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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs zur Bedienung von Stellgliedern der Automatisierungstechnik in verfahrenstechnischen Anlagen.
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Derartige Stellantriebe sind mit einer Regeleinrichtung ausgestattet, die die aktuelle Ist-Position des Stellglieds mit einer vorgegebenen Soll-Position vergleicht und den Stellantrieb derart ansteuert, dass die Ist-Position ausgleichend in Richtung der vorgegebenen Soll-Position verändert wird. Dazu weist der Stellantrieb eine Positionssensoranordnung auf, die die aktuelle Ist-Position des Stellglieds an die Regeleinrichtung meldet.
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Aus der
DE 42 39 635 A1 ist ein Verfahren zur Wegerfassung der Ventilstangenbewegung bei elektropneumatischen Stellungsreglern bekannt, bei dem in einem induktiv arbeitenden Sensor eine HF-Oszillation innerhalb eines LC-Resonanzkreises zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes angeregt wird, das über einen von der Ventilstange mitbewegten elektrisch leitfähigen Körper wegabhängig bedampft wird und bei dem das Oszillatorsignal demoduliert und unverstärkt einem Mikrorechner zur Auswertung der wegabhängigen Oszillationsamplitudenbedämpfung zugeführt wird. Zwar gestattet dieses Verfahren eine berührungslose Wegmessung, doch ist der apparative Aufwand zur Durchführung des Verfahrens recht hoch und die Messgenauigkeit hat sich insbesondere bei Erschütterungen im rauhen Anlagenbetrieb als unzureichend erwiesen.
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Ferner ist aus der
DE 42 39 635 A1 bereits als Stand der Technik bekannt, zur Wegmessung an Ventilstangen Potentiometer, kapazitive Sensoren sowie Differentialtransformatoren zu verwenden, die über einen Hebelabgriff an der Ventilstange betätigt werden. Die Nachteile dieser vorbekannten Lösungen sind vielfältig. So sind Potentiometer in der Regel verschleißbehaftet, insbesondere dann, wenn sie im Bereich starker mechanischer Vibrationen oder Erschütterungen eingesetzt werden. Dieser Verschleiß macht sich durch einen zunehmenden Abrieb am Arbeitspunkt des Potentiometers bemerkbar. Die Verwendung von Drehkondensatoren ist sehr teuer, da hierbei aufwendige Schutzmaßnahmen gegen Feuchtigkeit getroffen werden müssen und außerdem sehr präzise mechanische Lager notwendig sind. Die Verwendung von Differentialtransformatoren ist nachteilig wegen der teuren mechanischen Lagerung, da Querbewegungen des Magneten in der Spule unterdrückt werden müssen. Die zur Versorgung entsprechend notwendige Elektronik ist außerdem zu teuer und hat einen relativ hohen Leistungsverbrauch. Darüber hinaus auf korrekten Einbau der drehwinkelbegrenzten Aufnehmer zu achten.
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Aus der
DE 100 16 636 A1 ist ein Stellungsregler, insbesondere für ein durch einen Antrieb betätigbares Ventil, mit einem Positionsgeber zur Erfassung der Ist-Position eines Stellglieds und mit einer Reglereinheit zum Vergleich der Ist-Position mit einer vorgebbaren Soll-Position und zur Erzeugung eines Stellsignals bekannt, bei dem als Positionsgeber ein Magnet und ein magnetoresistiver Sensor vorgesehen sind, welche korrespondierend zu einer Bewegung des Stellglieds relativ zueinander dreh- oder verschiebbar sind.
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Schließlich ist aus der
DE 694 33 246 T2 eine Steuervorrichtung für ein Ventil in festen Endpositionen bekannt, bei dessen erster Aktivierung die Ablesungen bezüglich der gewünschten festen Endpositionen in einem Datenspeicher gespeichert werden, wodurch das Ergebnis von nachfolgenden Aktivierungen des Ventils bestimmt wird, indem die augenblickliche Ablesung mit einer gespeicherten Ablesung für die gewünschte feste Endposition verglichen wird, und dass eine Recheneinheit den Mittelwert einer vorbestimmten Anzahl von zuletzt erhaltenen und akzeptierten Positionsanzeigen entsprechend einer gewünschten Position berechnet und diesen Wert als die gespeicherte Positionsanzeige für die nachfolgende Überwachung der gegenwärtig erhaltenen Positionsanzeige verwendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs anzugeben, das tolerant gegenüber menschlichen Fehlhandlungen ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Schritten des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einem Stellantrieb zur Bedienung eines Stellglieds, dem eine Positionserfassungseinrichtung zur Erfassung der Ist-Position des Stellglieds zugeordnet ist, die mit einer Reglereinheit zum Vergleich der Ist-Position mit einer vorgebbaren Soll-Position und zur Erzeugung eines Stellsignals zur Ansteuerung des Stellantrieb wirkverbunden ist. Die Positionserfassungseinrichtung umfasst eine stationäre optische Abtasteinrichtung, deren optische Achse auf ein endloses, optisch abtastbares Muster gerichtet ist, das auf einem Musterträger angeordnet ist und dem numerische Äquivalente zugeordnet sind.
