Lackieranlage

German Patent DE102006061334

Lackieranlage in einer Kabine mit einer Steuerungseinrichtung, die auf Fuzzy-Logik basiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung ein Fuzzy-System aufweist, durch das eine Stellgröße (N_Pumpe) zur Einstellung einer vorgegebenen Kabinenluftfeuchte (M_KaSoll; x_GKaSoll) und eine Stellgröße (S_Ventil) zur Einstellung einer vorgegebenen Kabinentemperatur (T_KaSoll) ermittelbar ist, wobei das Fuzzy-System als Eingangsgrößen die gemessene Zulufttemperatur (T_Zu), die gemessene Zuluftfeuchte (M_Zu), die gemessene Kabinentemperatur (T_Ka) und die gemessene Kabinenluftfeuchte (M_Ka) erhält und dass das Fuzzy-System eine Fuzzy-Logik enthält, durch die die Stellgrößen (N_Pumpe, S_Ventil) unter Berücksichtung des Wassergehalts (x_G; x_GKa, x_GZu) oder der Luftfeuchte (M; M_Ka, M_Zu), der Enthalpie (h; h_Zu, h_KabSoll), des Wärmebedarfs (W) und der Luftmenge (m_Luft) bei definierten Zustandsübergängen ermittelbar sind.

Bachfischer, Stephan (93142, Maxhütte-Haidhof, DE)
Schaake, Andreas (01219, Dresden, DE)

DE102006061334A

08/13/2015

12/22/2006

Click for automatic bibliography generation

Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft, 80809 (DE)

B05B15/12 B05B12/12 F24F11/00 G05B13/02

DE102004063654A1	N/A	2006-07-13
DE10000862A1	N/A	2001-07-19
DE19940542A1	N/A	2001-03-01
DE4417188A1	N/A	1995-11-23
DE2827244C2	N/A	1984-01-12
DE3112063A1	N/A	1982-03-18

6848625	2005-02-01
EP1201319	2004-03-03

1. Lackieranlage in einer Kabine mit einer Steuerungseinrichtung, die auf Fuzzy-Logik basiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung ein Fuzzy-System aufweist, durch das eine Stellgröße (N_Pumpe) zur Einstellung einer vorgegebenen Kabinenluftfeuchte (M_KaSoll; x_GKaSoll) und eine Stellgröße (S_Ventil) zur Einstellung einer vorgegebenen Kabinentemperatur (T_KaSoll) ermittelbar ist, wobei das Fuzzy-System als Eingangsgrößen die gemessene Zulufttemperatur (T_Zu), die gemessene Zuluftfeuchte (M_Zu), die gemessene Kabinentemperatur (T_Ka) und die gemessene Kabinenluftfeuchte (M_Ka) erhält und dass das Fuzzy-System eine Fuzzy-Logik enthält, durch die die Stellgrößen (N_Pumpe, S_Ventil) unter Berücksichtung des Wassergehalts (x_G; x_GKa, x_GZu) oder der Luftfeuchte (M; M_Ka, M_Zu), der Enthalpie (h; h_Zu, h_KabSoll), des Wärmebedarfs (W) und der Luftmenge (m_Luft) bei definierten Zustandsübergängen ermittelbar sind.

2. Lackieranlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wassergehalt der Kabinenluft (x_GKa) abhängig von der gemessenen relativen Kabinenluftfeuchte (M_Ka) und der gemessenen Kabinentemperatur (T_Ka) bestimmt wird.

3. Lackieranlage nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wassergehalt der Zuluft (x_GZu) abhängig von der gemessenen relativen Zuluftfeuchte (M_Zu) und der gemessenen Zulufttemperatur (T_Zu) bestimmt wird.

4. Lackieranlage nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Enthalpie (h_Zu) der Zuluft abhängig von der gemessenen Zulufttemperatur (T_Zu) und dem Wassergehalt der Zuluft (x_GZu) bestimmt wird.

5. Lackieranlage nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Soll-Enthalpie (h_KabSoll) der Kabine abhängig von dem Sollwert der Kabinentemperatur (T_KabSoll) und dem Sollwert des Wassergehalts der Kabinenluft (x_GKaSoll) oder der Kabinenluftfeuchte (M_KaSoll) bestimmt wird.

6. Lackieranlage nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Enthalpiedifferenz (Δh) zwischen der Enthalpie (h_Zu) der Zuluft und der Soll-Enthalpie (h_KabSoll) der Kabine bestimmt wird.

