DE102007058518A1

DE102007058518A1 - Verfahren zum Betrieb eines Stellungsreglers

Info

Publication number: DE102007058518A1
Application number: DE200710058518
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Kleegrewe
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2009-06-18
Also published as: CN101452295A; US20090146088A1; US8317154B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Stellungsreglers zur Bedienung eines pneumatischen Antriebs für ein Stellorgan in einer verfahrenstechnischen Anlage. Der Stellungsregler weist ein pneumatisches System mit mindestens einem Düse-Prallplatten-System auf, bei dem die Prallplatten als Piezo-Biegebalken ausgebildet sind. Zum gedämpften Be- und Entlüften des pneumatischen Antriebes bei Ausfall der elektrischen Energie wird vorgeschlagen, den Pegel der elektrischen Energieversorgung zu überwachen und bei Unterschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes die Piezo-Biegebalken (12) der Pneumatik über die Eingangssignale der Pneumatik derart einzustellen, dass die kennlinienbehafteten, pneumatisch gesteuerten Ventile (14, 15) des Verstärkers genau so weit geöffnet werden, dass eine gedämpfte Bewegung des pneumatischen Stellantriebes (6) auf die gewünschte Verfahrgeschwindigkeit in eine vorgebbare Endlage eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Stellungsreglers zur Bedienung eines pneumatischen Antriebs für ein Stellorgan in einer verfahrenstechnischen Anlage. Die Erfindung betrifft insbesondere das Verhalten digitaler pneumatischer Stellungsregler im Falles des plötzlichen Ausfalls der elektrischen Energie.
Der in dieser Offenbarung verwendete Begriff „digitaler pneumatischer Stellungsregler" steht für ein mechatronisches System, das entsprechend einem oder mehreren Eingangssignalen einen pneumatischen Antrieb in eine bestimmte Position stellt. Dabei kommt nicht zwangsläufig ein Regler zum Einsatz. Zur Funktion benötigt der digitale pneumatische Stellungsregler unter Druck stehendes Gas als Hilfsenergie und elektrische Energie.
Der gattungsbildende digitale pneumatische Stellungsregler weist mindestens die im Folgenden näher bezeichneten Kernkomponenten auf. Mit einem pneumatischen System werden in Abhängigkeit von ein oder mehreren Eingangssignalen die Kammern eines einfach- oder doppeltwirkenden pneumatischen Antriebes gezielt be- oder entlüftet. Mit Hilfe einer Stellungsrückmeldungssensorik werden die Bewegungen und Positionen des Stellorgans als ein oder mehrere Signale darstellt. Darüber hinaus ist eine Steuerelektronik vorhanden, die einen Microcontroller aufweist und ein oder mehrere Eingangsignale empfängt. Die Firmware in der Steuerelektronik verarbeitet die Eingangssignale und die Signale der Stellungsrückmeldungssensorik zu Ausgangssignalen welche als Eingangssignale des pneumatischen Systems dienen.
Das pneumatische System des digitalen Stellungsreglers besteht im wesentlichen aus einer Steuerstufe und einer Verstärkerstufe. Die Steuerstufe besteht aus ein oder mehreren Düse-Prallplatten-Systemen. Jedes Düse-Prallplatten-System setzt ein elektrisches – digitales, diskretes oder analoges – Eingangssignal in eine Stellung der Prallplatte zur Düse um und erzeugt damit einen der Stellung proportionalen Ausgangsdruck. Die Verstärkerstufe verwendet die Ausgangsdrücke der Düse-Prallplatten-Systeme als Steuerdruck, um ein oder mehrere kennlinienbehaftete, pneumatisch gesteuerte Ventile auf ihrer Ventilkennlinie zu bewegen und positionieren. Steuerdruckabhängig sind die kennlinienbehafteten, pneumatisch gesteuerten Ventile geschlossen oder um ein dem Steuerdruck proportionales Maß geöffnet. Die kennlinienbehafteten, pneumatisch gesteuerten Ventile be- oder entlüften die Kammern eines pneumatischen Antriebes.
Für einfach- und doppelt wirkende pneumatische Antriebe besitzt die Verstärkerstufe unterschiedlich viele kennlinienbehaftete, pneumatisch gesteuerte Ventile mittels derer der Stellungsregler den angeschlossenen pneumatischen Antrieb gezielt be- oder entlüftet. In der 1 ist das Prinzip der doppelt-wirkenden Pneumatik für diesen Stand der Technik gezeigt.