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Bei jeder Änderung der Position des Stellglieds wird der Musterträger entsprechend nachgeführt. Die Musteränderung im Fokus der Abtasteinrichtung wird als Änderung der Ist-Position des Stellglieds erkannt.
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Bei der Inbetriebnahme des Stellantriebs wird zunächst eine Endlage des Stellglieds angefahren und das aktuelle Muster im Fokus der Abtasteinrichtung der tatsächlichen Ist-Position der ersten Endlage zugeordnet. Sodann wird die entgegengesetzte Endlage des Stellglieds angefahren und das aktuelle Muster im Fokus der Abtasteinrichtung der tatsächlichen Ist-Position der zweiten Endlage zugeordnet.
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Die ermittelten numerischen Äquivalenten der erkannten Muster in den Endlagen werden miteinander verglichen. Die Differenz zwischen den numerischen Äquivalenten in den Endlagen ist der Verfahrbereich des Stellglieds zwischen den Endlagen. Bei einem drehbetätigten Stellglied ist der Verfahrbereich der Drehwinkel und bei einem linearbetätigten Stellglied ist der Verfahrbereich der Hub. Dabei ist der Verfahrbereich des Stellglieds unabhängig von Abfolge der Muster auf dem Musterträger. Die Absolutposition des Musterträgers sowie des darauf abgebildeten Musters ist unabhängig vom den Endlagen und dem Verfahrbereich des Stellglieds. Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren resistent gegenüber fehlerhaftem stellungsbezogenen Einbau des Musterträgers. Danach ist der Musterträger bezüglich seiner Position im Fokus der Abtasteinrichtung beliebig montierbar.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird im Verfahrbereich des Stellglieds zwischen den Endlagen an mindestens einer Zwischenposition das aktuelle Muster im Fokus der Abtasteinrichtung aufgenommen und der tatsächlichen Zwischenposition zugeordnet. Aus dem Vergleich der numerischen Äquivalenten der erkannten Muster in den Endlagen und der mindestens einen Zwischenposition wird die Änderungsrichtung der numerischen Äquivalente – steigende oder fallende Werte – ermittelt.
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Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur resistent gegenüber einem fehlerhaften stellungsbezogenen Einbau des Musterträgers sondern auch gegenüber einem seitenverkehrten Einbau des Musterträgers.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines druckmittelbetriebenen Stellantriebs mit einem Prozessventil
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2 eine Prinzipdarstellung einer Positionserfassungseinrichtung mit scheibenförmigem Musterträger
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3 eine Prinzipdarstellung einer Positionserfassungseinrichtung mit walzenförmigem Musterträger
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In der 1 ist eine fragmentarisch angedeutete Rohrleitung 1 einer nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ein Prozessventil 2 eingebaut. Das Prozessventil 2 weist in seinem Inneren einen mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörper 4 zur Steuerung der Menge durchtretenden Prozessmediums 5 auf. Der Schließkörper 4 wird von einem Stellantrieb 6 über eine Hubstange 7 linear betätigt. Der Stellantrieb 6 ist über ein Joch 8 mit dem Prozessventil 2 verbunden. An dem Joch 8 ist ein Stellungsregler 9 angebracht. Über einen Positionsaufnehmer 10 wird der Hub der Hubstange 7 in den Stellungsregler 9 gemeldet. Der erfasste Hub wird mit dem über eine Kommunikationsschnittstelle 11 zugeführten Sollwert in einer Regeleinheit 18 verglichen und der Stellantrieb 6 in Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert. Die Regeleinheit 18 des Stellungsreglers 9 weist einen I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung in einen adäquaten Steuerdruck auf. Der I/P-Umsetzer der Regeleinheit 18 ist über eine Druckmittelzuführung 19 mit dem Stellantrieb 6 verbunden.
