DE102007037922B3

DE102007037922B3 - Anordnung zur Druckregelung in einer von einem Fluid durchströmten Leitung

Info

Publication number: DE102007037922B3
Application number: DE102007037922A
Authority: DE
Inventors: Alexander Martin; Andre Mösenthin
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2027-08-11

Abstract

Bei einer Anordnung zur Druckregelung in einer von einem Fluid (1) durchströmten Leitung (2) mit einem in der Leitung (2) angeordneten steuerbaren Ventil (3) und einem das Ventil (3) ansteuernden PID-Regler (6) werden der Ist-Druckabfall (Deltapist) und der Soll-Druckabfall (Deltapsoll) über dem Ventil (3) jeweils in Abhängigkeit von dem aktuellen Durchfluss (Q) in einen Ist-Durchflusskoeffizienten (Kvist) bzw. einen Soll-Durchflusskoeffizienten (Kvsoll) als Ist- bzw. Sollwert für den PID-Regler (6) umgerechnet. Der Verstärkungsfaktor (Kp) des PID-Reglers (6) wird in umgekehrt proportionaler Abhängigkeit von einem für den jeweils aktuellen Durchfluss (Q) ermittelten Änderungswert (deltaKvQ) des Durchflussfkoeffizienten (Kv) korrigiert, wobei der Änderungswert (deltaKvQ) aus abgespeicherten Informationen bezogen wird, die auf den zuvor einmalig an dem Ventil (3) bei verschiedenen Ventilstellungen gemessenen gegenseitigen Abhängigkeiten von Durchfluss (Q) und Druckabfall (Deltap) beruhen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Druckregelung in einer von einem Fluid durchströmten Leitung.
Mit einem von einem herkömmlichen PID-Regler gesteuerten Ventil lassen sich sehr unterschiedliche Drücke bei sehr unterschiedlichen Durchflössen nicht mehr ohne Weiteres regeln, weil in diesem Fall eine sinnvolle Parametrierung des PID-Reglers nicht mehr möglich ist. Wird der Regler für den oberen Durchflussbereich optimiert, so kommt es im unteren Durchflussbereich zu starken Schwingungen, die zu einem Überschreiten des maximal zulässigen Systemdrucks führen können. Umgekehrt führt eine Optimierung des Reglers für den unteren Durchflussbereich zu langen Einregelphasen, was ebenfalls nicht akzeptabel ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer hohen Dynamik des Durchflusses trotzdem einen hohen Dynamikbereich des Druckes ausregeln zu können.
Die Lösung des Problems erfolgt gemäß der Erfindung durch eine Anordnung zur Druckregelung in einer von einem Fluid durchströmten Leitung

