DE102007058778A1

DE102007058778A1 - Stellantrieb mit einem Stellungsgeber

Info

Publication number: DE102007058778A1
Application number: DE200710058778
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Kleegrewe; Axel Bredemeyer; Manfred Klüppel
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: US8230879B2; CN101452294B; DE102007058778B4; CN101452294A; US20090145499A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem Stellungsgeber zur Bedienung eines Stellgliedes mit einem Positionierer in einer verfahrenstechnischen Anlage. Der Stellungsgeber (9) ist mit einem begrenzten Messsystem ausgerüstet, wobei das rotatorische Messsystem eine Welle aufweist, die formschlüssig und unverwechselbar mit einem Abgriffshebel (10) verbunden ist, der durch den Stellantrieb (6) oder das Stellglied (2) angelenkt ist. Die Welle (13) und das rotatorische Messsystem sind über eine Rutschkupplung miteinander verbunden. Auf dem Wellenumfang sind Markierungen isoazimut zur Drehachse der Welle (13) angeordnet, die eine Winkelinformation über den Winkel der Markierungsposition zum Abgriffshebel (10) beinhalten. Der digitale Stellungsgeber (9) weist eine Sensorik zur Erkennung und Auswertung der Markierungen auf. Die Rutschkupplung weist eine Hysterese auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem Stellungsgeber zur Bedienung eines Stellgliedes mit einem Positionierer in einer verfahrenstechnischen Anlage.
Der in dieser Offenbarung verwendete Begriff „digitaler Stellungsgeber" steht für ein System das entsprechend mehrerer Eingangssignale ein oder mehrere Ausgangssignale steuert. Ein Teil der Eingangssignale repräsentieren einen statischen oder dynamischen Solllzustand, ein anderer Teil der Eingangssignale charakterisiert einen statischen oder dynamischen Istzustand. Die Ausgangssignale dienen dazu, den Istzustand mit dem Sollzustand in Übereinstimmung zu bringen. Der Algorithmus dazu ist in Software auf einem Mikrocontroller implementiert. Im allgemeinen steuern die Ausgangssignale – mit oder ohne Einsatz von Hilfsenergie – die Position eines Stellgliedes.
Derartige (digitale) Stellungsgeber verfügen über eine Stellungsrückmeldungssensorik, die Bewegungen und Positionen des angeschlossenen Stellgliedes erfasst. Die Stellungsrückmeldung des bekannten (digitalen) Stellungsgebers ist so konstruiert, dass eine Welle die Bewegungen und Positionen des Stellgliedes auf ein rotatorisches Messsystem, beispielsweise ein Potentiometer, überträgt. Je nach verwendeter Technologie ist der Messbereich des rotatorischen Messsystems auf einen Winkel < 120° oder < 270° beschränkt.
Stellantriebe werden in Schwenk- und Hubantriebe unterschieden. Beim Hubantrieb wird die lineare Bewegung des Abtriebs des Stellantriebs unmittelbar auf ein linear betätigtes Stellorgan übertragen. Dabei übersetzt ein Abgriffshebel den Hub der Schubstange des Stellgliedes in eine Rotation, welche direkt auf die Welle übertragen wird. Die Welle ist einseitig abgeflacht. Die Wellenaufnahme im Abgriffshebel ist so konstruiert, dass die Montage des Abgriffshebel auf der Welle eindeutig formschlüssig ist. Die Konstruktion des mechanischen Anbau des digitalen Stellungsgebers an das Stellglied stellt sicher, dass der Stellungsgeber im 90°-Winkel quer zur Schubstange montiert ist.
Demgegenüber wird beim Schwenkantrieb die lineare Bewegung des Abtriebs des Stellantriebs mit geeigneten Mitteln in eine Drehbewegung umgesetzt. Dabei verbindet ein Adapter die Welle direkt mit dem Schwenkantrieb.
Diese bekannten Anordnungen sind durch die Normen DIN/IEC 534 und VDI/VDE 3845 standardisiert.
Bei der bekannten Stellungsrückmeldungssensorik mit einem rotatorischen Messsystem für einen linearen Antrieb ist der rückgemeldete Messwert eine trigonometrische Funktion der Position im Stellbereich, deren Parameter vom Anfangswert der Position bei der Inbetriebnahme und der wirksamen Hebelarmlängen an der Schubstange des Stellgliedes und des Abgriffshebels abhängen. Für ein möglichst genaues Positionierverhalten wird der rückgemeldete Messwert entsprechend der tatsächlichen Position des Stellgliedes im Stellbereich linearisiert. Dazu implementiert die Software des digitalen Stellungsgeber einen Linearisierungsalgorithmus. Dabei muss bekannt sein, in welcher Stellung der Abgriffshebel im rechten Winkel zur Schubstange des Antriebes steht.
Um die vom Markt geforderte Linearität des Positionierverhaltens sicherzustellen, erfordert die beschriebene Konstruktion der Stellungsrückmeldung, dass der digitale Stellungsgeber bei linearen Antrieben die erfasste Schwenkbewegung linearisiert.
Es ist bekannt, dass der digitale pneumatische Stellungsgeber eine Funktion implementiert, welche über selbst generierte Ausgangssignale das angeschlossene Stellglied gezielt bewegt und so eine Autokalibrierung durchführt. Dabei wird unter Autokalibrierung eine Funktion verstanden, bei der der digitalen Stellungsgeber selbsttätig die Ober- und Untergrenze des Arbeitsbereiches des Stellgliedes einstellt.
Die Anbaumechanik sowie die Kosten entsprechend hochauflösender Messtechnik haben zur Beschränkung des Schwenkbereiches bei Anbau von Hubantrieben auf einen Winkel von 30° bis 60° geführt. Bedingt durch den eingeschränkten Messbereich des rotatorischen Messsystems ist bei digitalen Stellungsgebern der Schwenkbereich der Welle auf ein definiertes Kreissegment relativ zur Gehäusegeometrie des digitalen Stellungsgebers beschränkt. Dies führt zu Fehlern beim Anbau des digitalen Stellungsgebers an Antrieb und Stellglied, wenn der sich ergebende Schwenkbereich das zulässige Kreissegment verlässt. Dieses Problem gilt für Schwenk- und Hubantriebe.