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In der 2 ist in teilweise geschnittener Darstellung eine Positionserfassungseinrichtung gezeigt, die auf einer Welle 20, die durch den Positionsaufnehmer 10 in Abhängigkeit vom Hub der Hubstange 7 gedreht wird, einen rotationssymmetrischer, scheibenförmiger Musterträger 21, aufweist, der über die Welle 20 drehbar gelagert ist. Die Oberfläche des Musterträgers 21 ist radial mit einem endlosen, optisch abtastbaren Muster 22 bedeckt. Im Einzelnen ist auf dem Musterträger 21 ein 16-Bit-Gray-Code konzentrisch kreisringförmig aufgetragen.
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Die Positionserfassungseinrichtung umfasst darüber hinaus eine Abtasteinrichtung, deren Fokus auf das Muster 22 gerichtet ist. Die Abtasteinrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Sensor 31, in dessen auf das Muster 22 gerichteten, optischen Achse eine Linse 32 angeordnet ist. Der Sensor 31 ist an die Regeleinheit 18 angeschlossen. Für den Sensor 31 kann eine CCD-Zeile vorgesehen sein.
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Zur Ermittlung der aktuellen Position der Hubstange 7 wird der jeweilige Code im Fokus des Sensors 31 ausgelesen. Bei jeder Änderung der Position der Hubstange 7 wird der Musterträger 21 entsprechend nachgeführt. Die Codeänderung im Fokus der Abtasteinrichtung wird als Änderung der Ist-Position der Hubstange 7 erkannt. Dabei besteht eine feste Beziehung zwischen dem Positionsaufnehmer 10 und den Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7. Wird durch eine Fehlhandlung bei der Montage des Musterträgers 21 die vorgesehene Beziehung zwischen dem Positionsaufnehmer 10 und den Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7 verändert, dann stimmen die tatsächlichen Codes nicht mehr mit den erwarteten Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7 überein.
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Erfindungsgemäß wird bei der Inbetriebnahme des Stellantriebs zunächst eine Endlage der Hubstange 7 angefahren und der aktuelle Code im Fokus der Abtasteinrichtung der tatsächlichen Ist-Position der ersten Endlage zugeordnet. Dazu wird der Code im Fokus unabhängig von seinem numerischen Äquivalent in seiner relativen Zuordnung zur Stellung des Positionsaufnehmers 10 ausgelesen. Demgegenüber besteht eine absolute Zuordnung der endliegenden Hubstange 7 zur Stellung des Positionsaufnehmers 10.
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In einem weiteren Schritt wird die entgegengesetzte Endlage der Hubstange 7 angefahren und der aktuelle Code im Fokus der Abtasteinrichtung der tatsächlichen Ist-Position der zweiten Endlage zugeordnet. Auch in dieser Endlage besteht eine absolute Zuordnung der endliegenden Hubstange 7 zur Stellung des Positionsaufnehmers 10 und eine relativen Zuordnung des Codes und seines numerischen Äquivalents zur Stellung des Positionsaufnehmers 10.
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Die Differenz zwischen den numerischen Äquivalenten der erkannten Codes in den Endlagen ist der Verfahrbereich der Hubstange 7 zwischen den Endlagen. Bei einem drehbetätigten Stellglied ist der Verfahrbereich der Drehwinkel und bei einem linearbetätigten Stellglied gemäß 1 ist der Verfahrbereich der Hub. Dabei ist der Verfahrbereich des Stellglieds unabhängig von Abfolge der Codes auf dem Musterträger 21. Die Absolutposition des Musterträgers 21 sowie der darauf abgebildeten Codes ist unabhängig vom den Endlagen und dem Verfahrbereich des Stellglieds.
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Bei einem scheibenförmigen Musterträger 21 kann vorgesehen sein, das Muster 22, 23 in Form von konzentrisch umlaufenden, kreisringförmigen Spuren deckungsgleich auf beiden Scheibenseiten auszubilden. Unabhängig von der Einbaulage ist stets eine der Spuren im Fokus der Abtasteinrichtung und damit die aktuelle Position der Hubstange 7 erfassbar.
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In der 3 ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel in teilweise geschnittener Darstellung eine Positionserfassungseinrichtung gezeigt, bei der ein rotationssymmetrischer, walzenförmiger Musterträger 21 auf einer Welle 20, die durch den Positionsaufnehmer 10 in Abhängigkeit vom Hub der Hubstange 7 gedreht wird, befestigt und über die Welle 20 drehbar gelagert ist. Der Mantel des Musterträgers 21 ist teilweise mit einem optisch abtastbaren Muster 22 bedeckt. Im Einzelnen ist auf dem Musterträger 21 ein 16-Bit-Gray-Code reifenförmig aufgetragen.
