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Die
Erfindung betrifft ein System zum Positionieren einer Stellarmatur,
insbesondere eines pneumatisch betriebenen Stellventils, wie eines
Schnellschlußsicherheitsventils.
Derartige Stellventile werden bevorzugterweise über einen pneumatischen Schwenkantrieb
betrieben. Im Normalbetrieb einer Prozeßanlage, wie einer petrochemischen
Anlage, in der ein Stellventil zum Öffnen und Schließen von
Fluidleitungen integriert sind, stellt der pneumatische Schwenkantrieb
einen Luftdruck bereit, der das Stellventil in verschiedene Öffnungspositionen
bringt, vorzugsweise in einer vollständig geöffneten Position hält. In einem
Notfall, bei spielsweise bei Stromausfall der Prozeßanlage,
wird der pneumatische Schwenkantrieb derart angesteuert, daß er entlüftet, so
daß eine
Vorspannung von in dem pneumatischen Schwenkantrieb integrierten
Feder frei gegeben werden kann, was das Stellventil ganz schließen läßt.
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Es
ist bekannt, derartige pneumatische Stellamatursysteme mit einem
Stellungsregler zu versehen. Ein Reglermikrorechner des Reglermikrorechners
erzeugt anhand eines Soll-Istwert-Vergleichs ein Positioniersignal zum
Stellen der Stellarmatur in die gewünschte Position. Besonders
betriebssichere Positioniersysteme für pneumatisch betriebene Stellarmaturen
können
dadurch geschaffen sein, daß neben
dem Stellungsregler eine davon unabhängige und selbständige Grenzlagengebereinrichtung
vorgesehen ist, welche vor allem überprüfen soll, ob gewünschte Position,
insbesondere eine Endstellung, des Stellventils tatsächlich eingenommen
worden ist.
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Ein
derartiges Positioniersystem ist beispielsweise aus der
WO 2005/093532 A1 bekannt, bei
dem sowohl ein Stellungsregler als auch ein Grenzlagengeber vorgesehen
ist. Der Grenzlagengeber kommuniziert über eine Leitung mit dem Stellungsregler,
in der eine Isolationseinheit integriert ist. Der Grenzlagengeber
hat eine eigene Stromversorgung und ist mit einem eigenen Mirkorechner
und Positionssensor ausgestattet, um seinen funktionssicheren Betrieb
zu gewährleisten.
Es stellte sich bei dem bekannten Positioniersystem als Nachteil
heraus, daß der
Gesamtaufbau für
den Grenzlagengeber und den Stellungsregler äußerst komplex ist und hohe
Investitionskosten in Kauf genommen werden müssen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden,
insbesondere ein Positioniersystem für eine Stellarmatur, insbesondere
eines pneumatisch betriebenen Stellventils, wie eines Schnellschlußsicherheitsventils,
zu schaffen, wobei bei Aufrechterhaltung der betriebsicheren Funktionsweise
ein kostengünstiger
und einfacher Aufbau erzielbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach
ist ein Sensor zum Erfassen der Stellung sowohl mit einer Steuerungs- und/oder
Reglereinheit, die beispielsweise ein Stellungsregler oder ein Steuerglied,
wie ein Magnetventil, sein kann, als auch mit einem Grenzlagengeber verbunden,
um wenigstens ein Stellungssignal des Sensors zu empfangen. Erfindungsgemäß soll also das
ganze Positioniersystem bestehend aus zwei unabhängigen Einheiten, nämlich Steuerungs- und/oder
Reglereinheit und Grenzlagengeber, nur auf einen einzigen Positionssensor
basieren. Es zeigte sich unerwarteterweise, daß bei Vorsehen nur eines einzigen
Positionssensors beispielsweise für die notwendigerweise unabhängig arbeitenden
Stellungsregler und Grenzlagengeber die gewünschte Betriebssicherheit gewährleistet
werden kann, ohne eine Beeinträchtigung
einer genauen Stellungsregelung der Stellarmatur und einer exakten Überprüfung insbesondere
von Notendpositionen durch den Grenzlagengeber hinzunehmen zu müssen.