Erhalten die Düse-Prallplatten-Systeme kein oder ein ungültiges Eingangssignal, ist das pneumatische System auf ein definiertes Verhalten eingestellt. Dabei wird unterschieden zwischen blockierendem Verhalten und entlüftendem Verhalten. Beim blockierendem Verhalten werden alle kennlinienbehafteten, pneumatisch gesteuerten Ventile der Verstärkerstufe geschlossen, so das der pneumatische Antrieb weder be- noch entlüftet wird. Beim entlüftendem Verhalten wird zwischen einfach- und doppeltwirkenden pneumatischen Antrieben unterschieden. Bei einfachwirkenden pneumatischen Antrieben werden die kennlinienbehafteten, pneumatisch gesteuerten Ventile so gesteuert, dass die Kammer des pneumatische Antriebes entlüftet wird. Demgegenüber wird bei doppeltwirkenden pneumatischen Antrieben die kennlinienbehafteten, pneumatisch gesteuerten Ventile so gesteuert, dass eine Kammer des pneumatische Antriebes entlüftet und die zweite Kammer des pneumatischen Antriebes belüftet wird.
Die Firmware des digitalen pneumatischen Stellungsreglers implementiert eine Funktion, welche die Eigenschaften der angeschlossenen Armatur analysiert und dabei „lernt" welche Auswirkungen verschiedene Eingangssignale der Pneumatik auf die Dynamik, wie etwa schnelle oder langsame Bewegung, der Armatur haben. Darüber hinaus analysiert diese Firmwarefunktion kontinuierlich oder zyklisch, inwieweit sich die Eigenschaften der angeschlossenen Armatur verändern und adaptiert dabei den Zusammenhang zwischen den Eingangssignalen der Pneumatik und der resultierenden Dynamik.
Es sind Düse-Prallplatten-Systeme bekannt, bei denen die Prallplatten als Piezo-Biegebalken ausgebildet sind. Eine piezo-immanente Eigenschaft ist, die Ladung auch im Falle des Ausfalls der Energieversorgung zu behalten. Für den Piezo-Biegebalken bedeutet dies, dass die die Biegekraft bewirkende Ladung erhalten bleibt und damit der Piezo-Biegebalken in einer definierten, nämlich der zuletzt anliegenden Energie entsprechenden, Form verharrt.
Darüber hinaus implementieren digitale pneumatische Stellungsregler einige Sonderfunktionen in Ihrer Software/Firmware. Eine dieser Sonderfunktionen ist die sogenannte Sollwertrampe. Bei dieser Funktion wird eine Veränderung der Eingangssignale welche eine sprunghafte Veränderung der gestellten Position des pneumatischen Antriebes zur Folge hätte in der Stellungsreglersoftware intern in eine Rampe umgesetzt. Diese Funktion wird immer dann verwendet, wenn das zu schnelle Schließen oder Öffnen des vom Stellungsregler geregelten Stellorgans den Prozess oder die Anlage negativ beeinflusst. Ein Bespiel für diese negativen Einflüsse ist der Wasserschlag, dessen Auswirkung bis zum mechanischen Versagen reichen kann.
Ein Problem des bekannten digitalen pneumatischen Stellungsreglers ist, dass die in der Software implementierten Eigenschaften verloren sind, sobald die elektrische Energieversorgung des Stellungsreglers und damit sowohl dessen Mikro-Controller als auch die Eingangssignale für die Pneumatik ausfallen. Bei einem im Falle des Ausfalls der elektrischen Energie entlüftenden Stellungsregler bewirkt dies, dass der pneumatische Antrieb ungeregelt verfährt und damit die von der oben beschriebenen Sollwertrampe vermiedenen negativen Einflüsse unabwendbar zur Wirkung kommen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten digitalen pneumatischen Stellungsregler derart weiterzuentwickeln, dass bei Ausfall der elektrischen Energie trotzdem ein gedämpftes Be- und Entlüften des pneumatischen Antriebes bewirkt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ausgehend von dem bekannten digitalen pneumatischen Stellungsregler wird zunächst der Pegel der elektrischen Energieversorgung überwacht. Bei Unterschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes werden die Piezo-Biegebalken der Pneumatik über die Eingangssignale der Pneumatik derart eingestellt, dass die kennlinienbehafteten, pneumatisch gesteuerten Ventile des Verstärkers genau soweit geöffnet werden, dass eine gedämpfte Bewegung des pneumatischen Antriebes auf die gewünschte Verfahrgeschwindigkeit eingestellt wird. Daraus ergibt sich ein Weg-Zeit-Verhalten für das Stellorgan, dass einer Rampenfunktion nahekommt.
Die dafür erforderlichen Eingangssignale der Pneumatik wurden zuvor im Rahmen der Firmwarefunktion, welche die Eigenschaften der angeschlossenen Armatur analysiert, ermittelt.
