DE102008053844A1

DE102008053844A1 - Elektro-pneumatisches System zum Steuern eines doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs

Info

Publication number: DE102008053844A1
Application number: DE102008053844A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kolbenschlag; Dirk Klee
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-10-31
Also published as: EP2182221B1; EP2182221A2; US20100132542A1; DE102008053844B4; US8375842B2; EP2182221A3

Abstract

Bei einem elektro-pneumatischen System zum Steuern eines doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs, der eine erste pneumatische Arbeitskammer und eine zweite pneumatische, davon abhängig ansteuerbare Arbeitskammer aufweist, umfassend eine pneumatische Vorsteuerstufe zum Erzeugen eines pneumatischen Vorsteuersignals zur Weiterleitung an eine pneumatische Hauptsteuerstufe, ist vorgesehen, dass der pneumatischen Vorsteuerstufe eine Auftrennelektronik zum gegensinnigen Aufteilen eines von dem elektro-pneumatischen System empfangenen oder von einer Reglerelektronik des elektro-pneumatischen Systems erzeugten, elektrischen Steuersignals Uy um einen elektrischen Steuermittelwert cp in zwei elektrische Spiegelbildsignale vorgeschaltet ist und dass die Auftrennelektronik zum Einstellen des Steuermittelwerts cp ausgelegt ist, wobei die Vorsteuerstufe anhand des Steuermittelwerts cp und der Spiegelbildsignale zwei gegenläufig um einen pneumatischen Mittelwert einstellbare Vorsteuersignale erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektro-pneumatisches System zum Steuern eines doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs, der eine erste pneumatische Arbeitskammer und eine zweite pneumatische, davon unabhängige ansteuerbare Arbeitskammer aufweist.
Üblicherweise hat ein elektro-pneumatisches System eine pneumatische Vorsteuerstufe zum Erzeugen eines pneumatischen Vorsteuersignals, insbesondere einen I/P-Wandler, welches Vorsteuersignal an eine pneumatische Hauptsteuerstufe, wie einen Luftdruckverstärker, abge geben wird, der an eine Versorgungsdruckquelle von beispielsweise 6 bar Luftdruck angeschlossen ist. Für diesen beispielhaften Fall kann der Luftdruckverstärker einen maximalen Steuerdruck von 6 bar erzeugen.
Doppelt wirkende pneumatische Antriebe werden in der prozesstechnischen Industrie, insbesondere in der Kraftwerkstechnik, vielfach eingesetzt. Typische Anwendungen von doppelt wirkenden pneumatischen Stellantrieben sind beispielsweise auf anspruchsvolle Regelungsaufgaben gerichtet, bei denen beispielsweise eine Ventilklappe in einer Fluid führenden Rohrleitung schnell und positionssicher gestellt werden soll. Ein doppelt wirkender pneumatischer Antrieb bedarf keiner internen Federn, welche ein Stellglied des Antriebs in eine bestimmte Notposition verfahren soll, wenn der pneumatische Antrieb entlüftet wird. Der doppelt wirkende pneumatische Antrieb kann einen zwei pneumatische Arbeitskammern voneinander trennenden Stellkolben aufweisen, der an die Ventilklappe gekuppelt ist und bei einem definiert eingestellten Differenzdruck zwischen den Arbeitskammern verlagert wird. Doppelt wirkende Stellantriebe haben den allgemeinen Vorteil, besonders robust und dauerbeständig zu sein, wobei gleichzeitig ein konstruktiv einfacher und kostengünstiger Aufbau gewährleistet ist.
Üblicherweise wird der doppelt wirkende pneumatische Stellantrieb durch einen sogenannten elektro-pneumatischen Stellungsregler gesteuert, der anhand einer elektrischen Istgröße, wie die Position des Stellventils der prozesstechnischen Anlage, und eines elektrischen Sollwertsignals von der übergeordneten Leitwarte ein elektrisches Regelungssignal erzeugt und es mittels eines I/P-Wandlers in ein pneumatisches Vorsteuerungssignal umformt, das einem Umkehrverstärker zugeführt wird, der gegensinnige pneumatische Hauptsteuersignale an die Arbeitskammern des doppelt wirkenden pneumatischen Antriebs leitet. Die pneumatischen Arbeitskammern des doppelt wirkenden pneumatischen Antriebs werden gegenläufig um einen konstanten Druckmittelwert druckbeaufschlagt.