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Damit
der Sensor auch dann Positionssignale erzeugt und an die jeweilige
Elektronikeinheit, nämlich
Steuerungs- und/oder Reglereinheit und/oder Grenzlagengeber, übersendet,
ist der Sensor sowohl von der Steuerungs- und/oder Reglereinheit
als auch von dem Grenzlagengeber energetisch versorgt. Um dies zu
realisieren, können
erfindungsgemäß sowohl
der Steuerungs- und/oder Reglereinheit als auch der Grenzlagengeber
eine eigene elektrische Energieversorgung aufweisen. Der Steuerungs-
und/oder Reglereinheit und der Grenzlagengeber können den Sensor unabhängig voneinander, insbesondere
ohne Rückkopplung
auf die jeweils andere Elektronikeinheit, energetisch betreiben.
Bei Ausfall der Steuerungs- und/oder Reglereinheit oder des Grenzlagengebers
oder zumindest der jeweiligen Energiequelle, ist jeweils die andere
Elektronikeinheit dazu fähig,
den Sensor für
die Positionserfassung zu betreiben.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung umfaßt
die Energieversorgung für
einen Stellungsregler eine Versorgungsspannung von 7 bis 8 Volt,
insbesondere mit einem Stromstärkenbereich von
weniger als etwa 1 mA oder über
etwa 2 mA und/oder eine Stromstärken versorgung
von 4 bis 20 mA. Die Energieversorgung des Grenzlagengebers kann
durch Abgriff eines Spannungssignals, insbesondere eines 24-Volt-Signals,
für ein
Magnetventil eines pneumatischen Antriebs gebildet sein, der insbesondere
bei Ausfall des 24-Volt-Signals zum Schließen der Stellarmatur entlüftet. Zusätzlich oder alternativ
kann für
den Grenzlagengeber auch eine Versorgungsspannung von 7 bis 8 Volt
insbesondere mit einem Stromstärkenbereich
von weniger als 1 mA oder über
etwa 2 mA vorgesehen sein.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung haben sowohl der Grenzlagengeber
als auch ein Stellungsregler ein Netzteil zur Erzeugung einer konstanten Versorgungsspannung
für den
Reglermikrorechner und den Grenzlagengeber-Mikrorechner.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine
Verbindungsleitung von der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit
hin zum Sensor energetisch rückkopplungsfrei
gestaltet, wobei vorzugsweise auch eine Verbindungsleitung von dem
Grenzleitungsgeber hin zum Sensor energetisch rückkopplungsfrei sein soll.
Damit ist gewährleistet,
daß trotz
einer parallelen Energieversorgung für den Sensor durch zwei Energiequellen,
nämlich einerseits
durch den Grenzlagengeber andererseits durch die Steuerungs- und/oder
Regelungseinheit, keine ungewollte Energiezufuhr zu der jeweils
anderen Elektronikeinheit einhergeht. Insbesondere in einem Notfall,
bei dem absichtlich ein als Steuerungs- und/oder Reglereinheit ausgebildeter
Stellungsregler stromlos zu stellen ist, damit beispielsweise ein
Magnetventil den pneumatischen Antrieb entlüftet, wäre eine Bestromung des deaktivierten
Stellungsreglers und damit des Magnetventils sicherheitstechnisch sehr
kritisch. Die gewünschte
Rückkopplungsfreiheit kann
beispielsweise dadurch realisiert werden, daß in der direkten Verbindungsleitung
zwischen dem Stellungsregler, insbesondere dem Reglermikrorechner,
und dem Sensor eine Diode eingebunden ist, die einen Energiefluß von dem
Sensor hin zum Stellungssensor unterbindet, aber in der entgegengesetzten
Richtung stets zuläßt. Zusätzlich kann
eine weitere Diode insbesondere gleichen Aufbaus in einer direkten
Verbindungsleitung zwischen dem Grenzlagengeber, insbesondere dem
Grenzlagenmikrorechner, und dem Sensor eingebunden sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist die Verbindungsleitung zwischen dem Sensor und
der Steuerungs- und/oder Reglereinheit bzw. dem Grenzlagengeber
als elektrisches leitendes Adernpaar ausgebildet, über das
im Wege der Zweileitertechnik sowohl Energie für den Sensor als auch Kommunikationssignale
vom Sensor übertragbar sind.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist zwischen einem Reglermikrorechner und einem Grenzlagenmikrorechner
eine direkte, insbesondere kopplungsfreie Kommunikationsleitung
vorgesehen. Damit kann eine Justierung der jeweils anderen intelligenten
Elektronikeinheit durchgeführt werden.