7. Lackieranlage nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zuzuführende Wärme (Wärmebedarf W) abhängig von der Enthalpiedifferenz (Δh) und der Luftmenge (m_Luft) bestimmt wird.

8. Lackieranlage nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ermittelten Wärmebedarf (W) über eine empirisch ermittelte und im Fuzzy-System abgespeicherte Tabelle ein Stellgrößen-Wert (s_Ventil) zur Einstellung einer vorgegebenen Kabinentemperatur (T_KaSoll) zugeordnet wird.

9. Lackieranlage nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer ermittelten Wassergehaltsdifferenz (Δx_G) über eine empirisch ermittelte und im Fuzzy-System abgespeicherte Tabelle ein Stellgrößen-Wert (N_Pumpe) zur Einstellung einer vorgegebenen Kabinenluftfeuchte (M_KaSoll; x_GKaSoll) zugeordnet wird, wobei die Wassergehaltsdifferenz (Δx_G) abhängig von der vorgegebenen Kabinenluftfeuchte (M_KaSoll) oder dem vorgegebenen Kabinenwassergehalt (x_GKaSoll), dem Ist-Wassergehalt (x_GKa) der Kabine, dem Ist-Wassergehalt (x_GZu) der Zuluft und der Luftmenge (m_Luft) bestimmt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lackieranlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Lackieranlage ist beispielsweise aus der DE 199 40 542 A1 bekannt. Bei dieser Lackieranlage wird eine Fuzzy-Logik im Zusammenhang mit der Steuerung des Transports von elektrisch leitfähigem Lack angewendet.

Weiterhin ist aus der EP 1 201 319 B1 ein Beschichtungssystem bekannt, für das ebenfalls bereits grundsätzlich eine Fuzzy-Logik zum Einsatz kommt.

Aus der DE 100 00862 A1 ist eine Lackieranlage in einer Kabine mit einer Belüftungsvorrichtung, die bereits temperaturabhängig gesteuert wird, bekannt.

Es existieren Lackieranlagen mit Lackierkabinen, in denen an einem Stellplatz sowohl der Lackauftrag erfolgt als auch der aufgetragene Lack eingebrannt wird (Trocknungsbetrieb mit Spot Repair Verfahren). An diesen Anlagen müssen für den jeweiligen Prozessschritt unterschiedliche Prozessvorgaben eingehalten werden (z. B. Kabinentemperatur, Feuchte, Luftdurchsatz).

Für den Prozessschritt Lackieren wird im Vergleich zum Trocknungsbetrieb in der Regel deutlich mehr Energie an der Anlage verbraucht, um die erforderlichen Prozessvorgaben einzuhalten. (z. B. Lackierbetrieb mit hoher Enthalpie aufgrund eines hohen Luftdurchsatzes, definiertem hohen Feuchtegehalt der Luft und definierter Lufttemperatur gegen Trocknungsbetrieb mit niedriger Enthalpie, keine definierte Feuchte nötig).

An bekannten Lackier- und Lüftungsanlagen werden meist PID-Regler zur Sicherstellung von Sollwerten (Temperatur, Luftfeuchte, Luftdurchsatz) eingesetzt. Die Übergänge zwischen diesen beiden Systemzuständen (Lackierbetrieb zum Trocknungsbetrieb und umgekehrt) werden im Allgemeinen ebenfalls konventionell geregelt. Die einzelnen Systemgrößen bzw. die einzelnen Anlagenkomponenten (Heizregister für Temperaturregelung, Befeuchtereinheit für relative Luftfeuchte, Ventilatoren für Luftdurchsatz) können sich in ihrer gegenseitigen Regelung stören – vor allem während der Systemübergänge.

Bei gegenwärtigen Reglerstrukturen wird in der Regel davon ausgegangen, dass die gegenseitigen physikalischen Abhängigkeiten von Temperatur und Feuchte eine technisch nicht machbare gegenseitige Kaskadierung der Regelstrecken bedingen. Die Feuchte-, Temperatur- und Luftdurchsatzregelung wird dabei parallel betrieben.

Bei Systemübergängen (z. B. von Trocknen zu Lackieren) werden die Systemgrößen in der Regel mittels Rampenfunktionen konventionell ausgeregelt und auf die neuen Sollwerte übergeführt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Beeinflussung der einzelnen Stellgrößen untereinander hinsichtlich des Energieverbrauches an der Anlage zu berücksichtigen, um eine gezielte Energieeinsparung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird zur Energieeinsparung an der Anlage die Fuzzy-Logik eingesetzt. Die Energieeinsparungen werden dabei beim Übergang von einem Anlagensystemzustand in einen anderen erzielt (beispielsweise vom Lackierbetrieb in den Trocknungsbetrieb und umgekehrt) (siehe 7).