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Dem Musterträger 21 ist eine Abtasteinrichtung im Wesentlichen bestehend aus einem Sensor 31 und einer Linse 32 derart zugeordnet, dass das Muster 22 im Fokus des Sensors 31 ist. Der Sensor 31 ist an die Regeleinheit 18 angeschlossen. Für den Sensor 31 kann eine CCD-Zeile vorgesehen sein.
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Zur Ermittlung der aktuellen Position der Hubstange 7 wird der jeweilige Code im Fokus des Sensors 31 ausgelesen. Bei jeder Änderung der Position der Hubstange 7 wird der Musterträger 21 entsprechend nachgeführt. Die Codeänderung im Fokus der Abtasteinrichtung wird als Änderung der Ist-Position der Hubstange 7 erkannt. Dabei besteht eine feste Beziehung zwischen dem Positionsaufnehmer 10 und den Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7. Wird durch eine Fehlhandlung bei der Montage des Musterträgers 21 die vorgesehene Beziehung zwischen dem Positionsaufnehmer 10 und den Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7 verändert, dann stimmen die tatsächlichen Codes nicht mehr mit den erwarteten Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7 überein.
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Erfindungsgemäß wird bei der Inbetriebnahme des Stellantriebs zunächst eine Endlage der Hubstange 7 angefahren und der aktuelle Code im Fokus der Abtasteinrichtung der tatsächlichen Ist-Position der ersten Endlage zugeordnet. Dazu wird der Code im Fokus unabhängig von seinem numerischen Äquivalent in seiner relativen Zuordnung zur Stellung des Positionsaufnehmers 10 ausgelesen. Demgegenüber besteht eine absolute Zuordnung der endliegenden Hubstange 7 zur Stellung des Positionsaufnehmers 10.
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In einem weiteren Schritt wird die entgegengesetzte Endlage der Hubstange 7 angefahren und der aktuelle Code im Fokus der Abtasteinrichtung der tatsächlichen Ist-Position der zweiten Endlage zugeordnet. Auch in dieser Endlage besteht eine absolute Zuordnung der endliegenden Hubstange 7 zur Stellung des Positionsaufnehmers 10 und eine relativen Zuordnung des Codes und seines numerischen Äquivalents zur Stellung des Positionsaufnehmers 10.
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Die Differenz zwischen den numerischen Äquivalenten der erkannten Codes in den Endlagen ist der Verfahrbereich der Hubstange 7 zwischen den Endlagen. Bei einem drehbetätigten Stellglied ist der Verfahrbereich der Drehwinkel und bei einem linearbetätigten Stellglied gemäß 1 ist der Verfahrbereich der Hub. Dabei ist der Verfahrbereich des Stellglieds unabhängig von Abfolge der Codes auf dem Musterträger 21. Die Absolutposition des Musterträgers 21 sowie der darauf abgebildeten Codes ist unabhängig vom den Endlagen und dem Verfahrbereich des Stellglieds.
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Darüber hinaus ist in einem weiteren Schritt vorgesehen, im Verfahrbereich der Hubstange 7 zwischen den Endlagen an mindestens einer Zwischenposition den aktuellen Code im Fokus der Abtasteinrichtung aufzunehmen und der tatsächlichen Zwischenposition zuzuordnen. Aus dem Vergleich der numerischen Äquivalente der erkannten Muster in den Endlagen und der mindestens einen Zwischenposition wird die Änderungsrichtung der numerischen Äquivalente ermittelt.
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Auf diese Weise werden über Winkelfehlstellungen des Musterträgers 21 hinaus auch die Folgen solcher Fehlstellungen eliminiert, die die Reihenfolge der aufgetragenen Codes verändern.
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Bei einem Drehantrieb kann vorgesehen sein, dass der Musterträgers 21 unmittelbar auf der Drehachse des Drehantriebs angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrleitung
- 2
- Prozessventil
- 3
- Ventilsitz
- 4
- Schließkörper
- 5
- Prozessmedium
- 6
- Stellantrieb
- 7
- Ventilstange
- 8
- Joch
- 9
- Stellungsregler
- 10
- Positionsaufnehmer
- 11
- Kommunikationsschnittstelle
- 18
- Regeleinheit
- 19
- Druckmittelzuführung
- 20
- Welle
- 21
- Musterträger
- 22, 23
- Muster
- 30
- Abtasteinrichtung
- 31
- Sensor
- 32
- Linse