Die Erfindung macht sich dabei die kapazitive Eigenschaft des Piezo-Biegebalkens zu Nutze, auch ohne Energiezufuhr seine Form zu wahren, solange die die Form bewirkende Energie nicht gezielt abgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung des pneumatischen Systems eines Stellungsreglers
2 eine Kennliniendarstellung
3 eine Prinzipdarstellung eines druckmittelbetriebenen Stellantriebs mit einem digitalen Stellungsregler
In der 1 ist das pneumatische System eines Stellungsreglers für einen einfach wirkenden Stellantrieb 6 prinzipiell dargestellt. Bei einem solchen einfach wirkenden Stellantrieb 6 ist die einzige Druckkammer durch eine federbelastete Membran begrenzt. Bei Druckerhöhung in der Druckkammer wird die Membran in Richtung der Druckfeder ausgelenkt; bei Druckverminderung in der Druckkammer wird die Membran durch die Kraft der Druckfeder in Richtung der Druckkammer ausgelenkt. An der Membran ist eine Hubstange 7 zur Betätigung eines Prozessventils 2 befestigt, die der Membranbewegung folgt.
Ausgehend von einer Druckmitteleinspeisung 13 ist ein erster pneumatischer Verstärker 14 zur Belüftung über eine Druckmittelzuführung 19 und ein zweiter pneumatischer Verstärker 15 zur Entlüftung eines Stellantriebs 6 über eine Druckmittelabführung 20 vorgesehen. Die pneumatischen Verstärker 14 und 15 sind durch einen Steuerdruck p_s druckbedient. Das bedeutet, der Durchfluss F durch die pneumatischen Verstärker 14 und 15 ist abhängig vom Steuerdruck p_s.
Zur Bereitstellung des Steuerdrucks p_s ist eine Düse-Prallplatte-System vorgesehen, das über einen Druckminderer 18 aus der Druckmitteleinspeisung 13 gespeist ist und dessen Prallplatte als Piezo-Biegebalken 12 ausgebildet ist. Der Piezo-Biegebalken 12 ist mit einer Steuerelektronik 18 verbunden. Der Steuerdruck p_s ist abgängig von der Stellung des Piezo-Biegebalkens 12. In Abhängigkeit von der gewünschten Stellung des Prozessventils 2 wird durch elektrische Steuersignale der Steuerelektronik 18 die Stellung des Piezo-Biegebalkens 12 eingestellt.
Die pneumatischen Verstärker 14 und 15 weisen einen Aufbau auf, wonach die Durchflussmenge F durch den pneumatischen Verstärker 14 und 15 von dem Steuerdruck p_s abhängt. Dabei weisen die pneumatischen Verstärker 14 und 15 zueinander gegenläufige und versetzte Kennlinien auf. Hierzu ist in der 2 der Verlauf der Durchflussmenge F über den Steuerdruck p_s für den ersten pneumatischen Verstärker 14 als strichpunktierte Linie und für den zweiten pneumatischen Verstärker 15 als durchgezogenen Linie aufgetragen.
Bei niedrigen Steuerdrücken p_s ist der erste pneumatische Verstärker 14 durchgesteuert und der zweite pneumatische Verstärker 15 geschlossen. Der Stellantrieb 6 ist belüftet. Mit zunehmendem Steuerdruck p_s nimmt die Durchflussmenge F durch den ersten pneumatischen Verstärker 14 auf Null ab bis beide pneumatischen Verstärker 14 und 15 geschlossen sind. Der ungestörte Stellantrieb 6 verharrt in der eingenommenen Stellung.
Mit weiter zunehmendem Steuerdruck p_s öffnet der zweite pneumatische Verstärker 15 mit wachsender Durchflussmenge F bis zu seiner vollständigen Öffnung. Der Stellantrieb 6 wird entlüftet.
Die Geschwindigkeit der Hubstange 7 ist jeweils proportional zur Durchflussmenge F des ersten oder zweiten pneumatischen Verstärkers 14 oder 15.
In der 3 ist die Einbindung des erfindungsgemäßen Stellungsreglers in eine praktische Anwendung gezeigt. In eine fragmentarisch angedeutete Rohrleitung 1 einer nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ist ein Prozessventil 2 als Stellorgan 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 pneumatischen 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 digitaler Stellungsgeber 9 angebracht. Über einen Positionsaufnehmer 10 wird der Hub der Hubstange 7 in den Stellungsgeber 9 gemeldet. Der erfasste Hub wird mit dem über eine Kommunikationsschnittstelle 11 zugeführten Sollwert in einer Steuerelektronik 18 verglichen und der Stellantrieb 6 in Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert. Die Steuerelektronik 18 des Stellungsgebers 9 bedient einen I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung in einen adäquaten Steuerdruck auf. Der I/P-Umsetzer des Stellungsgebers 9 ist über eine Druckmittelzuführung 19 mit dem Stellantrieb 6 verbunden.