Als maßgebende Systemgrößen für die Fuzzy-Logik wird die Enthalpie eingeführt. Ferner werden der Wassergehalt, der Wärmebedarf sowie der erforderliche Luftmengendurchsatz an der Anlage als Systemgrößen herangezogen.

Die Ist-Werte der genannten Systemgrößen können über die Auswertung folgender Messwerte errechnet werden:

• – Kabinentemperatur
• – Zulufttemperatur
• – Kabinenfeuchte
• – Zuluftfeuchte

Die Regelung des erforderlichen Luftdurchsatzes an der Anlage erfolgt dabei nach wie vor mittels konventioneller Regelung.

Basierend auf den Ist- und Sollwerten „entscheidet” die Fuzzy-Logik wie die Befeuchtereinheit für die Luftfeuchte und die Heißwasserzuführung für die Kabinentemperatur angesteuert werden muss.

In der Zeichnung ist ein Grobschema der erfindungsgemäßen Logik dargestellt. Es zeigt

1 die Fuzzy-Eingriffspunkte in die Regelung,

2 die formalen Zusammenhänge zwischen bestimmten Messgrößen und der Fuzzy-Systemgröße „Wassergehalt”,

3 die formalen Zusammenhänge zwischen bestimmten Messgrößen und der Fuzzy-Systemgröße „Enthalpie”

4 die formalen Zusammenhänge zwischen bestimmten Messgrößen und der Fuzzy-Systemgröße „Zuzuführende Wärme”.

5 Überführung der Fuzzy-Ausgangsgröße „Wärmebedarf” in die Stellgröße „Stellweg Heißwasserventil”

6 Überführung der Fuzzy-Ausgangsgröße „Wassergehalt Kabinenluft” in die Stellgröße „Drehzahl Befeuchterpumpe”

7 Übergang Lackierbetrieb in den Trocknungsbetrieb und umgekehrt

8 mögliche Fuzzy-Zustandsübergänge

1 zeigt einerseits eine Übersicht über das Fuzzy-System und andererseits dessen Eingriffspunke in die Regelung der Luft-Feuchte und der Kabinen-Temperatur.

Die entscheidende Grundmenge des Gesamtsystems ist die dem System innewohnende Energie (= Enthalpie). Als Systemgrößen für die Fuzzy-Logik sind neben der Enthalpie h, der Wassergehalt x_G, der Wärmebedarf W sowie die durchgesetzte Luftmenge m_Luft entscheidend.

In den 2 bis 4 ist die formale Überführung der Messgrößen Kabinentemperatur, Kabinenluftfeuchte, Zuluft-Temperatur, Zuluft-Luftfeuchte in die einzelnen Fuzzy-Systemgrößen Wassergehalt, Enthalpie und zuzuführende Wärme grob skizziert dargestellt.

Die Überführung der Fuzzy-Ausgangsgrößen Wärmebedarf W und Wassergehalt Kabinenluft x_GKa in die Stellgrößen „Stellweg Heißwasserventil” S_Ventil und „Drehzahl Befeuchterpumpe” N_Pumpe erfolgt nach dem in 5 und in 6 jeweils dargestellten Grob-Schema.

Grundsätzlich weist die erfindungsgemäße Lackieranlage ein Fuzzy-System in einer Steuereinrichtung auf, durch das eine Stellgröße N_Pumpe zur Einstellung einer vorgegebenen Kabinenluftfeuchte M_KaSoll und eine Stellgröße S_Ventil zur Einstellung einer vorgegebenen Kabinentemperatur T_KaSoll ermittelbar ist. Dabei erhält das Fuzzy-System als Eingangsgrößen die gemessene Zulufttemperatur T_Zu, die gemessene Zuluftfeuchte M_Zu, die gemessene Kabinentemperatur T_Ka und die gemessene Kabinenluftfeuchte M_Ka. Das Fuzzy-System enthält eine Fuzzy-Logik, durch die die Stellgrößen N_Pumpe, S_Ventil unter Berücksichtung des Wassergehalts x_G; x_GKa, x_GZu oder der Luftfeuchte M; M_Ka, M_Zu, der Enthalpie h; h_Zu, h_KabSoll, des Wärmebedarfs W und der zugeführten Luftmenge m_Luft bei definierten Zustandsübergängen, insbesondere bei den Übergängen vom Lackierbetrieb in den Trocknungsbetrieb und umgekehrt, ermittelbar sind.