Um eine gegenseitige energetische Beeinflussung durch die separaten
Energieversorgungen der Elektronikeinheiten des Stellungsreglers
und des Grenzlagengebers zu verhindern, ist in der Kommunikationsleitung
eine galvanische Trennung eingebunden.
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Der
Sensor, der sowohl der Steuerungs- und/oder Reglereinheit als auch
dem Grenzlagengeber zugeordnet ist, soll dazu ausgelegt sein, kontinuierlich
Stellungssignale oder Endstellungssignale an die Steuerungs- und/oder
Reglereinheit und an den Grenzlagengeber zu senden. Dafür kann der
Sensor entweder zwei separate Ausgänge, die mit der jeweiligen
Elektronikeinheit der Steuerungs- und/oder Reglereinheit oder des
Grenzlagengebers verbunden ist, oder einen einzigen Ausgang aufweisen,
der einen Anschluß sowohl
für den
Stellungsregler als auch für
den Grenzlagengeber bildet.
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Bei
einer besonderen Ausführung
der Erfindung ist das System ohne einen eigenen Mikrorechner für den Grenzlagengeber
ausgestattet. Dabei soll der Grenzlagengeber ohne eigenen Mirkorechner
auf den Mikrorechner des Stellungsreglers zugreifen. Vorzugsweise
ist die dafür
notwendige Zugriffsleitung ebenfalls rückkopplungsfrei ausgestaltet.
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Alternativ
kann der Grenzlagengeber mit einem Grenzlagenmikrorechner ausgestattet
sein, der über
eine insbesondere rückkopplungsfreie
Schnittstellenleitung mit dem Regelmikrorechner kommunizieren kann.
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Weitere
Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung werden durch
die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführung anhand der beiliegenden
Zeichnungen deutlich, in der eine Figur ein Blockschaltbild eines
erfindungsgemäßen Systems
zum Positionieren eines regelbaren Stellventils zeigt.
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In
der Figur ist das erfindungsgemäße System
zum Positionieren eines Stellventils 1 mit der Bezugsziffer 3 versehen.
Das Stellventil 1 wird über
eine Stellwelle 5 durch einen pneumatischen Schwenkantrieb 7 angetrieben,
der durch ein Magnetventil 9 angesteuert wird. Der pneumatische
Schwenkantrieb 7 ist mit dem Magnetventil 9 über ein
Leitungsrohr 11 verbunden, wobei das Magnetventil 9 an
eine nicht näher
dargestellte Luftquelle über
ein Eingangsrohr 13 angeschlossen ist.
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Das
Magnetventil 9 erhält
Positioniersignale P von einem Stellungsregler 15, der
von einer elektrischen Energiequelle gespeist wird. Das Magnetventil 9 und
der Stellungsregler 15 können die Steuerungs- und/oder
Reglereinheit zusammen bilden, die alternativ auch nur durch das
Magnetventil 9 realisiert sein kann. Die elektrische Energiequelle
kann durch eine Versorgungsspannung 17, die durch 7 bis
8 Volt mit einem Stromstärkbereich
von weniger als 1 mA oder über
2 mA oder 4 bis 20 mA definiert sein kann, und/oder durch ein externes
Bediengerät 19 bereitgestellt
sein. Die Versorgungsspannung 17 dient auch dazu, das Magnetventil 9 über die
Spannungssignalversorgungsleitung 10 mit einem Spannungssignal
von 7 bis 8 Volt zu versorgen. In der Spannungssignalleitung 10 ist
ein Relais 12 eingebunden, das offen und geschlossen sein
kann. Beim Ansteuern des Relais 12 mit dem Positioniersignal
P wird das Relais 12 geöffnet,
wie in der Figur dargestellt ist, und das Magnetventil 9 wird energielos
gestellt, so daß der
pneumatische Schwenkantrieb 7 entlüftet ist und das Stellventil 1 in
eine Sicherheitsposition verfahren wird.
