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Die Erfindung betrifft einen Stellungsregler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In sicherheitsgerichteten Kreisen, insbesondere in der chemischen Industrie oder in Kraftwerken werden Sicherheitsventile eingesetzt. Sie dienen für einen Notfall und müssen stets zuverlässig steuerbar sein. Das Sicherheitsventil wird über ein Stellgerät, das einen pneumatischen Stellantrieb und eine Antriebsstange umfasst, translatorisch oder rotatorisch betätigt.
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Es ist bekannt, das Stellgerät mit einer Diagnoseeinrichtung zu überprüfen. Hierbei wird beispielsweise eine Schließ- und Öffnungsfunktion überprüft. Beispielsweise kann ein Weg-Zeitdiagramm einer Stellgerätbetätigung, eine Endlage oder auch eine andere Größe aufgezeichnet werden. Das Stellgerät ist an einem Stellungsregler angeschlossen, der am Stellgerät montiert ist. Der Stellungsregler ermittelt praktisch Diagnosedaten.
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Der Stellungsregler wird zum Beispiel durch eine 24 V-Versorgungsleitung versorgt. Eine Ventilschließfunktion wird aus Sicherheitsgründen über eine vollständige Abschaltung der Spannungsversorgung erreicht. Hierbei ist nachteilig, dass in diesem Fall keine Diagnosedaten wegen einer fehlenden Betriebsspannung für einen Mikroprozessor erhoben werden können.
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Batterien oder zusätzliche Versorgungsleitungen sind zwar möglich, jedoch in explosionsgefährdeten Einsatzbereichen nicht erwünscht.
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Bekannt ist das sogenannte „live zero” Verfahren. Hierbei wird eine Öffnungs- und Schließfunktion des Ventils über zwei Strompegel erreicht, und zwar bei 4 oder 20 mA. Bei 4 mA wird eine Schließfunktion und bei 20 mA eine Öffnungsfunktion realisiert. Der geringe Strom von 4 mA wird jedoch genutzt, um einen Mikroprozessor weiter mit Energie zu versorgen, so dass im Fall einer Abschaltung Diagnosedaten erhoben werden können.
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Aus der
WO 99/21066 A1 ist ein Stellungsregler für ein Stellgerät eines Sicherheitsventils bekannt, der eine Diagnoseeinheit aufweist. Mit der Diagnoseeinheit soll eine Verifikation eines fehlerfreien Betriebs möglich sein. Der Stellungsregler umfasst eine mit dem Stellgerät verbundene Steuereinheit, eine mit der Steuereinheit verbundene Mikroprozessoreinheit und eine mit dieser verbundenen Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einer Anzeigeeinheit. Der Stellungsregler wird durch eine 24 V-Spannung versorgt. Wenn die Spannung auf null fällt, dann wird das Stellgerät unter Federwirkung betätigt bzw. bewegt sich in eine Sicherheitsposition, wobei das Stellgerät durch Druckentlastung aktiviert wird. Die Mikroprozessoreinheit führt intervallartige Diagnosen durch. Während eines normalen Betriebs werden die Diagnose-Tests am Stellgerät von der Mikroprozessoreinheit intervallartig durchgeführt. Bei Auslösung einer Notfunktion wird ein Signal direkt von einem separaten Sicherheitssystem ausgegeben. Der Regler umfasst außerdem ein Düse/Prallplattensystem für die Notschließfunktion und getrennt davon ein Düsen/Prallsystem für die Diagnosefunktion. Dieser Aufbau hat den Nachteil, dass ein Fehler im Düse/Prallsystem durch die Diagnose nicht erkannt wird.
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Nachteilig ist jedoch, dass der Mikroprozessor bei diesem Spannungsabfall nicht weiter mit Energie versorgt wird und dann nicht mehr arbeiten kann. Die Sicherheitsfunktion hat daher eine höhere Ausführungspriorität als die Diagnosefunktion, die bei der Notfunktion nicht ausgeführt werden kann.
