkeit vom festgestellten Ein- bzw. Ausschalten der Liefervorrichtung die Regelvorrichtung dazu angeordnet ist, den momentanen Durchsatz zu erhöhen, zu reduzieren oder aufrechtzuerhalten.

Erfindung - Aspekt 2

Durchflusssteuerung bzw. Steuerverfahren für eine Anlage mit einem Puffer, einer Liefervorrichtung zum Beliefern dieses Puffers mit Material, einer Füllstandssensorik die auf den Füllstand des Materials im Puffer anspricht, einer Steuervorrichtung zum Ein- bzw. Ausschalten der Liefervorrichtung in Abhängigkeit vom von der Sensorik gemeldeten Füllstand, und einer Regelvorrichtung für den Durchsatz (die momentane Produktion pro Zeiteinheit) der Liefervorrichtung, wobei für die Regelvorrichtung ein Sollwert für das Verhältnis Ein-/Ausschaltzeit vorgegeben werden muss, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung dazu angeordnet ist, aus festgestellten bzw. vorgegebenen Ein-/Ausschaltverhältnissen einen Sollwert für die Einzeit abzuleiten und den Durchsatz der Liefervorrichtung in Abhängigkeit von festgestellten Abweichungen der Ist-Einzeit von der Soll-Einzeit zu steuern, um solche Abweichungen auszugleichen.
Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Putzereilinie mit vier Verarbeitungsstufen, wovon drei Stufen durch Durchsatzregler, nach dieser Erfindung geregelt werden,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines einzigen Reglers nach Fig. 1,
Fig. 3 eine etwas detailliertere Darstellung des gleichen Reglers,
Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen von Regelcharakteristik eines Reglers nach Fig. 3,
Fig. 5 ein schematisches Zeitdiagramm, welches das Verhalten von einer Verarbeitungsstufe darstellt, die durch einen Regler nach Fig. 3 geregelt wird und
Fig. 6 ein Schema zur Erläuterung eines Ueberwachungssystems für eine Steuerung nach dieser Erfindung.

Die Putzereilinie nach Fig. 1 entspricht weitgehend einer Putzereilinie nach Fig. 3 unseres früheren europäischen Patentes Nr. 311831 und wird dementsprechend hier nicht in allen Einzelheiten erklärt. Die Linie umfasst eine Ballenabtragmaschine 10, einen Vorreiniger 12, eine Mischmaschine 14 und einen Nachreiniger 16, der in diesem Fall als Speisemaschine für die nachgeschaltete Karderie dient (d.h. die Speisemaschine der Anlage nach EP 311831 ist nicht mehr notwendig). Die Karderie umfasst bekanterweise eine Mehrzahl von Einzelmaschinen, wovon in Fig. 1 nur drei Maschinen (20,22, 24) als Beispiele gezeigt sind. Jede Karde umfasst einen Füllschacht 26 und der Nachreiniger 16 ist auch mit einem schematisch dargestellten Füllschacht 28 versehen. Die Mischmaschine 14 umfasst einen Kastenspeicher 30. Der Vorreiniger 12 hat keinen Speicher und muss dementsprechend das ihm von der Ballenabtragmaschine 10 gelieferte Material kontinuierlich verarbeiten und weiterleiten.
Die Mischmaschine 14 umfasst weiterhin ein Lieferwalzenpaar32, das im Betrieb Material aus dem Kasten 30 entnimmt und über eine schematisch dargestellte Rohrleitung in den Füllschacht 28 des Nachreinigers 16 fördert. Der Nachreiniger 16 selbst hat ein Lieferwalzenpaar 34, das Material aus dem Schacht 28 in das Verteilernetz der Karderie weiterleitet, wo dann dieses Material in die Schächte 26 der einzelnen Karden eingefüllt wird.
Der Kastenspeicher 30 ist mit einem schematisch angedeuteten Füllstandssensor 36 versehen, welcher zum Erzeugen von einem zweiwertigen Signal angeordnet ist, das in Abhängigkeit vom momentanen Füllstand des Speichers 30 bestimmt ist, und zwar

- ein Status "Liefern", wonach weiteres Material in den Speicher eingefüllt werden sollte, und
- ein Status "Stoppen", wonach kein weiteres Material in den Speicher eingefüllt werden soll.