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Der
Stellungsregler 15 umfaßt als Elektronikkomponenten:
ein Netzteil 21, einen Reglermikrorechner 23 und
einen flüchtigen
oder nicht flüchtigen Speicher 25.
Das Netzteil 21 ist mit der Spannungsversorgung 17 elektrisch über einen
Eingangsanschluß 27 des
Gehäuses 29 des
Stellungsreglers 15 verbunden. Das Netzteil 21 kann
zusätzlich
mit einer Schnittstellenleitung 31 verbunden sein (was
innerhalb des Stellungsreglers 15 mit der gestrichelten
Linie zwischen dem Netzteil 21 und der Schnittstellenleitung 31 angedeutet
ist) verbunden sein, so daß der Stellungsregler 15 zwei
unabhängig
voneinander arbeitende Energiequellen aufweist.
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Der
Stellungsregler 15 umfaßt einen Ausgangsanschluß 33, über den
das Positioniersignal P dem Magnetventil 9 übersandt
wird. Des weiteren ist der Stellungsregler 15 an dessen
Gehäuse 29 mit
einer Doppelklemme 35 versehen, an der eine erste Adernpaarleitung 37 angeschlossen
ist, die den Stellungsregler 15 mit einem Positionssensor 39 verbindet.
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Der
Positionssensor 39 erzeugt kontinuierlich Stellungssignale
bezüglich
der Stellung der Stellwelle 5 des pneumatischen Schwenkantriebs 7 und leitet
die kontinuierlichen Stellungssignale über die Adernpaarleitung 37 an
den Reglermikrorechner 23 des Stellungsreglers 15 weiter.
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Neben
der Übertragung
der Stellungssignale des Positionssensors 39 wird über die
Adernpaarleitung 37 die elektrische Energieversorgung für den Positionssensor 37 gewährleistet.
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Eine
zweite Adernpaarleitung 41 ist ebenfalls an dem Positionssensor 39 angeschlossen
und stellt eine direkte Verbindung mit einem Grenzlagengeber 43 bereit.
Der Grenzlagengeber 43 umfaßt eine Doppelklemme 45,
an der die Adernpaarleitung 41 von dem Positionssensor 39 kommend
angeschlossen ist. Der Positionssensor 39 ist distal dem
Stellungsregler 15 und dem Grenzlagengeber 43 benachbart der
Stellwelle 5 angeordnet.
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In
einem Gehäuse 51 des
Grenzlagengebers sind ein Mikrorechner 47 und ein Netzteil 49 untergebracht.
Der Mikrorechner 47 steht in unmittelbarem Kontakt mit
der Doppelklemme 45. Das Netzteil 49 wird einer
ersten Energiequelle 53, die durch eine Versorgungsspannung
von 7 Volt und einer Stromstärke
von weniger als 1 mA und über
2 A definiert ist und/oder durch eine Energieversorgung gespeist,
die von dem Bediengerät 19 über eine
Schnittstellenleitung 55 bereitgestellt wird. Die Verbindung
von einem Eingang 57, an dem die Schnittstellenleitung 55 angeschlossen
ist, mit dem Netzteil 49 ist mit einer gestrichelten Linie
durch die Bezugsziffer 59 angedeutet. Der Grenzlagengeber 43 kann
somit durch zwei separate Energiequellen angesteuert sein.
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Auch
der Grenzlagengebermikrorechner 47 erhält über die zweite Adernpaarleitung 41 ein
Stellungssignal von dem Positionssensor 39, und zwar Signale
für eine
Endstellung des Stellventils 1, die bei bestimmten Betriebsituationen,
wie einem Notfall, von dem Stellventil 1 einzunehmen ist.
