Neuartige Lackierprozesse mit Robotern fordern einen kurzen Schlauch zwischen Lackdruckregler und Verbraucher bzw. Sprühkopf, und werden frequent und steilflankig geschaltet. Zum Vermeiden bzw. Lösen seltener und harter Probleme im Zusammenhang mit Lackdruckreglern sollte man um den folgenden Sachverhalt wissen.
Im Unterschied zu Luftdruckreglern, müssen Lackdruckregler für oft zu wechselnde Arbeitsmaterialien gut spülbar sein (Lackwechsel). Komplizierte Lackdruckregler mit separatem Rückkoppelkanal (Nebenstrom-Regler) sind nicht gut spülbar. Deshalb werden Lackdruckregler als Hauptstrom-Regler realisiert. Diese können aber nur dann rückkoppeln und regeln, wenn sie aktiv durchflossen werden UND, wenn unter ihrer Membrane Druck aufbaut! Anderenfalls funktionieren sie als Drossel. Diese Art Regler werden auch Durchfluss-Regler genannt.
Unerfahrene Mitarbeiter machen manchmal den Fehler mechanisch einstellbare Lackdruckregler ohne aktiven Durchfluss "einzustellen", zudem noch mit geschlossenem Ventil am Verbraucher bzw. Sprühkopf. Der Regler und das Manometer reagieren erwartungsgemäß auf Erhöhen des Drucks, aber in der Regel nicht auf Verminderung des Drucks (Lackdruckregler können nicht abblasen). Erst beim Lackieren manifestiert sich dann das "unerklärliche" Ergebnis einer Einstellung ohne aktiven Durchfluss. Pneumatisch steuerbare Lackdruckregler sind aufgrund der übergeordneten elektronischen Regelung weniger problematisch als mechanisch einstellbare Lackdruckregler. APSON empfiehlt unbedingt Schulung.
Die einfache Bauart der Lackdruckregler, im Folgenden einfach Regler genannt, täuscht all zu leicht über deren wirkliche Funktionsweise. Regler von APSON sind robust und ausgereift. Sie eignen sich speziell für Lackier-Anwendungen in der Automobil-Industrie. Das richtige Auswählen und Anwenden der Regler sowie das Vermeiden bzw. Lösen von eventuellen Problemen erfordert einiges Wissen über Regelstrecken und Regler, besonders im Fall von mechanisch einstellbaren Reglern. Zum stabilen regeln, ist die Regelstrecke so zu planen, dass sie möglichst nicht mehr als zwei wirkende Energiespeicher bilden kann.
Elemente einer Regelstrecke einer Lackier-Anwendung sind Schläuche, Zerstäuber, Schalt-Blöcke und Ventile. A: Schläuche die nicht als Spulen verlegt sind, und in denen Arbeits-Material nicht allzu schnell fließt, sind induktive Energie-Speicher mit kleinem Energie-Inhalt. Die Auswirkungen solcher Speicher auf eine Strecke ist in der Regel vernachlässigbar. B: Schläuche und Steigrohre mit Gas-Blasen unter Druck, und Räume mit beweglicher Membrane, deren beide Seiten mit Kräften beaufschlagt sind, sind kapazitive Energie-Speicher. Auswirkungen dieser Art auf Strecken sind nicht vernachlässigbar. Die Anzahl dieser relevanten und wirkenden Speicher bestimmen das reale Verhalten einer Strecke und den Aufwand zum Bewerkstelligen einer guten Regelung.
Die Sprungantwort eines Lackdruckreglers zeigt in welcher Weise die Regelgröße auf eine sprunghafte Änderung der Druck-Verhältnisse an seinem Einlass und/oder an seinem Auslass – wegen der fast 100% Rückkopplung – reagiert. Der Fluss und Druck einer Flüssigkeit in einer Strecke ohne Gas-Blasen pflanzen sich unverzögert fort. Die Regelgröße ändert sich dann proportional (P) und unverzögert mit der Stellgröße.