Ein Beispiel für einen doppelt wirkenden, pneumatischen Stellantrieb ist in DE 100 21 744 A1 angegeben, bei dem die Druckdifferenz zwischen den beiden Arbeitskammern des Stellantriebs als Regelgröße definiert ist. Zur Einstellung der Druckdifferenz empfängt der pneumatische Umkehrverstärker den von dem I/P-Wandler erzeugten Regeldruck, auf dessen Basis die gewünschte Stelldruckdifferenz in den Arbeitskammern des doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs erzeugt werden. Am ersten Ausgang des Umkehrverstärkers liegt der Regeldruck des I/P-Wandlers an, wobei am zweiten Ausgang ein entsprechend gegenläufiger Druck aufgebaut ist, der sich mit Regeldruck am ersten Ausgang auf den konstanten Versorgungsluftdruck beispielsweise von 6 bar ergänzt.
Hieraus ergibt sich eine funktionale Notwendigkeit des Umkehrverstärkers, dass die Abnahme des ersten Regeldruck in der ersten Arbeitskammer eine entsprechende Zunahme des zweiten Regeldrucks in der zweiten Arbeitskammer bedingt, wobei der Druckmittelwert unveränderlich ist.
Üblicherweise arbeitet ein doppelt wirkender, pneumatischer Stellantrieb mit Hilfe eines Versorgungsdrucks von etwa 6 bar, wobei ein konstanter Druckmittelwert von 3,5 bar zwischen der ersten und zweiten Arbeitskammer festgelegt ist. Der doppelt wirkende pneumatische Stellantrieb kann schnelle Regelungszyklen realisieren, hat aber den Nachteil, aufgrund der Kompressibilität des Betriebsmediums Luft bei 3,5 bar nicht ausreichend laststeif zu sein. Erfordert das Einsatzgebiet des Stellantriebs eine höhere Laststeifigkeit, so werden bekanntermaßen häufig hydraulische Stellenantriebe eingesetzt, die in der Anschaffung teuer und insbesondere wegen fehlender Umweltverträglichkeit des Hydrauliköls nicht für alle Anwendungen in Betracht kommen können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, insbesondere einen Stellungsregler bereitzustellen, der einen doppelt wirkenden, pneumatischen universal einsetzbaren Stellantrieb steuern soll und auch dann einsatzfähig ist, wenn Regelzyklen kombiniert mit einer hohen und insbesondere wählbaren Laststeifigkeit durch den Stellantrieb zu erreichen sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach ist das erfindungsgemäße elektro-pneumatische System dadurch verbessert, dass der pneumatischen Vorsteuerstufe eine Auftrennelektronik zum gegensinnigen Aufteilen eines von dem elektro-pneumatischen System empfangenen oder von einer Reglerelektronik des elektro-pneumatischen Systems erzeugten, elektrischen Steuersignals um einen elektrischen Steuermittelwert in zwei elektrische Spiegelbildsignale vorgeschaltet ist. Erfindungsgemäß ist die Auftrennelektronik zum Einstellen des Steuermittelwerts ausgelegt, wobei die Vorsteuerstufe anhand des Steuermittelwerts und der Spiegelbildsignale zwei gegenläufig um einen pneumatischen Mittelwert eingestellte Vorsteuersignale erzeugt. Die pneumatischen Vorsteuersignale werden jeweils einer Hauptsteuerstufe zugeführt, um die jeweiligen Arbeitskammern des doppelt wirkenden Stellantriebs mit dem eingestellten Druckmittelwert und der jeweiligen Druckdifferenz zu beaufschlagen.
Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme der Vorschaltung einer Auftrennelektronik ist ein pneumatischer Umkehrverstärker entbehrlich. Auf diese Weise ist das elektro-pneumatische System in dessen Aufbau wesentlich einfacher und kostengünstiger. Vor allem ist die feste Zuordnung der Ausgangsdrücke und damit ein unveränderbarer Druckmittelwert überwunden, weil erfindungsgemäß die Erzeugung der Druckdifferenz mittels geläufiger Signale von der Pneumatikseite weg hin zur Elektronikseite verschoben ist. Erfindungsgemäß kann nun der Druckmittelwert zwischen den pneumatischen Ausgangssignalen beliebig stufenlos zwischen Atmosphäre und maximalem Versorgungsdruck (beispielsweise 6 bar) vergestellt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Stellungsregler für einen doppelt wirkenden pneumatischen Stellantrieb bereitgestellt werden, der für eine schnelle Regelung lastweich und in bestimmten Betriebssituationen laststeif arbeitet.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat die pneumatische Vorsteuerstufe zwei voneinander unabhängig elektrisch ansteuerbare I/P-Wandler, von denen ein I/P-Wandler ein erstes elektrisches Spiegelbildsignal von der Auftrennelektronik erhält, während der andere I/P-Wandler das zweite elektrische Spiegelbildsignal erhält, das zum ersten elektrischen Spiegelbildsignal im Hinblick auf einen veränderlichen Mittelwert gegensinnig ist.