Vorzugsweise werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

• • Ein Wassergehalt der Kabinenluft x_GKa wird abhängig von der gemessenen relativen Kabinenluftfeuchte M_Ka und der gemessenen Kabinentemperatur T_Ka bestimmt.
• • Ein Wassergehalt der Zuluft x_GZu wird abhängig von der gemessenen relativen Zuluftfeuchte M_Zu und der gemessenen Zulufttemperatur T_Zu bestimmt.
• • Eine Enthalpie h_Zu der Zuluft wird abhängig von der gemessenen Zulufttemperatur T_Zu und dem Wassergehalt der Zuluft x_GZu bestimmt.
• • Eine Soll-Enthalpie h_KabSoll der Kabine wird abhängig von dem Sollwert der Kabinentemperatur T_KabSoll und dem Sollwert des Wassergehalts der Kabinenluft x_GKaSoll oder der Kabinenluftfeuchte M_KaSoll bestimmt.
• • Es wird eine Enthalpiedifferenz Δh zwischen der Enthalpie h_Zu der Zuluft und der Soll-Enthalpie h_KabSoll der Kabine bestimmt.
• • Die zuzuführende Wärme bzw. der Wärmebedarf W wird abhängig von der Enthalpiedifferenz Δh und der Luftmenge m_Luft bestimmt.
• • Dem ermittelten Wärmebedarf W wird über eine empirisch ermittelte und im Fuzzy-System abgespeicherte Tabelle ein Stellgrößen-Wert S_Ventil zur Einstellung einer vorgegebenen Kabinentemperatur T_KaSoll zugeordnet.
• • Es wird eine Wassergehaltsdifferenz Δx_G abhängig von der vorgegebenen Kabinenluftfeuchte M_KaSoll oder dem vorgegebenen Kabinenwassergehalt x_GKaSoll, dem Ist-Wassergehalt x_GKa der Kabine, dem Ist-Wassergehalt x_GZu der Zuluft und der Luftmenge m_Luft bestimmt. Der so ermittelten Wassergehaltsdifferenz Δx_G wird über eine empirisch ermittelte und im Fuzzy-System abgespeicherte Tabelle ein Stellgrößen-Wert N_Pumpe zur Einstellung einer vorgegebenen Kabinenluftfeuchte M_KaSoll zugeordnet.

In 7 ist im Zusammenhang mit den Übergängen vom Lackierbetrieb in den Trocknungsbetrieb und umgekehrt ein chronologischer Grobablauf mit den jeweiligen zulässigen Anlagenzuständen dargestellt. Bei einer kombinierten Lackier-/Trocknungskabine treten insbesondere zwei Anlagenzustände auf, die sich in ihrer Enthalpie bzw. in ihrem Energieverbrauch drastisch unterscheiden, z. B.:
Kabinenbedingung Lackieren (hoher Energiebedarf): Luftfeuchte 60%, Temperatur 22°C, Luftdurchsatz 56.000 m³/h
Kabinenbedingung Trocknen (niedriger Energiebedarf): Luftfeuchte offen, Temperatur offen, Luftdurchsatz 19.000 m³/h

Grundsätzlich soll durch die Erfindung eine maximale Energieeinsparung durch Ausnutzung aller zulässigen Prozessfreiheiten während der Zustandsübergänge und in den einzelnen Anlagenzuständen erreicht werden. Ein Beispiel für Fuzzy-relevante Zustandsübergänge ist in 8 dargestellt. Anschließend werden die Zustände vorher und nachher als Soll-Größen definiert.

Ergänzend wir darauf hingewiesen dass der Luftdurchsatz mit konventioneller Regelung ohne Fuzzy-Logik berücksichtigt wird: N_Zu(Drehzahl Ventilatorantrieb Zuluft) → m_Luft(Luftmenge)N_Ab(Drehzahl Ventilatorantrieb Abluft) → m'_Luft(Luftmenge)

Zur Auslegung der Anlage wird die Zuluftmenge herangezogen. Die Luftmengen der Zuluft für Ist- und Sollwert sind wiederum Fuzzy-Eingangsgrößen.

Die Erfindung ermöglicht ferner eine „Kühlung” der Kabineninnentemperatur (bei hohen Außentemperaturen > 24°C) durch Befeuchtung im Rahmen der Enthalpie.