Darüber hinaus ist bekannt, digitale Stellungsgeber mit einer Rutschkupplung zwischen dem Messsystem und der Welle auszustatten. Zwar ist der Schwenkbereich immer noch im Winkel begrenzt, aber der Schwenkbereich ist beliebig zur Gehäusegeometrie. Damit der digitale Stellungsgeber bei Hubantrieben weiterhin die vom Markt geforderte Linearität erreicht, muss jedoch hier die Position der Welle, in welcher der Abgriffshebel senkrecht zur Schubstange steht, dem digitalen Stellungsgeber auf geeignete Weise „mitgeteilt" werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel zur Autokallibrierung eines Stellungsgebers mit einem rotatorischen Messsystem zur Eignung an beliebigen linearen Stellantrieben anzugeben, die eine präzise Linearisierung der rückgemeldeten Messwerte erlaubt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht aus von einem linearen Stellantrieb mit einem Stellungsgeber zur Bedienung eines Stellgliedes aus, wobei der Stellungsgeber mit einem rotatorischen Messsystem ausgerüstet ist. Das rotatorische Messsystem weist eine Welle auf, die formschlüssig und unverwechselbar mit einem Abgriffshebel verbunden ist, der durch den Stellantrieb oder das Stellglied angelenkt ist. Das Messsystem ist mechanisch in seinem Schwenkbereich begrenzt. Die Welle und das rotatorische Messsystem sind über eine Rutschkupplung miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß sind an der Welle auf dem Wellenumfang Markierungen angeordnet, die eine Winkelinformation über den Winkel der Markierungsposition zum Abgriffshebel beinhalten. Die Markierungen sind isoazimut zur Drehachse der Welle angeordnet.
Der digitale Stellungsgeber weist eine Sensorik zur Erkennung und Auswertung der Markierungen auf.
Die Rutschkupplung weist eine Hysterese auf.
Bei der Autokalibrierung des digitalen Stellungsgebers wird die Sensorik zur Erkennung und Dekodierung der Markierungen eingeschaltet. Bei einem Schwenk des Abgriffshebels über den azimutalen Abstand zweier benachbarter Markierungen hinaus wird mindestens eine der Markierungen überfahren. Mittels der ersten erkannten Markierung wird ein Korrekturwert ermittelt um den die Rutschkupplung das rotatorische Messsystem gegen die Welle verdreht hat. Dieser Korrekturwert wird im Linerarisierungsalgorithmus berücksichtigt.
Vorteilhafterweise erlaubt die Erfindung, Schwenkantriebe in beliebigem Winkel zum Stellungsgeber zu montieren, da aufgrund der Rutschkupplung der eingeschränkte Winkelbereich des Messsystems nicht mehr zum Tragen kommt.
Darüber hinaus können Hubantriebe selbst dann mit der vom Markt geforderten Linearität positioniert werden, wenn die Rutschkupplung das Messsystem gegen die Welle verdreht hat.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines als Hubantrieb ausgeführten Stellantriebs an einem Prozessventil
2 eine Prinzipdarstellung einer Stellungsrückmeldungssensorik in Abhängigkeit vom initialen Angriffspunkt
In der 1 ist eine fragmentarisch angedeutete Rohrleitung 1 einer nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage 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 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 Steuerelektronik 18 verglichen und der Stellantrieb 6 in Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert. Die Steuerelektronik 18 des Stellungsreglers 9 bedient einen I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung in einen adäquaten Steuerdruck auf. Der I/P-Umsetzer des Stellungsreglers 9 ist über eine Druckmittelzuführung 19 mit dem Stellantrieb 6 verbunden.
Zum Zwecke der Inbetriebnahme des Prozessventils 2 wird der Stellungsregler 9 mechanisch mit dem Stellantrieb 6 verbunden und die elektrischen und pneumatischen Verbindungen angeschlossen. Der Positionsaufnehmer 10 ist um eine Welle 13 drehbar gelagert und wird nahe seines freien Endes mit der Hubstange 7 gelenkig verbunden. Dazu wird der Positionsaufnehmer 10 bei Montage rechtwinklig zur Hubstange 7 positioniert. Die Welle 13 ist mit einem rotatorischen Messystem wirkverbunden.
Zum Zeitpunkt der Montage ist die tatsächliche Lage der Hubstange 7 zum Stellungsregler 9 und seinem Positionsaufnehmer 10 völlig unbestimmt. In der 2 ist dieser Zusammenhang bildlich dargestellt. Während in der 2a bei der Montage des Positionsaufnehmers 10 an der Hubstange 7 von einer mittleren Position der Hubstange 7, das entspricht einem halb geöffneten Prozessventil 2, ausgegangegen wird, ist in 2b unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel eine Position der Hubstange 7 dargestellt, die einem fast geschlossenen Prozessventil 2 entspricht. In Abhängigkeit vom initialen Angriffspunkt des Positionsaufnehmers 10 an der Hubstange 7 ist der dem Hub des Stellantriebs 6 entsprechende Schwenkwinkel 12 eher symmetrisch gemäß 2a oder sehr einseitig gemäß 2b bezogen auf die Ausgangsposition. Daraus ergeben sich wegen des eingangs erwähnten trigonometrischen Zusammenhanges verschiedene Korrekturbedürfnisse des gemessenen Positionssignals zur tatsächlichen Position der Hubstange 7 im Stellbereich.
Nach Maßgabe der Erfindung sind isoazimut zur Drehachse der Welle 13 Markierungen angeordnet, die eine Winkelinformation über den Winkel der Markierungsposition zum Positionsaufnehmer 10 beinhalten. Der digitale Stellungsregler 9 weist eine Sensorik zur Erkennung und Auswertung der Markierungen auf. Darüber hinaus weist die Rutschkupplung eine Hysterese auf.
Bei der Autokalibrierung des digitalen Stellungsreglers 9 wird die Sensorik zur Erkennung und Dekodierung der Markierungen eingeschaltet. Bei einem Schwenk des Abgriffshebels über den azimutalen Abstand zweier benachbarter Markierungen hinaus wird mindestens eine der Markierungen überfahren. Je nach Ausgangslage des Positionsaufnehmers 10 an der Hubstange 7 zur Welle 13 wird dabei die Rutschkupplung betätigt. Deren Hysterese bewirkt die sichere Positionierung der Welle 13 zu der Hubstange 7 auf einen Wert im zulässigen Wertebereich der Sensorik.
Mittels der ersten erkannten Markierung wird ein Korrekturwert ermittelt um den die Rutschkupplung das rotatorische Messsystem gegen die Welle verdreht hat. Dieser Korrekturwert wird im Linerarisierungsalgorithmus berücksichtigt.