Es sei klar, dass die Spiegelbildsignale der Auftrennelektronik auch derart eingestellt werden können, dass beide pneumatische Arbeitskammern mit dem maximalen Versorgungsdruck der jeweiligen Hauptstufe beaufschlagt werden können, um den doppelt wirkenden pneumatischen Stellantrieb möglichst steif zu bilden. Die Summe, also der Druckmittelwert, der in den Arbeitskammern herrschenden Drücke kann allerdings deutlich unter 3 bar, beispielsweise bei 1 oder 2 bar, liegen, um schnell veränderliche Regelungszyklen realisieren zu können.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hat die Auftrennelektronik einen Spannungsteiler, der das Steuersignal empfängt und zwei gegensinnig um einen veränderlichen Spannungsmittelwert eingestellte Spannungsteuersignale erzeugt.
Dabei kann der Spannungsteiler mit zwei Spannungs/Strom-Wandlern verbunden sein, von denen ein Spannungs/Strom-Wandler das erste Spannungssteuersignal empfängt, während der andere Spannungs/Strom-Wandler das zweite dazu gegensinnige Spannungssteuersignal empfängt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Ausgang des jeweiligen Spannungs/Strom-Wandlers mit jeweils einem UP-Wandler verbunden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist das elektro-pneumatische System als Stellungsregler ausgeführt und hat einen Mikroprozessor zum Empfangen eines Stellungs-Sollwerts und eines Stellungs-Istwerts von einem Positionssensor, auf deren Basis das elektrische Steuersignal erzeugt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist an die Auftrennelektronik eine Einrichtung zum Einstellen des Steuermittelwerts angeschlossen. Die Einstelleinrichtung kann vorzugsweise einen von der Außenseite des Systems bedienbaren Betätigungsknopf oder -schalter umfassen. Beispielsweise kann die Einstelleinrichtung einen Einstellwert über ein Kommunikationsmittel, wie HART, BUS, Funk, Bluetooth, Zigbie-Wlan, etc., empfangen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen elektropneumatischen System sowie mit einer der pneumatischen Vorsteuerstufe nachgeschalteten Hauptsteuerstufe, die aus zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren, pneumatischen Verstärkern gebildet sind. Die pneumatischen Verstärker sind jeweils an eine Versorgungsdruckquelle beispielsweise von 6 bar angeschlossen.
Vorzugsweise ist ein pneumatischer Verstärker mit dem Ausgang eines I/P-Wandlers der pneumatischen Vorsteuerstufe verbunden, während der andere pneumatische Verstärker mit dem Eingang des anderen I/P-Wandlers der pneumatischen Vorsteuerstufe verbunden ist.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind ein erster I/P-Wandler der pneumatischen Vorsteuerstufe und ein damit verbundener pneumatischer Verstärker in einem geschlossenen, insbesondere eigensicheren Gehäuse enthalten, während der zweite I/P-Wandler der Vorsteuerstufe und der damit verbundenen pneumatischen Verstärker der Hauptsteuerstufe in einem zweiten, von dem ersten Gehäuse getrennten, geschlossenen, insbesondere eigensicheren Gehäuse untergebracht sind, das insbesondere an dem ersten Gehäuse befestigt ist.
Vorzugsweise sind die pneumatische Vorsteuerstufe und die pneumatische Hauptsteuerstufe in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erweitern oder Upgraden eines bestehenden elektro-pneumatischen Systems zum Steuern eines doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs, der eine erste pneumatische Arbeitskammer und eine zweite davon unabhängig ansteuerbare Arbeitskammer aufweist, wobei das elektro-pneumatische System einen Strom/Druck-Wandler und einen darin angeschlossenen pneumatischen Verstärker umfasst. Erfindungsgemäß werden ein zweiter I/P-Wandler und ein zweiter mit dem zweiten I/P-Wandler verbundener pneumatischer Verstärker vorgesehen. Es werden zwei um einen veränderbaren Mittelwert gegensinnig aufgeteilte, elektrische Steuersignale erzeugt und den I/P-Wandlern jeweils ein elektrisches Steuersignal zugeführt, um gegenläufige, pneumatische Vorsteuersignale zu erzeugen, um sie dem jeweiligen pneumatischen Verstärker zuzuführen.