Bei der Inbetriebnahme werden die Eigenschaften des angeschlossenen Prozessventils 2 ermittelt. In diesem Zusammenhang werden auch die in 2 gezeigten Kennlinien des ersten und des zweiten pneumatischen Verstärkers 14 und 15 in Abhängigkeit von den Stellsignalen für die Piezo-Biegebalken 12 ermittelt und aufgezeichnet.
Nach Maßgabe der Erfindung wird der Pegel der elektrischen Energieversorgung des Stellungsreglers überwacht. Bei Unterschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes werden mit der Steuerelektronik 18 Stellsignale an die Piezo-Biegebalken 12 zur Einstellung eines Steuerdrucks p₀ ausgegeben, dem eine Durchflussmenge F₀ des zweiten pneumatischen Verstärkers 15 entspricht. Dadurch wird der Stellantrieb 6 durch einen anfänglich konstanten Abfluß entlüftet. Folglich verfährt das angeschlossene Prozessventil 2 mit kontrollierter Geschwindigkeit in die im Störfall gefahrlose Ruhelage.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, einen Steuerdruck p_s einzustellen, der einer Durchflussmenge F des des ersten pneumatischen Verstärkers 14 entspricht. Dadurch wird der Stellantrieb 6 durch einen anfänglich konstanten Abfluß belüftet. Folglich verfährt das angeschlossene Prozessventil 2 mit kontrollierter Geschwindigkeit in die im Störfall gefahrlose, entgegengesetzte Ruhelage.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Stellungsregler an einen doppelt wirkenden Stellantrieb 6 angeschlossen. Bei einem solchen doppelt wirkenden Stellantrieb 6 ist die Membran zwischen zwei Druckkammern angeordnet, die wechselweise be- und entlüftet werden. Die Lage der Membran ist im Kräftegleichgewicht zwischen den Drücken in den Druckkammern und der Rückwirkung aus der angetriebenen Armatur. Dazu weist der Stellungsregler eine Brücke aus vier pneumatischen Verstärkern auf, von denen jeweils zwei belüftend und die anderen zwei entlüftend wirken, in deren Brückendiagonale der Stellantrieb 6 angeordnet ist, wobei jede Druckkammer an einen belüftenden und einen entlüftenden pneumatischen Verstärker angeschlossen ist.
Bei Erkennung der Unterschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes durch die überwachte elektrischen Energieversorgung des Stellungsreglers werden durch Einstellung eines Steuerdrucks p₀, dem eine Durchflussmenge F₀ des jeweiligen pneumatischen Verstärkers entspricht für eine Druckkammer der belüftende pneumatische Verstärker und für die gegenüberliegende Druckkammer der entlüftende pneumatische Verstärker geöffnet. Dadurch verschiebt sich das Kräftegleichgewicht zwischen den Drücken in den beiden Druckkammern und der Rückwirkung aus der angetriebenen Armatur und damit der Membran in die Richtung der entlüfteten Druckkammer. Dementsprechend wird das Prozessventil 2 über die Hubstange 7 mit kontrollierter Geschwindigkeit in die vorgegebene Endlage verfahren.
Je nach den Erfordernissen der konkreten Anwendung kann die vorgegebene Endlage im vollständig geöffneten oder im vollständig geschlossenen Zustand des Prozessventils 2 bestehen.

1: Rohrleitung
2: Prozessventil
3: Ventilsitz
4: Schließkörper
5: Prozessmedium
6: Stellantrieb
7: Hubstange
8: Joch
9: Stellungsgeber
10: Positionsaufnehmer
11: Kommunikationsschnittstelle
12: Piezo-Biegebalken
13: Druckmitteleinspeisung
14, 15: pneumatischer Verstärker
16: Druckminderer
18: Steuerelektronik
19: Druckmittelzuführung
20: Druckmittelabführung

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Stellungsreglers zur Bedienung eines pneumatischen Stellantriebes für ein Stellorgan, mit einem pneumatischen System mit mindestens einem Düse-Prallplatten-System, bei dem die Prallplatten als Piezo-Biegebalken ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegel der elektrischen Energieversorgung überwacht wird und bei Unterschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes die Piezo-Biegebalken (12) der Pneumatik über die Eingangssignale der Pneumatik derart eingestellt werden, dass die kennlinienbehafteten, pneumatisch gesteuerten Ventile (14, 15) des Verstärkers genau soweit geöffnet werden, dass eine gedämpfte Bewegung des pneumatischen Stellantriebes (6) auf die gewünschte Verfahrgeschwindigkeit in eine vorgebbare Endlage eingestellt wird.