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Die
DE 44 29 401 C2 offenbart einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb mit einer auf dem Prinzip eines I/P-Umsetzers beruhenden, pneumatischen Steuerstufe. In einem elektrischen Ansteuerweg zwischen einer Elektronik und der Steuerstufe ist ein Schaltelement vorgesehen, welches bei einer Betriebsstörung die elektrische Ansteuerung der Steuerstufe trennt, so dass diese eine Sicherheitsposition einnimmt und der druckmittelbetriebene Stellantrieb entlüftet wird. Die Elektronik wird über eine 4 bis 20 mA Leitung versorgt, und zwar nach dem sogenannten „live zero” Prinzip. D. h., dass der Strom für eine Entlüftung des Stellantriebes nicht null ist, sondern 4 mA. Dadurch kann die Elektronik mit Energie versorgt werden. Der Schalter ist ein Relaisschalter, wobei das Relais über eine zur 4 bis 20 mA Leitung separaten Leitung gesteuert wird. Diese Zusatzleitung kann jedoch in explosionsgefährdeten Räumen zu Problemen führen. In jedem Fall stellt sie einen erheblichen Zusatzaufwand dar.
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Weiterhin ist aus der
EP 1 161 636 B1 ein Notabschaltsystem mit einem Notventil bzw. Sicherheitsventil bekannt, bei dem eine elektrische Schaltung zwischen einer Magnetventilsteuereinheit und einer Not-Steuereinrichtung geschaltet ist. Durch die aus Widerständen, einem Kondensator und einem Halbleiterelement bestehende Schaltung wird eine Impedanzwandlung erreicht. Ziel der Impedanzwandlung ist es, den Spannungsausgang der Notabschaltungssteuerung an den Stromeingang der digitalen Ventilsteuerung anzupassen. In dieser Lösung sind die Einrichtungen zur Diagnose und Abschaltung des Stellgliedes getrennt aufgebaut. Auch hier ist eine Diagnose bei Ausführung der Notfunktion nicht möglich.
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Die
DE 41 05 062 A1 offenbart einen elektropneumatischen Stellungsregler mit Pulsbreitenansteuerung, wobei ein I/P Umsetzer in Form eines Ventils pulsbreitenmoduliert gesteuert wird, wobei die Amplitude des Signals die Geschwindigkeit der Ventilbewegung wiedergibt. Die
DE 698 29 403 T2 offenbart ein gattungsgemäßes Stellventil mit Diagnosefunktion.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellungsregler der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, der einerseits eine Diagnosemöglichkeit unter Verwendung des „live zero” Prinzips erlaubt, aber zudem auch in explosionsgefährdeten Räumen einsetzbar ist. Darüber hinaus soll eine Diagnose, beispielsweise die Erstellung eines Weg-Zeitdiagramms einer Stellgerätbetätigung möglich sein, auch wenn ein in einer Versorgungsleitung fließender Strom unter einem festgelegten Wert sinkt, beispielsweise zur Entlüftung eines pneumatischen Antriebes. Zudem soll der Stellungsregler sehr zuverlässig arbeiten. Entscheidend ist, dass ein sicheres Entlüften des angeschlossenen pneumatischen Antriebes auch bei fehlerhafter Funktion des Diagnosegerätes durchgeführt wird. Eine fehlerhafte Funktion liegt beispielsweise dann vor, wenn durch elektrische Signale die Schließstellung des Stellgerätes angefordert wird und der Stellungsregler nicht den pneumatischen Ausgang entlüftet, z. B. durch ein fehlerhaftes Signal des Diagnosegerätes an den I/P-Umsetzer.
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Diese Aufgabe wird durch einen Stellungsregler nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Durch die Erfindung werden keine zusätzlichen Leitungen zur Ansteuerung des Schalters, der zur Steuerung des pneumatischen Antriebes über den I/P-Umsetzer vorgesehen ist, benötigt. Dies wirkt sich günstig bei einem Einsatz in explosionsgefährdeten Räumen oder auch bei Nachrüstung von Altanlagen aus. Über eine vorzugsweise 4 bis 20 mA Versorgung wird eine Offenstellung und eine Schließstellung des Stellgerätes erreicht. Hierbei ergeben sich durch die vorhandene Strom- bzw. Spannungsversorgung Diagnosemöglichkeiten, auch wenn der pneumatische Antrieb entlüftet wird bzw. eine Ventilschließstellung gegeben ist.