Durch das erfindungsgemäße elektro-pneumatische System, die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Upgrade-Verfahren kann der doppelt wirkende, pneumatische Antrieb nicht nur im Hinblick auf die veränderbare Luftdruckdifferenz in den Arbeitskammern eingestellt werden, die sich durch die gegenläufigen Arbeitskammerdrücke ergibt, sondern auch der Druckmittelwert zwischen den einstellbaren Arbeitskammerdrücken kann eingestellt werden, um die Steifigkeit des doppelt wirkenden, pneumatischen Stellantriebs einzustellen. Die Höhe des Arbeitskammerdruckmittelwerts wird bereits auf der elektronischen Ebene des elektro-pneumatischen Systems durch Festlegung des Mittelwerts eingestellt, indem neben den gegensinnigen Steuersignalen auch der Steuermittelwert eingestellt wird. Dies bedeutet, dass bei mit einer Versorgungsdruckquelle von 6 bar angeschlossene, pneumatischen Hauptverstärkern der Druckmittelwert von Atmosphären bis 6 bar einstellbar ist. Es sei klar, dass die größte Druckdifferenz in den Arbeitskammern dann erreicht wird, wenn der Druckmittelwert bei etwa 3,5 bar liegt. Bei einem Druckmittelwert von 4 bar steht eine Druckdifferenz von maximal 4 bar zur Verfügung. Bei einem Druckmittelwert von 5 bar steht eine maximale Druckdifferenz von 2 bar zur Verfügung.
Die Druckdifferenz bewirkt die relative Verschiebung des Stellkolbens des pneumatischen, doppelt wirkenden Stellantriebs, während der eingestellte Druckmittelwert die Steifigkeit des doppelt, wirkenden pneumatischen Stellantriebs festlegt.
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung werden durch die vorliegende Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
1 ein Schaubild eines elektro-pneumatischen Systems gemäß dem Stand der Technik zum Steuern eines doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs;
2 ein Schaubild eines erfindungsgemäßen elektro-pneumatischen Systems;
3 ein Schaubild eines erfindungsgemäßen Feldgerats mit einem erfindungsgemäßen doppelt wirkenden Stellantrieb;
4 ein Schaubild eines erfindungsgemäßen Feldgerats in einer weiteren Ausführung mit einem doppelt wirkenden pneumatischen Stellantrieb;
5 ein Schaubild eines erfindungsgemäßen Feldgerats in einer weiteren Ausführung mit einem doppelt wirkenden pneumatischen Stellantrieb; und
6a bis 6c Diagramme, welche den Verlauf elektrischer Spannungs-Steuersignale U_y+, U_y– und dessen veränderlichen Mittelwert cp (16%, 76%, 50%).
Im Allgemeinen umfasst ein herkömmlicher Stellungsregler für einen doppelt wirkenden, pneumatischen Stellantrieb ein bekanntes elektro-pneumatisches System a, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist. Das elektro-pneumatische System hat einen elektronischen Regler b, der einen elektrischen Positions-Sollwert U_W von einer nicht dargestellten, übergeordneten Leitwarte der Prozessanlage und einen elektronischen Positions-Istwert U_X von einem nicht näher dargestellten Positionssensor empfängt und verarbeitet, der die Position eines zu stellenden Prozessventilglieds erfasst.
Der elektronische Regler b errechnet ein elektrisches Steuersignal U_Y und gibt dies über dessen Ausgang an den Eingang eines U/I-Wandlers c ab, der ein entsprechendes elektrisches Steuerstromsignal erzeugt und an einen I/P-Wandler d weiterleitet. Auf der Basis des Steuerstromsignals erzeugt der I/P-Wandler ein pneumatisches Vorsteuersignal, das an eine Hauptsteuerstufe in Form eines Luftleistungsverstärkers e weitergegeben wird, der an einen Versorgungsluftdruck (nicht in der Zeichnung dargestellt) von 6 bar angeschlossen ist.
Der an den Luftleistungsverstärker e anschließende pneumatische Umkehrverstärker f dient dazu, zwei um einen konstanten Druckmittelwert von etwa 3,5 bar gegensinnig eingestellte, pneumatische Hauptsteuersignale H₊, H_– zu erzeugen, die dann mit der jeweiligen Arbeitskammer des doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs beaufschlagt werden. Das Entlüften des pneumatischen Antriebs geschieht über den Entlüftungsanschluss g. Der Druckmittelwert des Umkehrverstärkers f lässt sich nicht einstellen, so dass der doppelt wirkende, pneumatische Stellantrieb eine unveränderliche Laststeifigkeit aufweist. Die Mechanik des Umkehrverstärkers f lässt nur eine sehr ungenaue Einstellung der pneumatischen Hauptsteuersignale zu, weswegen Nacheinstellungen des Stellkolbens des doppelt wirkenden Stellantriebs notwendig sind.