– mit einem in der Leitung angeordneten steuerbaren Ventil,
– mit einem das Ventil ansteuernden PID-Regler,
– mit einer Druckmesseinrichtung zur Erfassung des Ist-Druckabfalls über dem Ventil,
– mit einer Einrichtung zur Vorgabe eines Soll-Druckabfalls und zur Bereitstellung des jeweils aktuellen Durchflusswerts des Fluids,
– mit Mitteln zum Umrechnen des Ist-Druckabfalls in Abhängigkeit von dem aktuellen Durchflusswert in einen als Ist-Wert für den PID-Regler dienenden Ist-Durchflusskoeffizienten des Ventils,
– mit Mitteln zum Umrechnen des Soll-Druckabfalls in Abhängigkeit von dem aktuellen Durchflusswert in einen als Soll-Wert für den PID-Regler dienenden Soll-Durchflusskoeffizienten des Ventils,
– mit einer Speichereinrichtung, die Informationen über das Änderungsverhalten des Durchflusskoeffizienten bezogen auf Änderungen der Ventilstellung bei unterschiedlichen Durchflössen enthält,
– wobei diese Informationen auf den zuvor einmalig an dem Ventil bei verschiedenen Ventilstellungen gemessenen gegenseitigen Abhängigkeiten von Durchfluss und Druckabfall beruhen, und
– mit Mitteln zur Korrektur des Verstärkungsfaktors des PID-Reglers in umgekehrt proportionaler Abhängigkeit von dem für den jeweils aktuellen Durchflusswert aus den abgespeicherten Informationen erhaltenen Änderungswert des Durchflusskoeffizienten.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt in der durchflussabhängigen dynamischen Anpassung der Verstärkung (Proportionalverstärkung) des PID-Reglers, wodurch im unteren Durchflussbereich Überschwinger begrenzt werden, so dass es zu keinen unzulässig hohen Druckschwankungen kommt, und im oberen Durchflussbereich kurze Ausregelzeiten erreicht werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in Form eines Blockschaltbildes, und
2 ein Beispiel für die Abhängigkeit des Durchflusskoeffizienten eines Ventils in Abhängigkeit von der Ventilstellung.
1 zeigt eine von einem Fluid 1 durchströmte Leitung 2, wobei der Durchfluss Q des Fluids 1 sehr unterschiedliche Werte aufweisen kann. Beispielsweise wird der Durchfluss Q durch einen hier nicht gezeigten Durchflussregler geregelt, wobei der Soll-Durchfluss sehr unterschiedliche Werte annehmen kann, oder das Fluid 1 wird beispielsweise mit einer sehr unterschiedlich einstellbaren Durchflussrate durch die Leitung 2 gepumpt. Zur Regelung des Drucks p in der Leitung 2 ist in dieser ein steuerbares Ventil 3 angeordnet. Dabei ist die Regelgröße der Ist-Druckabfall Δp_ist über dem Ventil 3, der mit einer Druckmesseinrichtung 4 erfasst wird. Wenn der Druck am Ausgang des Ventils 3 dem Umgebungsdruck (Atmosphärendruck) entspricht, kann die Druckmesseinrichtung 4 aus einem einfachen Drucksensor bestehen. Anderenfalls besteht die Druckmesseinrichtung 4 aus einem Differenzdrucksensor oder aus zwei Drucksensoren am Eingang und Ausgang des Ventils 3 (gestrichelt angedeutet). Der einzustellende Soll-Druckabfall Δp_soll wird durch eine Automatisierungseinrichtung 5 vorgegeben, die auch den jeweils aktuellen und beispielsweise von dem oben erwähnten Durchflussregler erhaltenen Durchflusswert Q des Fluids 1 bereitstellt. Die Automatisierungseinrichtung liefert ferner einen festen Verstärkungsfaktor K_p0, die Nachstellzeit T_n und die Vorhaltezeit T_v, für einen PID-Regler 6, der das Ventil 3 ansteuert.
Eine strömungstechnische Kenngröße von Ventilen ist der Durchflusskoeffizient (Durchflussfaktor, Kv-Wert) Kv, welcher für jede Ventilstellung s unterschiedlich ist und den Zusammenhang von Durchfluss Q und Druckabfall Δp wir folgt beschreibt:
2 zeigt beispielhaft den Zusammenhang zwischen Durchfluss Q, Druckabfall Δp (bzw. dem aus beiden berechenbaren Durchflusskoeffizienten Kv) und Ventilstellung s, der nichtlinear ist und auch nicht durch ein Polynom dargestellt werden kann, da er sehr stark von den mechanischen Komponenten des Ventils 3 und deren Veränderung über den Stellbereich abhängig ist.
Entsprechend der Erfindung wird daher der in 1 gezeigte PID-Regler 6 nicht als Druck-(Δp)-Regler sondern als Durchflusskoeffizienten-(Kv)-Regler verwendet, wozu in einem Block 7 unter Verwendung von Gl. 1 der Ist-Druckabfall Δp_ist in Abhängigkeit von dem aktuellen Durchflusswert Q in einen als Ist-Wert für den PID-Regler 6 dienenden Ist-Durchflusskoeffizienten Kv_ist umgerechnet wird. In gleicher Weise wird in einem Block 8 der Soll-Druckabfall Δp_soll in Abhängigkeit von dem aktuellen Durchflusswert Q in einen als Soll-Wert für den PID-Regler 6 dienenden Soll-Durchflusskoeffizienten Kv_soll umgerechnet. Eine dynamische Anpassung des Verstärkungsfaktors K_p des PID-Reglers 6 an den aktuellen Durchflusswert, z. B. Q₁ in 2, erfolgt in Abhängigkeit von dem Änderungsverhalten δKv_Q1 des Durchlasskoeffizienten Kv bezogen auf Änderungen δs der Ventilstellung s bei dem aktuellen Durchflusswert Q₁. Die entsprechenden Informationen sind in einer Speichereinrichtung 9 enthalten und beruhen auf den zuvor einmalig an dem Ventil 3 bei verschiedenen Ventilstellungen s gemessenen gegenseitigen Abhängigkeiten von Durchfluss Q und Druckabfall Δp. Die Durchflusskoeffizienten Kv für nicht gemessene Durchflösse Q und Druckabfälle Δp können durch Interpolation ermittelt werden. Das Änderungsverhalten (Steigung) δKv_Q1 des Durchlasskoeffizienten Kv kann beispielsweise in Form der untenstehenden Tabelle in der Speichereinrichtung 9 hinterlegt sein.