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Ein sicheres Entlüften des pneumatischen Antriebes sowie eine notwendige Freischaltung des IP-Umsetzers im Falle einer Ansteuerung von insbesondere 4 mA wird erreicht, indem die erfindungsgemäße Zusatzschaltung vorhanden ist. Diese besteht vorzugsweise aus Elektronikkomponenten hoher Zuverlässigkeit, insbesondere aus einem Widerstand und einer Diode. Die Zusatzschaltung überwacht den Eingangsstrom des Stellungsreglers, wobei ein Ausgang der Zusatzschaltung auf den Schalter am Eingang des IP-Umsetzers wirkt. Liegt die Spannung bzw. der Strom oberhalb eines festgelegten Wertes, z. B. 8 mA, dann wird der IP-Umsetzer insbesondere durch eine Datenverarbeitungseinheit, welche die Funktionalität eines Stellungsreglers mit Diagnoseeinheit umfasst, angesteuert. Sinkt der Strom unter den festgelegten Wert, so wird der Eingang des IP-Umsetzers über die Zusatzschaltung und den Schalter stromlos geschaltet, d. h. durch fehlenden Strom (null) derart angesteuert, dass der Ausgang des Stellungsreglers den pneumatischen Antrieb entlüftet. Gleichzeitig wird aber beispielsweise ein in der Datenverarbeitungseinheit angeordneter Mikroprozessor und insbesondere auch ein Wegsensor weiterhin mit Energie versorgt, so dass in einem solchen Fall die Ermittlung von Diagnosedaten möglich ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Stellungsreglers ist vorgesehen, dass eine an die Versorgungsleitung angeschlossene Diagnoseeinheit zur Erhebung von Diagnosedaten des Stellbetriebs vorhanden ist. Die Diagnoseeinheit erlaubt Tests bezüglich einer Schließ- und Öffnungsbewegung des Stellgerätes. Die Diagnosedaten können durch den insbesondere vor Ort am Stellgerät montierten Stellungsregler ermittelt werden. Eine Erhebung von Diagnosedaten sogar im Moment eines Abschaltens durch das Ventil ist möglich.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Datenverarbeitungseinheit mit dem Schalter verbunden ist, wobei der Schalter zwischen der Datenverarbeitungseinheit und dem IP-Umsetzer verbunden ist. Hierdurch kann einerseits der Stellungsregler ein Magnetventil ersetzen und andererseits kann das Stellgerät so zu Testzwecken (Partial-Stroke) eingestellt werden bzw. nur zu 10% verfahren werden, dass dieses geprüft werden kann, ohne dass ein Prozessablauf gestört wird. Da Sicherheitsventile sehr selten zum Einsatz kommen, ist es wichtig die Funktionsfähigkeit regelmäßig zu überprüfen, so dass im Ernstfall eine sichere Notventilfunktion vorhanden ist.
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Die Datenverarbeitungseinheit dient vorzugsweise zur Aufzeichnung eines Weg/Zeitdiagramms einer Stellgerätbetätigung und/oder daraus abgeleiteter Größen, insbesondere eine Verfahrenszeit des Ventils, einer Totzeit, einer T63 oder T96 Größe. Solche Aufzeichnungen dienen dem Nachweis einer Funktionsfähigkeit des Ventils.
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Eine weitere bevorzugte Maßnahme zeichnet sich dadurch aus, dass ein Timer eingesetzt wird, der intervallmäßig den Schalter kurzzeitig schließt, so dass die Datenverarbeitungseinheit den IP-Umsetzer für eine Diagnose des Stellgerätes ansteuert. Dadurch werden Diagnoseintervalle automatisch eingehalten.
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Für eine Wegerfassung ist es günstig, wenn die Datenverarbeitungseinheit mit einem Wegsensor zur Erfassung einer Stellgliedbewegung, vorzugsweise über eine Ventilstange, versehen oder verbindbar ist. Der Wegsensor kann als induktiver Sensor oder als elektromechanischer Sensor ausgebildet sein.
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Für sicherheitsgerichtete Kreise ist es von besonderer Bedeutung, dass durch den IP-Umsetzer das Ventil über einen begrenzten Stellweg, insbesondere etwa 10%, verfahrbar ist, um diesen bzw. das Stellgerät ohne eine Anlagenunterbrechung zu testen.
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Eine sehr zuverlässige Funktion der Zusatzschaltung wird insbesondere erreicht, wenn die den Strom überwachende Schaltung aus einem in der Versorgungsleitung geschalteten Widerstand und einer Diode besteht.
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Bewährt hat sich ein Live-Zero-Prinzip, bei dem der Stellungsregler mit 4 bis 20 mA versorgt wird, wobei 20 mA einer Offenstellung des Schalters und 4 mA einer Schließstellung des Schalters zugeordnet ist. Liegt der Strom oberhalb eines festgelegten Wertes, z. B. 8 mA, so wird der IP-Umsetzer durch die Datenverarbeitungseinheit angesteuert.