Das erfindungsgemäße elektro-pneumatische System ist in der Ausführung gemäß 2 im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 1 versehen und ist als Stellungsregler ausgeführt. Das elektro-pneumatische System 1 umfasst einen elektronischen Regler 3, der einen Positions-Sollwert U_W von einer Anlagenleitwarte (nicht dargestellt) und einen Positions-Istwert U_X von einem Positionssensor (nicht dargestellt) empfängt. Der elektronische Regler 3 errechnet ein elektrisches Steuersignal U_y, das einer erfindungsgemäßen Auftrennelektronik 5 zugeführt wird. Die Auftrennelektronik 5 umfasst einen Spannungsteiler 7, der das elektrische Spannungs-Steuersignal U_Y in ein erstes Spannungs-Steuersignal U_y+ und in ein zweites Spannungs-Steuersignal U_y– aufteilt. Die Spannungs-Signale U_y+, U_y– besitzen eine Gegensinnigkeit um einen Steuermittelwert cp, welche Gegensinnigkeit schließlich zur gewünschten Druckdifferenz in den Arbeitskammern des doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs bewirken soll, welche Druckdifferenz einer bestimmten Verlagerung des Stellkolbens des doppelt wirkenden, pneumatischen Stellantriebs entspricht. Der von der Auftrennelektronik 5 erzeugte Mittelwert ist veränderlich und entspricht dem Druckmittelwert, um den sich die Steuerdrücke gegensinnig verhalten sollen. Jeder erzeugte Mittelwert entspricht einem bestimmten Steuerdruckmittelwert.
Der Spannungsteiler 7 ist mit einer von der Außenseite 8 des elektro-pneumatischen Systems 1 bedienbaren Arbeitsdruckmittelwerteinstellrichtung 9 beispielsweise in Form eines Drehknopfs verbunden, über die der elektrische Steuermittelwert cp einstellbar ist, um den die gegensinnigen Spannungs/Steuersignale U_y+, U_y– veränderlich sind.
Sowohl das erste Spannungs-Steuersignal U_Y+ als auch das zweite Spannungs-Steuersignal U_y– werden einem ersten U/I-Wandler 11 bzw. einem zweiten U/I-Wandler 13 zugeführt, der aus den elektrischen Spannungs-Steuersignalen U_y+, U_y– ein erstes bzw. zweites Stromsteuersignal erzeugt, die dem Eingang eines ersten I/P-Wandlers 15 bzw. eines zweiten I/P-Wandlers 17 zugeführt werden. In den ersten und zweiten I/P-Wandler werden gegensinnige pneumatische Vorsteuersignale zugeführt, nämlich ein erstes Vorsteuersignal P₊ und ein zweites Vorsteuersignal P_–. Das erste und das zweite pneumatische Vorsteuersignal P₊, P_– besitzen die gewünschte Gegensinnigkeit um einen eingestellten pneumatischen Vorsteuermittelwert.
Die Vorsteuersignale P₊, P_– sind selbständige Drucksignale mit einer absoluten Signalhöhe. Der pneumatische Vorsteuermittelwert ergibt sich aus dem Mittelwert der absoluten Vorsteuersignale P₊, P_–. Die beiden pneumatischen Vorsteuersignale P₊, P_ werden einem ersten Luftleistungsverstärker 19 bzw. einem zweiten Luftleistungsverstärker 21 zugeführt wird. Beide Luftleistungsverstärker 19, 21 sind an eine eigene Versorgungsdruckquelle 23, 25 von 6 bar angeschlossen. Die pneumatischen Hauptsteuersignale H₊, H_ werden den jeweiligen pneumatischen Arbeitskammern des pneumatisch wirkenden Stellantriebs zugeführt.
Mit dem erfindungsgemäßen elektro-pneumatischen System 1 ist ein Umkehrverstärker (f) entbehrlich. Zudem kann der pneumatische Hauptsteuermittelwert einfach eingestellt werden, um die Steifigkeit des doppelt wirkenden Stellantriebs beliebig stufenlos einzustellen.