Ueber die Durchflusssteuerung 42, die nachfolgend näher beschrieben wird, werden diese Signale benützt, um die Ballenabtragmaschine 10 zu steuern.
Der Füllschacht 28 des Nachreinigers 16 ist mit einer entsprechenden Sensorik 38 versehen, die über eine weitere Durchflusssteuerung 44 den Betrieb des Lieferwalzenpaares 32 steuert. Eine weitere Sensorik 40 ist dem Verteilernetz der Karderie zugeordnet und steuert über eine weitere Durchflusssteuerung 46 das Lieferwalzenpaar 34 des Nachreinigers 16. Im Beispiel nach Fig. 1 ist die Sensorik 40 mit den Schächten 26 verbunden, kann aber nach den bekannten Prinzipien (siehe z.B. EP 303023) der Transportleitung des Verteilernetzes zugeordnet werden.
Die Ballenabtragmaschine 10, die Mischmaschine 14 und der Nachreiniger 16 dienen daher als Liefervorrichtungen und der Kastenspeicher 30, der Füllschacht 28 und die Füllschächte 26 dienen als Materialpuffer, die von den Liefervorrichtungen mit Material beliefert werden. Für jede steuerbare Stufe ist eine eigene Durchflusssteuerung 42,44 bzw. 46 vorgesehen, d.h. die Anlage nach Fig. 1 dieser Anmeldung unterscheidet sich von einer Anlage nach Fig. 4 unseres früheren europäischen Patentes Nr. 311831 darin, dass die Durchflusssteuerung nicht zentral, z.B. über einem Mikrocomputer realisiert wird, sondern die Lieferverhältnisse der einzelnen Stufen werden individuell gesteuert bzw. geregelt. Wie in der Anlage nach Fig. 3 des vorerwähnten europäischen Patentes stellt der Vorreiniger 12 keine steuerbare Stufe dar und es ist dementsprechend keine Durchflusssteuerung für diese Stufe vorgesehen.
Die Durchflusssteuerungen 42,44,46 sind jede nach dem gleichen Grundschema aufgebaut, welches Schema jetzt anhand der Fig. 2 erklärt wird. Fig. 2 zeigt als Beispiel die Steuerung 44. Jede Durchflusssteuerung umfasst dementsprechend einen Eingang 50 für die Zustandssignale von der entsprechenden Sensorik 36,38,40. Diese Signale werden durch eine Schalteinheit 52 in Ein- bzw. Ausschaltsignale für die entsprechende Liefervorrichtung umgesetzt und über einen Ausgang 54 der Durchflusssteuerung an die entsprechende Liefervorrichtung weitergeleitet. Der Betrieb der Liefervorrichtung, zumindest im Sinne einer Belieferung der nachgeschalteten Stufe, wird dementsprechend eingeschaltet bzw. eingestellt.
Die Signale auf dem Eingang 50 werden auch an eine Recheneinheit 56 geliefert, die nachfolgend anhand der Fig. 3 näher beschrieben wird. Die Recheneinheit 56 erhält auch Signale von einem Sollwertsteller 58, welcher einen Sollwert für die Dauer des ununterbrochenen Betriebes der gesteuerten Liefervorrichtung bestimmt. Die Recheneinheit 56 vergleicht den Istwert der ununterbrochenen Betriebsdauer der Liefervorrichtung mit dem vom Sollwertsteller 58 bestimmten Sollwert und erzeugt in Abhängigkeit von diesem Vergleich ein Korrektursignal, welches über den Ausgang 60 der Durchflusssteuerung an den Durchfluss-Steller der gesteuerten Liefervorrichtung weitergeleitet wird. Das Korrektursignal bewirkt in der Liefervorrichtung eine Veränderung des Durchsatzes dieser Liefervorrichtung, d.h. die momentan abgegebene Materialmenge pro Zeiteinheit. Für das Korrektursignal sind drei mögliche Zustände vorbestimmt, nämlich "Durchsatz erhöhen", "unverändert" und "Durchsatz reduzieren".
Die Durchflusssteuerung umfasst einen weiteren Eingang 62, womit ein Sollwert für das Ein/Aus-Verhältnis der gesteuerten Liefervorrichtung bestimmt werden kann, z.B. durch Betätigung einer geeigneten Tastatur. Das heisst, dieser Soiiwert gibt an, fürweichen Prozentsatz eines beliebig langen Zeitintervaiis die gesteuerte Liefervorrichtung Material an den nachgeschalteten Puffer befördern sollte und für welchen Prozentsatz des gleichen Intervalles die Belieferung des Puffers eingestellt weiden sollte. Dieser Sollwert wird dem Sollwertsteller 58 eingegeben, zusammen mit den Zustandssignalen, die über den Eingang 50 erhalten werden. Der Sollwertsteller 58 vergleicht das erzielte Ein/Aus-Verhältnis (Istwert) mit dem am Eingang 62 festgestellten Sollwert und leitet daraus den vorerwähnten Sollwert für die Ein-zeitdauer ab, die an die Recheneinheit 56 weitergegeben wird.
Die Durchflusssteuerung nach Fig. 2 entspricht insofern einer Regelung nach unserem früheren europäischen Patent Nr. 93235, als in beiden Fällen eine einzige Stufe anhand eines Soll-Wertes für das Ein/Aus-Verhältnis geregelt wird. Sie weicht aber von der letztgenannten Regelung ab, in zweierlei Hinsichten, nämlich