Q in ml/min Anstieg δKv_Q des Kv-Wertes

1 0.0872

2 0.1528

5 0.2597

10 0.3694

20 0.61
In einem Block 10 wird der von der Automatisierungseinrichtung 5 vorgegebene Verstärkungsfaktor K_p0 des PID-Reglers 6 in umgekehrt proportionaler Abhängigkeit von dem für den jeweils aktuellen Durchfluss Q aus den abgespeicherten Informationen erhaltenen Änderungswert δKv_Q des Durchflusskoeffizienten Kv korrigiert:
wobei a einen Proportionalitätsfaktor zur Umrechnung in SI-Einheiten ist.

Claims

Anordnung zur Druckregelung in einer von einem Fluid (1) durchströmten Leitung (2) – mit einem in der Leitung (2) angeordneten steuerbaren Ventil (3), wobei der Druck vor dem Ventil (3) geregelt wird, – mit einem das Ventil (3) ansteuernden PID-Regler (6), – mit einer Druckmesseinrichtung (4) zur Erfassung des Ist-Druckabfalls (Δp_ist) über dem Ventil (3), – mit einer Einrichtung (5) zur Vorgabe eines Soll-Druckabfalls (Δp_soll) und zur Bereitstellung des jeweils aktuellen Durchflusswerts (Q) des Fluids (1), – mit Mitteln (7) zum Umrechnen des Ist-Druckabfalls (Δp_ist) in Abhängigkeit von dem aktuellen Durchflusswert (Q) in einen als Ist-Wert für den PID-Regler (6) dienenden Ist-Durchflusskoeffizienten (Kv_ist) des Ventils (3), – mit Mitteln (8) zum Umrechnen des Soll-Druckabfalls (Δp_soll) in Abhängigkeit von dem aktuellen Durchflusswert (Q) in einen als Soll-Wert für den PID-Regler (6) dienenden Soll-Durchflusskoeffizienten (Kv_soll) des Ventils (3), – mit einer Speichereinrichtung (9), die Informationen über das Änderungsverhalten (δKv_Q) des Durchflusskoeffizienten (Kv) bezogen auf Änderungen (δs) der Ventilstellung (s) bei unterschiedlichen Durchflössen (Q) enthält, – wobei diese Informationen auf den zuvor einmalig an dem Ventil (3) bei verschiedenen Ventilstellungen (s) gemessenen gegenseitigen Abhängigkeiten von Durchfluss (Q) und Druckabfall (Δp) beruhen, und – mit Mitteln (10) zur Korrektur des Verstärkungsfaktors (K_p) des PID-Reglers (6) in umgekehrt proportionaler Abhängigkeit von dem für den jeweils aktuellen Durchflusswert (Q) aus den abgespeicherten Informationen erhaltenen Änderungswert (δKv_Q) des Durchflusskoeffizienten (Kv).