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Nach der Erfindung wird vor allem ein Entlüften des angeschlossenen pneumatischen Antriebes auch bei fehlerhafter Funktion des Diagnosegerätes durchgeführt. Die Entlüftung wird dann bei der fehlerhaften Funktion durch Hardwardwarekomponenten gewährleistet, die entsprechend der Norm DIN EN 50020:2002 als nicht störanfällige Bauteile bewertet werden, z. B. ein Widerstand und/oder eine einfache Diode, und somit keine softwareprogrammierte oder durch Halbleiterfunktionen programmierte Ablaufsteuerung verwendet wird.
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Die Diagnose wird dabei insbesondere auch bei Anforderung der Schließfunktion an das Stellgerät durchgeführt. Durch die Diagnose wird die Funktionsfähigkeit des Stellgerätes als auch die des I/P-Umsetzers getestet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Beschreibung, in den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und in der Zeichnung werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
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1 eine schematische Darstellung eines bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers.
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Ein Stellgerät 1 zum Betätigen eines ein Stellglied aufweisendes Sicherheitsventils 2 bzw. Notventils umfasst einen pneumatischen Stellantrieb 4 mit Federrückstellung und eine Ventilstange 3, die mit dem Stellglied verbunden ist. Der pneumatische Stellantrieb 4 ist mit einem pneumatischen Ausgang 14 eines erfindungsgemäßen Stellungsreglers 5 verbunden.
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Der Stellungsregler 5 umfasst einen I/P-Umsetzer 7 bzw. I/P-Umsetzer, einen Wegsensor 8, eine Datenverarbeitungseinheit 9, einen Schalter 10 sowie erfindungsgemäß eine Zusatzschaltung 11.
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Der I/P-Umsetzer 7 ist auf der elektrischen Seite mit dem Schalter 10 verbunden, wobei der Schalter 10 andererseits mit der Datenverarbeitungseinheit 9 verbunden ist, so dass bei geöffnetem Schalter 10, der I/P-Umsetzer 7 stromlos wird. Bei geschlossenem Schalter 10 kann die Datenverarbeitungseinheit 9 ein Signal liefern, um den pneumatischen Stellantrieb 4 über den I/P-Umsetzer 7 nur teilweise zu Testzwecken zu schließen. Wenn jedoch der Schalter 10 offen ist, wird diese Diagnosefunktion im Notfall bzw. im Fall, dass das Sicherheitsventil zu 100% schließen soll, außer Funktion gesetzt.
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Der Wegsensor 8 ist mit der Ventilstange 3 verbunden und liefert der Datenverarbeitungseinheit 9 ein Signal, um beispielsweise ein Weg/Zeitdiagramm zu erstellen oder eine Verfahrenszeit, eine Totzeit sowie T63 und T96 festzustellen.
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Die Diagnoseeinheit bzw. Datenverarbeitungseinheit 9 umfasst einen Mikroprozessor und einen oder mehrere Speicher, z. B. RAM und ROM. Diese wird über einen Anschluss, insbesondere einen Zweileiteranschluss bzw. einer Versorgungsleitung mit Energie versorgt, und zwar nach dem Live-Zero-Prinzip. Dieses beruht darauf, dass der Stellungsregler mit 4 bis 20 mA versorgt wird.
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Erfindungsgemäß ist der Schalter 10 über eine an der Versorgungsleitung 6 in dem Stellungsregler 5 liegende und den Strom der Versorgungsleitung 6 überwachende Zusatzschaltung ansteuerbar ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Schalter 10 ein Relais. Alternativ kann ein Halbleiterschalter, Optokoppler, oder ein Solid State Relais eingesetzt werden.
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Die Zusatzschaltung 11 besteht im einfachsten Fall aus einem Reihenwiderstand 12, der in Leitung 6 liegt und einer Diode 13. Die Diodenkennlinie sorgt für die Freigabe des Schalters 10 sobald der Strom über die Versorgungsleitung 6 einen Schwellenwert von z. B. 8 mA übersteigt. Liegt ein Strom von 20 mA in der Leitung 6 vor, dann ist eine relativ hohe Spannung am Widerstand 12 vorhanden, wobei dann Diode durchsteuert, so dass der Schalter 10 geschlossen ist. In diesem Fall ist der I/P-Umsetzer 7 mit der Datenverarbeitungseinheit 9 verbunden und kann zu Diagnosezwecken des Ventils 2 den Druck auf den pneumatischen Stellantrieb 4 verändern. Sinkt der Strom auf 4 mA, was einem Notfall entspricht, dann reicht die an der Diode anliegende Spannung nicht aus, die Diode sperrt und Schalter 10 öffnet. Der Strom in dem I/P-Umsetzer 7 wird zu null, wobei der Stellantrieb 4 entlüftet wird. Der Stellantrieb 4 steht vorzugsweise unter Federspannung und schließt dann das Sicherheitsventil 2.