- der Durchsatz der gesteuerten Vorrichtung wird nicht unmittelbar in Abhängigkeit von Abweichungen vom gewünschten Ein/Aus-Verhältnis bestimmt, sondern mittelbar über eine andere Regelgrösse, und zwar über die Einzeit-Dauer, und
- die Regelung nach Fig. 2 arbeitet nicht nach den klassischen Regelprinzipien zum Einpendeln auf ein "idealen" oder "optimalen" Zustand, sondern zum Erzielen von akzeptablen Bedingungen innerhalb einer gegebenen Bandbreite. Dieses Resultat wird durch die Art und Weise der Erstellung des Korrektursignals am Ausgang 60 bewirkt, wie nachfolgend anhand der Fig. 3 beschrieben wird.

Neuerdings ist von einer neuen Mathematik (die sogenannte "Fuzzy Logic") und entsprechenden Steuerungs- bzw. Regelungsprinzipien die Rede. Diese Prinzipien sind z.B. im Buch "Fuzzy Set Theory" - and its Applications" von Hans J. Zimmermann (Herausgeber Kluwer-Nijhoff Publishing) vorgestellt worden. Dementsprechend ist heutzutage viel von "Fuzzy-Regler" oder "Fuzzy-Controller" die Rede, wobei nicht immer klar ist, was diese Begriffe genau bedeuten sollten. Diese Erfindung wird aus den Regeln der neuen Fuzzy-Steuerungs-Theorien abgeleitet.
Sie lehnt sich aber insofern an die der Fuzzy-Logik zugrunde gelegten Prinzipien an, als dass sie sich der vagen (eher qualitativen) Urteile des menschlichen Regelverhaltens bedient, als eher der (oft vorgetäuschten) Präzision der klassischen Regelkreise. Diese Aussage wird aus den nachfolgenden Beschreibungen der Fig. 3 und 4 etwas klarer werden.
Fig. 3 zeigt nochmals den Sollwertsteller 58 mit seinem eigenen Sollwerteingang 62. Dieser Sollwertsteller 58 ist z.B. ein klassischer digitaler PI-Regler, welcher den Momentanwert (Istwert) des Ein/Aus-Verhältnis mit dem Sollwert für dieses Verhältnis vergleicht und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Hier also sind keine neuen Prinzipien vorzufinden. Der Istwert für das Ein/Aus-Verhältnis ist z.B. von einer Auswerteeinheit 64 (siehe auch Fig. 2) gegeben, welche das auf dem Eingang 50 (Fig. 2) eintreffende Signal auswertet und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.
Die Umstellung des Ausgangssignals vom Sollwertsteller 58 in ein geeignetes Korrektursignal auf dem Ausgang 60 (Fig. 2) geschieht durch die Recheneinheit 56, die im Beispiel nach Fig. 3 drei Elemente 66,68,70 umfasst. Im Element 66 findet ein Vergleich statt, zwischen dem vom Sollwertsteller 58 (nach klassischen Prinzipien) festgelegten Sollwert für die Einzeit und dem von der Auswerteeinheit 64 ermittelten Ist-Wert für die Einzeit. Das Element 66 erzeugt eine entsprechende Korrektur, die aber nicht nach den klassischen Prinzipien sondern nach einer empirisch festgelegten Zugehörigkeitsfunktion, z.B. nach Fig. 4A, ermittelt wird. Nach dieser Funktion entsteht kein Ausgangssignal, wenn der Einzeit-Istwert innerhalb einer vorgebbaren Bandbreite X um den Sollwert liegt. Dieses Verhältnis ist in Fig. 4A durch die Ziffer 1 angedeutet, wo der Einzeit-Istwert dem Einzeit-Sollwert gleich ist.