Der Positionssensor 39 wird auch über das über die Adernpaarleitung 41 mit
elektrischer Energie versorgt.
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Sollte
der Grenzlagengeber 43 ohne erweiterte, intelligente Elektronikkomponente,
wie den Grenzlagengebermikrorechner 47, ausgestattet sein, kann
der Grenzlagengeber 43 mit einer Überbrückungsleitung 61 versehen
sein, welche eine direkte Weiterleitung des Endstellungssignals
des Positionssensors 39 an den Anschluß 57 des Grenzlagengebers 43 bereitstellt.
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Der
Grenzlagergebermikrorechner 47 ist mit dem Anschluß 57 verbunden,
um von dem Bediengerät 19 Solldaten über die
zu erwartende Endstellung des Stellventils 1 zu empfangen.
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Beide
Netzteile 49 und 21 des Grenzlagengebers 43 sowie
des Stellungsreglers 19 sind dazu ausgelegt, eine konstante
Versorgungsspannung dem jeweiligen Mikrorechner (23, 47)
und somit auch dem Positionssensor 39 bereitzustellen.
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Um
erfindungsgemäß eine Beeinflussung der
jeweils anderen Elektronikeinheit (15, 43) auszuschließen, sind
die Adernpaarleitungen (37, 41) jeweils mit einer
Diode (63, 65) versehen, die einen Energierückfluß von dem
Sensor zum Stellungsregler 15 bzw. zum Grenzlagengeber 43 von
dem Positionssensor 39 verhindert.
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Zum
Kalibrieren und Justieren der jeweils anderen Elektronikkomponente,
Stellungsregler 15 bzw. Grenzlagengeber 43, ist
eine Kommunikationsleitung 67 vorgesehen, die eine direkte
Verbindung zwischen dem Reglermikrorechner 23 und dem Grenzlagengebermikrorechner 47 darstellt.
Ebenfalls aus Gründen
der Rückkopplungssicherheit
ist die Kommunikationsleitung 67 mit einer galvanischen Trennung 69 versehen.
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Das
erfindungsgemäße Positioniersystem 3 für das pneumatisch
betriebene Stellventil 1 umfaßt zwei intelligente, voneinander
unabhängige
Elektronikeinheiten, nämlich
den Stellungsregler 15 und den Grenzlagengeber 43,
wobei beide aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nur noch
auf einen einzigen Positionssensor 39 zugreifen, wobei
sämtliche
Sicherheitsaspekte für
den Betrieb einer Prozeßanlage,
wie einer petrochemischen Anlage oder Nuklearanlage, sichergestellt
bleiben.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung
der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein.
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- 1
- Stellventil
- 3
- System
- 5
- Stellwelle
- 7
- Schwenkantrieb
- 9
- Magnetventil
- 10
- Spannungssignalleitung
- 11
- Leitungsrohr
- 12
- Relais
- 13
- Eingangsrohr
- 15
- Stellungsregler
- 17
- Versorgungsspannung
- 19
- Bediengerät
- 21
- Netzteil
- 23
- Reglermikrorechner
- 25
- Speicher
- 27
- Eingangsanschluß
- 29
- Gehäuse
- 31
- Schnittstellenleitung
- 33
- Ausgangsanschluß
- 35
- Doppelklemme
- 37
- erste
Adernpaarleitung
- 39
- Positionssensor
- 41
- zweite
Adernpaarleitung
- 43
- Grenzlagengeber
- 45
- Doppelklemme
- 47
- Mikrorechner
- 49
- Netzteil
- 51
- Gehäuse
- 53
- Energiequelle
- 55
- Schnittstellenleitung
- 57
- Anschluß
- 59
- Verbindung
zwischen Eingang und Netzteil
- 61
- Überbrückungsleitung
- 63,
65
- Diode
- 67
- Kommunikationsleitung
- 69
- galvanische
Trennung
- P
- Positioniersignal