1: Rohrleitung
2: Prozessventil
3: Ventilsitz
4: Schließkörper
5: Prozessmedium
6: Stellantrieb
7: Ventilstange
8: Joch
9: Stellungsregler
10: Positionsaufnehmer
11: Kommunikationsschnittstelle
12: Schwenkwinkel
13: Welle
18: Steuerelektronik
19: Druckmittelzuführung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN/IEC 534 [0006]
- VDI/VDE 3845 [0006]

Claims

Stellantrieb mit einem Stellungsgeber zur Bedienung eines Stellgliedes (2) aus, wobei der Stellungsgeber (9) mit einem rotatorischen, mechanisch in seinem Schwenkbereich begrenzten Messsystem ausgerüstet ist, wobei das rotatorische Messsystem eine Welle aufweist, die formschlüssig und unverwechselbar mit einem Abgriffshebel (10) verbunden ist, der durch den Stellantrieb (6) oder das Stellglied (2) angelenkt ist, und wobei die Welle (13) und das rotatorische Messsystem über eine Rutschkupplung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, – dass isoazimut zur Drehachse der Welle (13) auf dem Wellenumfang Markierungen angeordnet sind, die eine Winkelinformation über den Winkel der Markierungsposition zum Abgriffshebel (10) beinhalten, – dass der digitale Stellungsgeber (9) eine Sensorik zur Erkennung und Auswertung der Markierungen aufweist und – dass die Rutschkupplung eine Hysterese aufweist.