Falls der Einzeit-Istwert gegenüber dem Einzeit-Sollwert zu hoch ist, und zwar so hoch, dass er ausserhalb der Bandbreite X aber innerhalb einer zweiten Bandbreite Y (Fig. 4A) liegt, dann wird ein Ausgangssignal erzeugt. Dieses Signal fordert eine Erhöhung des Durchsatzes der gesteuerten Liefervorrichtung, um den belieferten Puffer entsprechend schneller zu füllen und den Istwert für die Einzeit entsprechend zu reduzieren d.h. in Richtung des Sollwertes zu bewegen. Das Erzeugen des Korrektursignals erfolgt nach der Zugehörigkeitsfunktion K1 (Fig. 4A). Die maximale Durchsatzkorrektur ist aber plafoniert (Kpm., Fig. 4A), sodass ein Istwert/Sollwert-Verhältnis oberhalb der Bandbreite Y (Fig. 4A) zu dieser maximalen Korrektur führt.
Wenn der Einzeit-Istwert gegenüber dem Einzeit-Sollwert zu klein ist, und zwar so klein, dass das Verhältnis ausserhalb der Bandbreite X aber innerhalb einer Bandbreite Z (Fig. 4A) liegt, dann erzeugt das Element 66 ein Ausgangssignal, das nach der Zugehörigkeitsfunktion K2 bestimmt wird. Der Durchsatz der gesteuerten Liefervorrichtung wird dadurch reduziert, um das Füllen des belieferten Puffers zu verlangsamen (den Istwert zu erhöhen). Dieses Ausgangssignal hat aber ebenfalls einen Maximalwert Knm, welcher die Verlangsamung des Füllens begrenzt, auch dann, wenn das Einzeit-Istwert-/Einzeit-Sollwert-Verhältnis unterhalb des Bereiches Z liegt.
Das Grundprinzip dieses Korrektursystems liegt darin, ein Signal zu erzeugen, welches "mehr", "weniger" oder "gleichviel" von der Liefervorrichtung fordert.
Die Gesamtcharakteristik nach Fig. 4A ist hier als ein "Fuzzy-Satz" bezeichnet.
Dieses Ausgangssignal wird mit einer zweiten Zugehörigkeitsfunktion überlagert, und zwar durch das Element 68. Das Element 68 erhält von der Auswerteeinheit 64 ein Signal, welches den Istwert des momentanen Ein/Aus-Verhältnisses darstellt. Das Element 68 passt dann die vom Element 66 erzeugte Korrektur gemäss der Zugehörigkeitsfunktion K3 (Fig. 4B) an, und zwar in Abhängigkeit vom Istwert des Ein/Aus-Verhältnisses. Nach dieser Zugehörigkeitsfunktion wird bei einem hohen Istwert für das Ein/Aus-Verhältnis nur ein relativ kleiner Prozentsatz der vollen vom Element 66 erzeugten Korrektur weitergegeben, während bei einem niedrigen Ein/Aus-Istwert fast die volle Korrektur weitergeleitet wird.
Die Gesamtcharakteristik nach Fig. 4B ist auch hier als ein "Fuzzy-Satz" bezeichnet. Die Kombination der Fuzzy-Sätze 1 und 2 (Fig. 4A und B) ergibt ein "Fuzzy-Regler" (oder "Fuzzy-Controller"), der anhand dieser Sätze arbeitet.
Das Element 68 gibt ein Signal weiter, welches nach den Transformationsregeln der Fig. 4A und 4B bestimmt worden ist und durch das Element 70 in ein geeignetes Steuersignal für die Liefervorrichtung umgestellt werden kann. Dieses Signal erscheint dann auf dem Ausgang 60 (Fig. 2). Das Signal besteht z.B. aus einem Steuerimpuls, wovon die Dauer vom Impuls als eine vorbestimmte Funktion der erforderlichen Korrektur festgelegt wird.
Jeder Regler ist nur unter vorgegebenen Betriebsbedingungen nach den vorgestellten Prinzipien einsetzbar und es sind dementsprechend Zusatzverbindungen vorgesehen, die "Randbedingungen" definieren, sodass die Regelung ausgeschaltet bzw. übersprungen wird, wenn die notwendigen Betriebsbedingungen nicht (mehr) vorhanden sind.
Die Durchflusssteuerung ist insbesondere nicht mehr zuverlässig einsetzbar, wenn mehr als eine vorgegebene Anzahl Karden kein Material anfordern, z.B. mehr als zwei Karden. Die Karden sind daher mit Fühlern (nicht gezeigt) versehen, die angeben, ob die jeweilige Karde in Betrieb ist oder nicht. Eine Auswerteeinheit (74, Fig. 1) stellt fest, ob die nötige Anzahl Karden in Betrieb ist, und schaltet die Putzereilinie über die Leitung L und die Durchflusssteuerungen 42,44,46 ab, wenn zu wenig Karden in Betrieb bleiben.