In 3 ist eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Feldgerts 31 mit einem erfindungsgemäßen, als Stellungsregler ausgeführten elektro-pneumatischen System 1 dargestellt, das in einem gemeinsamen eigensicheren Gehäuse 33 untergebracht ist. Zur einfachen Lesbarkeit der Figurenbeschreibung werden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Bestandteile des elektro-pneumatischen Systems wie in 2 auch in 3 verwendet.
Der elektronische Regler 3 empfängt einen elektrischen Positions-Sollwert U_W von einer übergeordneten, nicht dargestellten Leitwarte einer Prozessanlage. Das elektrische Positions-Istwert U_X wird von einem Positionssensor 35 an den Eingang 37 des elektronischen Reglers 3 durch das Gehäuse 33 des Stellungsreglers hindurch zugeführt.
Die gegensinnigen, pneumatischen Hauptsteuersignale H₊, H_ der Hauptsteuerstufe werden über Pneumatikleitungen 39, 41 einer ersten Arbeitskammer 27 bzw. einer zweiten Arbeitskammer 29 eines doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs 43 übertragen. Der doppelt wirkende pneumatische Stellantrieb 43 hat einen verschiebbaren Trennkolben 45, der die erste Arbeitskammer 27 von einer zweiten Arbeitskammer 29 trennt, so dass die Arbeitskammer 27, 29 unabhängig voneinander pneumatisch ansteuerbar sind.
Der Trennkolben 45 ist mit einem Stellventil 47 der prozesstechnischen Anlage über eine Stellstange 49 verbunden, deren Position der Positionssensor 35 erfasst. Das Stellventil 47 dient dazu, einen Fluidstrom innerhalb einer Fluidleitung der prozesstechnischen Anlage zu regeln.
Wie in 3 ersichtlich ist, kann die Auftrennelektronik 5, der zweite I/P-Wandler, der zweite Luftleistungsverstärker 21 sowie ein Elektronikteil der Arbeitsdruckkammermittelwerteinstelleinrichtung 9 innerhalb eines separaten Innengehäuses 51 angeordnet sein, das innerhalb des Stellungsreglergehäuses 33 untergebracht ist. Die Einstelleinrichtung 9 ist von außen betätigbar, was durch den Pfeil 53 angedeutet ist. Auf diese Weise kann die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen elektro-pneumatischen Systems 1 auch auf bereits bestehende elektro-pneumatische Systeme übertragen werden, indem Systemkomponenten in dem zusätzlichen Innengehäuse 51 in das Stellungsreglergehäuse 33 eingebaut werden und an den Regler angeschlossen werden. Zudem hat das Innengehäuse 51 zwei Ausgänge, einen elektrischen Ausgang für den ersten I/P-Wandler und einen pneumatischen Ausgang zum Anschluss der zweiten Pneumatikleitung 41.
Eine Feldgerätausführung gemäß 4 unterscheidet sich von der gemäß 3 dadurch, dass auf die Pneumatikleitungen 39, 41 für die Hauptsteuersignale H₊, H_ Drucksensoren 61, 63 zugreifen. Die erfassten elektrischen Drucksignale H₊, H_– werden dem elektronischen Regler 3 zugeführt, um anhand des Position-Istwerts U_X unter Umständen die Hauptsteuersignale H₊, H_– sowie deren absoluten Werte im Hinblick auf den Arbeitsmitteldruckwert cp nachzuregeln.
Die Feldgerätausführung gemäß 5 unterscheidet sich von der Ausführung gemäß 4 dadurch, dass das Stellungsreglergehäuse 33 von einem zusätzlichen Außengehäuse 69 für die Auftrennelektronik 5, einem Elektronikteil der Einstelleinrichtung 9, dem zweiten I/P-Wandler und dem zweiten Luftleistungsverstärker 21 getrennt sind. Das zusätzliche Außengehäuse 69 ist unter Ausbildung eines Eingangs zum Empfangen des elektrischen Steuersignals U_Y, eines Pneumatikausgangs für die Übertragung des ersten Stromsteuersignals an den ersten I/P-Wandler 15 und einem pneumatischen Ausgang zum Übertragen des zweiten Hauptsteuersignals H_ an die zweite Arbeitskammer 29 des doppelt wirkenden pneumatischen Antriebs 43 an dem Stellungsreglergehäuse 33 angeflanscht. Das Stellungsreglergehäuse 33 hat entsprechende Ausgänge bzw. Eingänge, die spiegelsymmetrisch zu dem Eingang/Ausgang des Außengehäuses 69 positioniert sind.