Unproblematisch sind Strecken mit linearem Verhalten und mit nur einem Speicher – der Lackraum unter der Membrane im Regler. Ein Speicher reagiert stetig, aber die Regelgröße folgt der Stellgröße zeitlich etwas verzögert (T). Die Strecke hat dann P und T Charakteristik. Sie verhält sich wie eine P-T1 Strecke (T1 = 1 Speicher) und erfordert zum stabilen Regeln einen passenden Lackdruckregler. Anwendungen mit mehreren wirkenden Energiespeichern, neigen leichter zu chaotischem Schwingen oder zu anderen Problemen. Desweiteren haben Strecken mit nichtlinearem Verhalten an jedem Betriebspunkt ein anderes dynamisches Verhalten der Regelgröße.
Regler unterscheiden sich grundsätzlich von Steuer-Geräten dadurch, dass Regler vom Ausgang auf den Eingang rück-koppeln. Umfangreiche Literatur hierzu gibt es im Web. Eine Regelung wird hauptsächlich durch die PID-Parameter des Reglers bestimmt. Parameter sind Bei-Werte zum Beeinflussen der Art und Weise einer Regelung. Der Proportional-Beiwert P steht für die statische Stärke der Rückkopplung. Der Integral-Beiwert I und der Differential-Beiwert D bestimmen gemeinsam das dynamische Verhalten eines Reglers bei Änderungen der Verhältnisse am Eingang und am Ausgang!
Elektronische Regler, zum Beispiel, haben manifeste Rückkopplung durch dezidierte Module bzw. Kanäle. Normalerweise sind alle drei Parameter einzeln einstellbar. Lackdruckregler sind PI-Regler (sie haben keine D-Komponente). Desweiteren müssen sie spülbar sein und haben deshalb keine dezidierten Kanäle zum Rückkoppeln. Sie sind Hauptstrom-Regler und rückkoppeln direkt durch den Arbeitsmaterial-Strom. Sie sind ganz normal einstellbar, aber die "Parameter" sind endgültig (festgelegt durch die physische Struktur und Geometrie). Speziell im Fall von mechanisch einstellbaren Reglern PRM-xxx sollte ihr Arbeitsbereich mit dem geforderten Arbeitsbereich der Anwendung möglichst übereinstimmen.
Fig. 1: Lackdruckregler – Aufbau, Funktions-Schemata, Schaltbilder
w(t)=Führungsgröße, u(t)=Stellgröße, e(t)=w(t)−u(t)=Regelabweichung, A, Z = Übertragungsfunktionen,
M=Membrane mit Stift, K=Kugel, F=Druckfeder
Es gibt zwei Arten Regler von APSON. Die pneumatisch steuerbaren Regler PRP-xxx werden per Druckluft P gesteuert. Die mechanisch einstellbaren Regler PRM-xxx werden per Einstell-Mutter N und Druckfeder F eingestellt. Diese sind am Ausgang mit einem Manometer bestückbar. Für jede Regler-Art gibt es mehrere Typen. Lackdruckregler öffnen immer dann, wenn die Kraft über der Membrane M größer ist als die Kraft unter ihr. Dann drückt die Membrane per Stift S auf die Kugel K, und öffnet die Drossel zwischen Einlass und Auslass. Aber, Lackdruckregler beginnen erst dann zu regeln, wenn unter der Membrane – während Arbeitsmaterial durchfließt – Druck aufbaut! Nur dann sind diese Regler sinnvoll einstellbar bzw. ablesbar. Weil Lackdruckregler direkt durch den Materialstrom rückkoppeln, haben diese nahezu 100% Rückkopplung und reagieren stark auf Schaltvorgänge und Druckschwankungen am Ausgang!
Die "Parameter" der Regler-Typen von APSON stammen aus langjähriger Erfahrung und sind in der Bauart der Typen festgelegt (dies ist physisch nicht umgehbar)! Die Regler-Typen sind so ausgelegt, dass deren jeweiliger Arbeitsbereich möglichst groß ist. Zum Auswählen eines optimalen mechanisch einstellbaren PRM-xxx Typs empfiehlt APSON echte Simulationen mit schaltenden Ventilen, unter Produktions-Bedingungen. Das Auswählen eines optimalen pneumatisch steuerbaren PRP-xxx Typs ist weniger kritisch, weil Regler dieser Art in ein übergeordnetes Regel-System integriert werden (siehe Fig. 2).