Ein weiterer unzulässiger Betriebszustand besteht darin, dass eine Stufe auf einen "Idealwert" einpendelt, sodass sie praktisch kontinuierlich Material an die nachgeschaltete Stufe liefert. Dieser Zustand wird durch die Auswerteeinheit 64 für die betroffene Stufe festgestellt. Diese Auswerteeinheit erzeugt dann ein Signal auf den Ausgang 72 (Fig. 2), welches an die Einheit 56 geliefert wird und eine Erhöhung des Durchsatzes der gesteuerten Liefervorrichtung fordert. Der belieferte Puffer wird daher schneller gefüllt und der Ein/Aus-zyklus erzwungen. Dieser Zyklus kann dann von der schon beschriebenen Regelung geregelt werden.
Ein Befehl "Durchsatz Erhöhen" am Ausgang 72 wird von der Einheit 64 gleichzeitig an die vorgehende Stufe über den Ausgang 76 geliefert, sodass die ganze Linie gleichzeitig zum schnelleren Betrieb befohlen wird. Die Steuerung 42 hat natürlich keinen Ausgang 76 (da keine vorgehende Stufe vorhanden ist). Die Steuerung 46 hat keinen Eingang, um einen solchen Befehl zu empfangen (da keine nachgeschaltete Stufe im Sinne dieser Steuerung vorhanden ist). Sowohl die Steuerung 42 als auch die Steuerung 44 sind aber mit je einem Eingang 78 versehen, zum Empfangen dieses Befehls und um ihn an die Einheit 56 (Fig. 2) zum Umsetzen weiterzuleiten.
Es ist auch notwendig, "Startwerte" für die Einzeit der gesteuerten Liefervorrichtung vorzusehen, obwohl unter Startbedingungen kein Istwert des Ein/Aus-Verhältnisses am Sollwertsteller 58 vorliegt. Solche Bedingungen kommen sowohl beim Starten der Anlage von neuem wie auch nach einer Betriebsunterbrechung vor. Fig. 3 zeigt daher einen Speicher 80, der bei einem Unterbruch den gültigen Sollwert für die Einzeit speichert und beim Neustart an das Element 66 liefert. Es ist auch eine Einheit 82 vorgesehen, die bei einem Neubeginn den am Eingang 62 festgelegten Sollwert für das Ein/Aus-Verhältnis übernimmt, diesen unmittelbar in einen Startwert für den Einzeit-Sollwert umwandelt und den Sollwert an das Element 66 abgibt.
Somit ergibt sich das Zeitdiagramm nach Fig. 5, wo im oberen Teil (5A) das Ein- bzw. Ausschalten der Liefervorrichtung, im mittleren Teil (5B) der Durchsatz-Sollwert für die Liefervorrichtung und im unteren Teil (5C) der Einzeit-Sollwert für die gleiche Liefervorrichtung eingetragen sind.
Fig. 5A deutet mit der oberen gestrichelten Linie den oberen Schaltpegel und mit der unteren gestrichelten Linie den unteren Schaltpegel des Füllschachts bzw. des Speichers an. Die Liefervorrichtung wird eingeschaltet, wenn der Füllstand auf den unteren Schaltpegel zurückfällt und wird wieder ausgeschaltet, wenn der obere Schaltpegel erreicht wird.
Die Aenderungen des Füllstandes sind mit der voll ausgezogenen Linie PS gezeigt. Der Anstieg wird sowohl durch den Durchsatz der beliefernden Liefervorrichtung wie auch durch den Durchsatz des Materialabzuges beeinflusst, d.h. durch die Vorrichtung (das Lieferwalzenpaar), welches Material aus dem Speicher (aus dem Füllschacht) entnimmt. Der bestieg wird nur durch den Durchsatz des Materialabzuges beeinflusst. Weder der eine noch der andere Durchsatz ist eine vorbestimmte Konstante. Nach dieser Ausführung werden aber diese Durchsatzwerte auf je einem Niveau automatisch eingestellt, das konstante Verarbeitungsverhältnisse ermöglicht.