In den Diagrammen 6a bis 6c ist die unterschiedliche Druckbeaufschlagbarkeit der Arbeitskammern 27, 29 des doppelt wirkenden, pneumatischen Stellantriebs 43 angedeutet, wobei in den jeweiligen Diagrammen 6a bis 6c jeweils ein unterschiedlicher Druckarbeitsmittelwert cp sowie die möglichen Verläufe der absoluten Spannungssteuersignale U_y+ und U_y– dargestellt sind, die zu den absoluten Hauptsteuermittelwerten H₊, H_– führen.
In 6a ist der Arbeitsdruckmittelwert cp bei 50% eingestellt, d. h. 50% (3,5 bar) einer maximalen Druckbeaufschlagung von 6 bar ist als Druckmittelwert der Arbeitsdrücke in den Arbeitskammern festgelegt. Um den Trennkolben 45 des doppelt wirkenden Stellantriebs zu bewegen, ist nunmehr ausgehend von dem Arbeitsdruckmittelwert cp eine Druckdifferenz durch Erzeugung der gegenläufigen Steuersignale U_y+ und U_y– zu generieren. Dabei kann für die Steuersignale der vollständige Bereich von 0 bis 100% genutzt werden. Beispielsweise kann für das erste Steuersignal U_y+ 100% Wertsignal (d. h. 6 bar) eingestellt werden, wodurch wegen der Gegensinnigkeit, das Steuersignal U_y– bei 0%, also bei Atmosphärendruck, liegen kann. In diesem Fall ist eine maximale Verschiebung des Trennkolbens 45 erreichbar.
Ist hingegen der Arbeitsdruckmittelwert cp auf 76% eingestellt, wie in 6b dargestellt ist, herrscht ein Arbeitsdruckmittelwert von etwa 4,6 bar. Auf diese Weise ist die Laststeifigkeit des doppelt wirkenden, pneumatischen Stellantriebs gegenüber dem Betriebszustand gemäß 6a erhöht. Mit einem Arbeitsdruckmittelwert von cp = 76% ist die maximale Druckdifferenz zwischen den Arbeitskammern auf 48% (2 × 24%) begrenzt. Sollte für den ersten Steuersignal U_y+ ein 6 bar-Druckwert eingestellt werden, ist der gegensinnige Steuersignalwert U_y– auf entsprechende 52% (76%–24%) festgelegt.
In 6c ist eine Betriebssituation mit einem reduzierten Arbeitsdruckmittelwert cp von 16% dargestellt. Auf diese Weise ist der doppelt wirkende, pneumatische Stellantrieb lastweich. Der tatsächliche Arbeitsdruckmittelwert liegt bei 2 bar, wobei eine maximale Druckmittelwertdifferenz in den Arbeitskammern 27, 29 von 32%, d. h. 3 bar, zugelassen wird. Dabei könnte der Arbeitsdruck in der ersten Arbeitskammer auf 2 bar maximal eingestellt werden, während der Druck in der zweiten Arbeitskammer 1,0 bar ist.
Mit der Veränderung des Arbeitsdruckmittelwerts cp von 50%, um die Steifigkeit zu erhöhen oder zu senken, nimmt entsprechend die maximal einstellbare Druckdifferenz in den Arbeitskammern 27, 29 ab.
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.

1: elektro-pneumatisches System
3: elektronischer Regler
5: Auftrennelektronik
7: Spannungsleiter
8: Außenseite
9: Arbeitsdruckmittelwerteinstelleinrichtung
11, 13: U/I-Wandler
15, 17: I/P-Wandler
19, 21: Luftleistungsverstärker
23, 25: Versorgungsdruckquelle
27, 29: Arbeitskammer
31: Feldgerät
33: Gehäuse
35: Positionssensor
37: Eingang
39, 41: Pneumatikleitungen
43: pneumatischer Stellantrieb
45: Trennkolben
47: Stellventil
49: Stellstange
51: Innengehäuse
33: Stellungsreglergehäuse
53: Pfeil
61, 63: Drucksensor
69: Außengehäuse
a: elektro-pneumatisches System
b: elektronischer Regler
c: U/I-Wandler
d: I/P-Wandler
e: Luftleistungsverstärker
f: Umkehrverstärker
g: Entlüftungsanschluss
H₊, H_–: pneumatische Hauptsteuersignale
P₊, P_–: pneumatische Vorsteuersignale
U_W: elektrischer Positions-Sollwert
U_X: elektrischer Positions-Istwert
U_Y: elektrisches Steuersignal
U_y+, U_y–: elektrische Spannungs-Steuersignale
cp: elektrischer Steuermittelwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10021744 A1 [0005]

Claims

Elektro-pneumatisches System (1) zum Steuern eines doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs (43), der eine erste pneumatische Arbeitskammer (27) und eine zweite pneumatische, davon unabhängig ansteuerbare Arbeitskammer (29) aufweist, umfassend eine pneumatische Vorsteuerstufe zum Erzeugen eines pneumatischen Vorsteuersignales zur Weiterleitung an eine pneumatische Hauptsteuerstufe, dadurch gekennzeichnet, dass der pneumatischen Vorsteuerstufe eine Auftrennelektronik (5) zum gegensinnigen Aufteilen eines von dem elektro-pneumatischem System (1) empfangenen oder von einer Reglerelektronik (3) des elektro-pneumatischen Systems (1) erzeugten, elektrischen Steuersignals U_Y um einen elektrischen Steuermittelwert cp in zwei elektrische Spiegelbildsignale vorgeschaltet ist und dass die Auftrennelektronik (5) zum Einstellen des Steuermittelwerts cp ausgelegt ist, wobei die Vorsteuerstufe anhand des Steuermittelwerts cp und der Spiegelbildsignale zwei gegenläufig um einen pneumatischen Mittelwert einstellbare Vorsteuersignale erzeugt.