Wichtig: Ein Regler-Typ ist so zu wählen, dass der Arbeitsbereich des Reglers, den geforderten Arbeitsbereich der Anwendung möglichst "überdeckt". Alle Ventile für Spül-Prozesse sollten unbedigt mit Rückschlag-Ventilen R bestückt werden. Für "gleichzeitiges" Schalten von mehreren Ventilen, ist deren Trägheit zu berücksichtigen. Pro Regler sollte man nur einen einzigen Verbraucher vorsehen. Bei mehreren Verbrauchern, müssen alle Verbraucher-Stränge die gleiche Impedanz haben. Sie dürfen nur paarweise um-geschaltet werden. Eventuell ist eine Schulung durch APSON sinnvoll. Der Druck am Eingang sollte möglichst geglättet sein, und sollte nicht viel größer gewählt werden als der geforderte Druck am Ausgang. An dem O-Ring in der Drossel ist dann weniger Druck abzubauen. Der O-ring erleidet dann weniger Kavitation und hält länger. Die Lebensdauer einer Membrane hängt stark von ihrer Beanspruchung ab. Deshalb ist diese mindestens alle 6 Monate pro-aktiv zu prüfen und bei zu starker Verbeulung auszutauschen.
Fig. 2: Typische Anwendung mit PRP-xxx und PRM-xxx
Die "Parameter" pneumatisch steuerbarer Regler PRP-xxx sind quasi änderbar – mittels eines übergeordneten elektronischen Regel-Systems. Dieses verhält sich dann ähnlich wie ein elektronischer Regler. Es hat eine Gesamt-Rückkopplung per Sensor S (für Druck oder Durchfluss-Leistung), vom Ende der Regelstrecke. Ein System dieser Art erfordert zusätzlich einen elektronischen Regler (PC oder SPS), ein elektro/pneumatisches Proportional-Ventil (auch ein Regler!), und den Sensor. Der PC misst und verarbeitet die Regelgröße y(t) und steuert den Regler, als übergeordnete Regel-Schleife, per Proportional-Ventil. Solche Systeme sind für Anwendungen im Lack-Bereich vorgesehen. Sie sind aufwändiger, und weniger empfindlich gegen die effektive Störgröße d(t) auf ihrer Regelstrecke. Für anspruchsvolle Anwendungen mit präziser Dosierung, ist nach dem PRP-xxx Regler eine Zahnrad-Pumpe DP mit Schritt-Motor SM vorzusehen. Die Regelstrecke für Lack endet dann am Eingang der Zahnrad-Pumpe. Dann funktioniert der Regler als Druck-Minderer und als Pumpen-Schutz. Für den konkreten Fall, entfallen eventuell einige Komponenten, zum Beispiel der Sensor, und andere Komponenten kommen hinzu. Bei Fragen stehen wir gerne zur Verfügung.
Die "Parameter" mechanisch einstellbarer Regler PRM-xxx sind nicht änderbar. Deshalb sind diese Regler-Typen speziell auszusuchen, siehe weiter oben. Ihr Verhalten hängt stark ab vom dynamischen Verhalten ihres ausgangsseitigen Versorgungs-Strangs (Schläuche, Ventile und Zerstäuber). Diese Regler-Typen sind für weniger kritische Anwendungen im Lösemittel-Bereich vorgesehen. Im Falle von Problemen, ist der Ausgang eines Reglers zu entkoppeln, zum Beispiel mittels Schlauch mit adequatem Innendurchmesser. Falls der Zeiger am Manometer eines Reglers stark flattert, und dieses stört, wird ein gedämpftes Manometer empfohlen. Zum Lösen hartnäckiger Probleme, können nahe am Schalt-Block SB, Manometer angebracht werden. So werden die echten Druckwerte die am Zerstäuber wirken beobachtbar und das Verhalten der Anwendung wird leichter verstehbar.
Für spezielle Anwendungen, kann APSON bei genügend Vorlauf einen optimalen Regler-Typ entwickeln, testen und liefern.