Beim Start der Linie (Phase A) ist der Einzeit-Sollwert (Fig. 5C) durch den Speicher 82 bestimmt, der Durchsatz-Sollwert der beliefernden Liefervorrichtung (Fig. 5B) hingegen nicht, da noch kein Istwert für die Einzeit vorliegt. Die Anlage kann derart eingestellt werden, dass sie mit einem vorgegebenen maximalen Durchsatz "hochläuft" - Block (i), Fig. 5B. Der belieferte Puffer wird relativ schnell voll und die Sensorik schaltet die Liefervorrichtung ab. Es kann nun (Phase B) ein Istwert/Sollwert-Vergleich für die Einzeit im Element 66 durchgeführt werden, was zu einer Durchsatzkorrektur (nach unten) führt (kd 1).
Mittlerweile arbeitet der Materialabzug, sodass das Materialniveau im Puffer auf den unteren Schaltpegel zurückfällt, was zum Einschalten der Liefervorrichtung führt. Ein neuer Block (ii) mit dem vorher korrigierten Durchsatz wird damit ausgelöst. Es kann aber auch jetzt eine Korrektur (ke 1) des Einzeit-Sollwertes durchgeführt werden (Phase C), da die Informationen zu einem vollen Ein/Aus-zyklus vorliegen. Die Korrektur fordert eine Erhöhung der Einzeit, was eine Abnahme des Durchsatzes erfordert. Dies bleibt aber für den schon eingeleiteten Block (ii) unwirksam.
Am Ende vom Block (ii) wird aber eine zweite Phase B eingeleitet, d.h. es wird nochmals der Durchsatz korrigiert (kd 2). Beim Wiedereinschalten der Liefervorrichtung (Auslösen von Block (iii) findet eine zweite Korrektur (ke 2) des Einzeit-Sollwertes statt. Es folgt eine dritte Korrektur (ke 3) des Einzeit-Sollwertes am Ende des dritten Ein/Aus-Zyklusses. Im dargestellten Beispiel finden keine weiteren Korrekturen statt, da sich die Durchsatzeinstellung und Einzeiteinstellung "gefunden" haben - und zwar ohne Eingriff vom Bedienungspersonal. Die Anlage ist "selbsteinstellend" ohne grosse Schwankungen der Materialverarbeitungsverhältnisse.
In Fig. 5A wurde angenommen, dass Material stetig während der "Ausschaltphase" aus dem Puffer entnommen wird. Dies trifft nicht unbedingt zu, da die nächstfolgende Stufe ihre Nachfrage an Material auch einstellen kann. Die Lieferpause wird dann entsprechend verlängert.
Wie schon angedeutet, arbeitet der dargestellte "Fuzzy-Controller" nicht nach den strengen Regeln der Fuzzy-Logik, was aber durchaus möglich wäre, und unter Umständen Vorteile bieten würde, besonders wenn mehrere Parameter in Zusammenhang mit der Regelung einer gegebenen Stufe berücksichtigt werden müssen. Die Prinzipien des Fuzzy-Controllers ermöglichen das Steuern bzw. das Regeln der Stufen jede für sich, d.h. unabhängig voneinander.
Gemäss den Prinzipien der Fuzzy-Steuerungs-Theorien sollen für die Parameter Wertklassen (z.B. "hoch", "mittel", "niedrig") definiert werden, wobei der Grad der Mitgliedschaft eines Istwertes von einem bestimmten Parameter zu diesen Klassen zugeordnet werden kann. Die Parameter können nach Regeln der logischen Form "wenn.... dann....." miteinanderverknüpftwerden (siehe das Textbuch von Herrn Zimmermann).
Der Füllstand eines bestimmten Puffers ist z.B. sowohl vom Nachschub aus der vorgeschalteten Stufe wie auch von der Nachfrage der nachgeschalteten Stufe abhängig. Es wäre dann möglich, für zwei miteinander verkettete Puffer, z.B. zwei (oder mehrere) "Füllstandsklassen", zu definieren, beispielsweise in der Form "hoch"/"niedrig". Der Fuzzy-Regler könnte dan z.B. nach einem Regelsatz in der folgenden Form arbeiten:

1. Wenn der Füllstand vom Puffer A "hoch" ist und der Füllstand vom (nächstfolgenden) Puffer B auch "hoch" ist, das Nachfüllen des Puffers A einstellen.
2. Wenn der Füllstand vom Puffer A "hoch" ist, und der Füllstand vom Puffer B "niedrig" ist, Puffer A nachfüllen.
3. Wenn der Füllstand vom Puffer A "niedrig" ist, Puffer A nachfüllen (auch dann, wenn der Füllstand vom Puffer B "hoch" ist).

Dies erfordert für jeden Puffer zusätzliche Sensoren (zwischen den Grenzwertsensoren), die aber immer noch keine genauen Füllstandsinformationen liefern müssen, sondern nur Angaben bezüglich der Zugehörigkeit zu den (qualitativen) Klassen "hoch" und "niedrig".
Das dargestellte Beispiel der Figuren arbeitet aber ohne Zusatzsensoren. Dabei wird der zeitliche Ablauf der Reglerfunktion vom Einschalten bezw. Ausschalten der betreffenden Stufe gesteuert. Die wesentliche Information für den korrigierenden Eingriff des Reglers auf den Durchsatz liegt jeweils nach einem vollständigen Ein/Aus-zyklus vor, wenn die Einschaltphase beendet ist. Im Anschluss an diesen Zeitpunkt wird zunächst die Dauer der soeben vergangenen Ein-Phase und das Ein/Aus-Verhältnis im letzten Zyklus berechnet. Die Dauer der Ein-Phase wird nach dem Prinzip des Fuzzy-Reglers mit dem dazugehörigen Sollwert verglichen. Aus der Bewertungsfunktion des Fuzzy-Reglers wird die Durchsatzkorrektur hergeleitet. Dieser Korrekturwert wird anschliessend durch einen zweiten Fuzzy-Satz korrigiert, der den nicht linearen Zusammenhang zwischen Durchsatz und Ein/Aus-Verhältnis grob kompensiert. Der nun entstandene Korrekturwert für den Durchsatz wird anschliessend in ein passendes Steuersignal umgesetzt, beispielsweise in einen Steuerimpuls von geeigneter Dauer. Ein besonderer Vorteil dieses Regelkreises liegt darin, dass er bereits auf Grund der Information einer einzigen Einschalt-Periode eine vernünftige Korrektur durchführt, genau so wie dies ein menschlicher Bedienertun würde. Um diesen Vorteil in allen Betriebszuständen der Putzereilinie zu erhalten, wird beim Neustart ein erster Sollwert für die Ein-zeit auf Grund von angenommenen Werten für Durchsatz und Speicherinhalt vorausberechnet. Für die Dauer von instationären Betriebszuständen, beispielsweise während kürzeren Betriebsunterbrüchen, wird der Sollwert für die Ein-zeit gespeichert und für die folgende stationäre Betriebsphase festgehalten.
Im stationären Betriebszustand wird der Sollwert für die Ein-zeit nach jedem Ein/Aus-zyklus neu berechnet. Um auch diesem überlagerten Regelkreis gutmütige Eigenschaften zu geben, geschieht dies durch einen gewichteten Mittelwert zwischen dem vorhandenen Einzeit-Sollwert und dem effektiven zielwert, der sich aus der Dauer des jüngsten Zyklus ergeben würde (digitaler PI-Regler). Dieser Regelkreis berücksichtigt die gesamte Zyklusdauer und arbeitet demgemäss langsamer. Er verleiht dem ganzen Verfahren die erforderliche Präzision und Stabilität.
Es ist nun möglich, ein solches System mit einer Selbstüberwachungsfunktion zu versehen, wie dies anhand der Figur 6 und der Tabellen 1 und 2 klargestellt wird. Fig. 6 zeigt schematisch zwei aufeinanderfolgende (miteinander verkettete) Verarbeitungsstufen und eine Durchflusssteuerung nach Fig. 2 für die vorgeschaltete Stufe. Die Stellen A,B,C,D zeigen an, wo gewisse auf der Figur eingetragene Störungen vorkommen könnten. Tabelle 1 zeigt dann eine Störungs-Diagnose (Positionen 1 bis 7) mit den möglichen Gründen, möglichen Folgen und die überwachten Signale und Grenzwerte. Tabelle 2 zeigt für die gleichen Positionen die Reaktionen des Systems, die Diagnose und die Bemerkungen dazu.
In Fig. 2 und 3 kann das Signal auf der Leitung L mehrbegriffig gestaltet werden. Es kann z.B. einen Befehl "Ein", "Aus", "Leeren" darstellen und kann auch durch den Bediener gewählt werden. Dieses Signal kann dann zusätzlich zu den schon beschriebenen Signalen (bezüglich der Anzahl Karden) an die Steuerungen gesandt werden.