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Die Besonderheit der Zusatzschaltung 11 besteht darin, dass sie ohne eine zusätzliche Leitung eine Energieversorgung der Datenverarbeitungseinheit 9 sicherstellt und andererseits aber eine Diagnose und zum Beispiel ein Weg/Zeitdiagramm auch im Notfall (Ventilschließstellung) ermöglicht. Trotzdem ist ein sicheres Entlüften des Stellantriebes 4 gewährleistet, selbst im Falle einer Fehlfunktion der Datenverarbeitungseinheit 9. Eine Fehlfunktion der Datenverarbeitungseinheit 9 könnte beispielsweise ein falsches Signals an den I/P-Umsetzer 7 bilden.
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Alternativ kann die Zusatzschaltung 11 bzw. das Zusatzmodul auch eine Hardwarekomponente oder ein Softwaremodul im Mikrorechner sein.
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Das Zusatzmodul 11 – elektrische Vorrichtung 11 – ist zum Beispiel so ausgelegt, dass aus einem digitalen Protokoll das Abschaltsignal mit einfachsten, zertifizierungsfähigen Mitteln ausgefiltert wird und damit entsprechend der Anschaltung des IP-Modules-I/P-Umsetzers 7 – eingeleitet wird. In diesem Zusammenhang ist auch bei Ausfall des Protokolls ein „Abschalten aus Sicherheitsgründen” möglich.
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Überraschenderweise stellt sich heraus, dass mit der beschriebenen Anordnung auch der komplette Pneumatikteil des Stellungsreglers 5 durch den Test und die damit verbundene Diagnose mit erfasst wird. Aus dem Bewegungsverhalten des Stellgerätes 1 während des Testlaufes kann durch die ermittelten Parameter einwandfrei der Gutzustand des IP-Umsetzers 7 festgestellt werden. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen Verfahren oder Aufbauten dar, bei denen die Pneumatik zur Durchführung der Diagnose getrennt von der Pneumatik zur Ansteuerung der Notfunktion aufgebaut ist. In diesem Fall ist ein Fehler in der Pneumatikeinheit der Notfunktion durch die Diagnosefunktion nicht erkennbar.
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Die beschriebene Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine Diagnose gerade für und während des Falles der Abforderung der Schließfunktion und nicht nur in Zeiten der Nicht-betätigung möglich ist.
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In einer Abwandlung des im vorstehenden beschriebenen Aufbaus oder Verfahrens kann die Steuerung der Bewegung des Stellgliedes durch das Eingangssignal erfolgen. Zum Beispiel kann die Durchführung eines Hubes von 100% auf 90% des Stellgliedes zu Diagnosezwecken durch ein Absenken des Signales von 20 mA auf 18,4 mA signalisiert werden. In diesem Fall wäre der Stellungsregler 5 sehr einfach nur so aufzubauen, dass das Ausgangssignal für den pneumatischen Ausgang 14 dem Eingangssignal über die Versorgungsleitung 6 folgt. Die Diagnoseeinheit 9 würde dann nur passiv die Wegsignale aufzeichnen und in geeigneter Weise an die übergeordnete Steuereinheit rückmelden.
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Durch einen Stellungsregler nach Anspruch 1 wird also bei verbessertem Explosionsschutz eine Diagnose auch bei freigeschaltetem IP-Umsetzer ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stellgerät
- 2
- Sicherheitsventil
- 3
- Ventilstange
- 4
- Pneumatischer Stellantrieb
- 5
- Stellungsregler
- 6
- Versorgungsleitung
- 7
- I/P-Umsetzer
- 8
- Wegsensor
- 9
- Datenverarbeitungseinheit
- 10
- Schalter
- 11
- Zusatzschaltung
- 12
- Reihenwiderstand
- 13
- Diode
- 14
- Pneumatischer Ausgang