Claims

1. Eine Durchflusssteuerung bzw. ein Steuerverfahren für eine Anlage mit einem Puffer, einer Liefervorrichtung zum Beliefern dieses Puffers mit Material, einer Füllstandssensorik, die auf den Füllstand des Materials im Puffer anspricht, einer Steuervorrichtung zum Ein- bzw. Ausschalten der Liefervorrichtung in Abhängigkeit vom von der Sensorik gemeldeten Füllstand und einer Regelvorrichtung für den Durchsatz (die momentane Produktion pro Zeiteinheit) der Liefervorrichtung, wobei für die Regelvorrichtung ein Sollwert für das Verhältnis Ein-/Ausschaltzeit vorgegeben werden muss,
dadurch gekennzeichnet, dass
für den Durchsatz kein bestimmter Wert vorgegeben wird, sondern in Abhängigkeit vom festgestellten Ein- bzw. Ausschalten der Liefervorrichtung die Regelvorrichtung dazu angeordnet ist, den momentanen Durchsatz zu erhöhen, zu reduzieren oder aufrechtzuerhalten.

2. Eine Durchflusssteuerung bzw. ein Steuerverfahren für eine Anlage mit einem Puffer, einer Liefervorrichtung zum Beliefern dieses Puffers mit Material, einer Füllstandssensorik, die auf den Füllstand des Materials im Puffer anspricht, einer Steuervorrichtung zum Ein- bzw. Ausschalten der Liefervorrichtung in Abhängigkeit vom von der Sensorik gemeldeten Füllstand, und einer Regelvorrichtung für den Durchsatz (die momentane Produktion pro Zeiteinheit) der Liefervorrichtung, wobei für die Regelvorrichtung ein Sollwert für das Verhältnis Ein-/Ausschaltzeit vorgegeben werden muss,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regelvorrichtung dazu angeordnet ist, aus festgestellten bzw. vorgegebenen Ein-/Ausschaltverhältnissen einen Sollwert für die Einzeit abzuleiten und den Durchsatz der Liefervorrichtung in Abhängigkeit von festgestellten Abweichungen der Ist-Einzeit von der Soll-Einzeit zu steuern, um solche Abweichungen auszugleichen.

3. Eine Durchflusssteuerung bzw. ein Steuerverfahren für eine Anlage mit einer Mehrzahl von faserverarbeitenden Stufen, wovon jeder ein Puffer, eine Liefervorrichtung zum Beliefern dieses Puffers mit Fasermaterial, eine Füllstandssensorik, die auf den Füllstand des Materials im Puffer anspricht, eine Steuervorrichtung zum Ein- bzw. Ausschalten der Liefervorrichtung in Abhängigkeit vom von der Sensorik gemeldeten Füllstand und eine Regelvorrichtung zugeordnet wird, die den Durchsatz (die momentane Produktion pro Zeiteinheit) der Liefervorrichtung regelt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Regelvorrichtung einen Fuzzy-Regler umfasst.

4. Eine Durchflusssteuerung bzw. ein Steuerverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regelvorrichtung dazu angeordnet ist, aus festgestellten bzw. vorgegebenen Ein-/Ausschaltverhältnissen einen Sollwert für die Einzeit abzuleiten und in Abhängigkeit von festgestellten Einzeitverhältnissen den Durchsatz zu steuern.

5. Eine Durchflusssteuerung bzw. ein Steuerverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung des Einzeit-Istwert/Einzeit-Sollwert-Vergleiches in ein Durchsatzsteuersignal durch eine Transformationsregel oder einen Satz von Transformationsregeln erfolgt, der eine Aenderung des Durchsatzes in einer bestimmten Richtung festsetzt, ohne aber einen Zielwert für den Durchsatz festzusetzen.

6. Eine Durchflusssteuerung bzw. ein Steuerverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für eine positive wie auch für eine negative Aenderung ein maxi. maier Aenderungswert vorbestimmt wird.

7. Eine Durchflusssteuerung bzw. ein Steuerverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass keine Aenderung vorgesehen wird, wenn der Istwert sich innerhalb einer gegebenen Bandbreite um den Sollwert befindet.