Elektro-pneumatisches System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatische Vorsteuerstufe zwei voneinander unabhängig ansteuerbare I/P-Wandler (15, 17) aufweist, von denen ein I/P-Wandler (15) das eine elektrische Spiegelbildsignal erhält, während der andere I/P-Wandler (17) das andere elektrische Spiegelbildsignal erhält.
Elektro-pneumatisches System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Auftrennelektronik (5) einen Spannungsteiler (7) aufweist, der das Steuersignal U_Y empfängt und zwei um einen Spannungsmittelwert gegensinnig eingestellte Spannungssteuersignale U_Y+, U_Y– erzeugt.
Elektro-pneumatisches System (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler (7) mit zwei Spannungs/Strom-Wandlern (11, 13) verbunden ist, von denen ein Spannungs/Strom-Wandler (11) das eine Spannungssteuersignal U_y+ empfängt, während der andere Spannungs/Strom-Wandler (13) das andere gegensinnige Spannungssteuersignal U_Y– empfängt.
Elektro-pneumatisches System (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang des jeweiligen Spannungs/Strom-Wandlers (11, 13) mit jeweils einem I/P-Wandler (15, 17) verbunden ist.
Elektro-pneumatisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Stellungsregler ausgeführt ist und einen Mikroprozessor zum Empfangen eines Stellungssollwerts (U_W) und eines Stellungsistwerts (U_X) von einem Positionssensor (35) aufweist, auf deren Basis das elektrische Steuersignal U_Y erzeugt ist.
Elektro-pneumatisches System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Auftrennelektronik (5) eine elektrische Einrichtung (9) zum Einstellen des Steuermittelwerts cp angeschlossen ist.
Elektro-pneumatisches System (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass die Einstelleinrichtung (9) einen von der Außenseite des Systems bedienbaren Betätigungsknopf (9) umfasst.
Elektro-pneumatisches System (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung (9) einen Einstellwert über Kommunikationsmittel, wie HART, BUS, Funk, Bluetooth, ZigbieWLAN, etc., empfängt.
Anordnung mit einem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildeten elektropneumatischem System (1) und mit einer der pneumatischen Vorsteuerstufe nachgeschalteten Hauptsteuerstufe, die aus zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren pneumatischen Verstärkern (19, 21) gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein pneumatischer Verstärker (19) mit dem Ausgang eines I/P-Wandlers (15) verbunden ist, während der andere pneumatische Verstärker (19) mit dem Eingang des anderen I/P-Wandlers (17) der Vorsteuerstufe verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster I/P-Wandler (15) der pneumatischen Vorsteuerstufe und ein damit verbundener pneumatischer Verstärker (19) in einem abgeschlossenen ersten Gehäuse (33) enthalten sind, während der zweite I/P-Wandler (17) der Vorsteuerstufe und der damit verbundene pneumatische Verstärker (21) der Hauptsteuerstufe in einem zweiten abgeschlossenen Gehäuse (51, 69) untergebracht sind, das insbesondere in oder an dem ersten Gehäuse (33) befestigt ist.
Anordnung nach einem der Ansprühe 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatische Vorsteuerstufe und die pneumatische Hauptsteuerstufe in einem gemeinsamen Stellungsreglergehäuse (33, 51) untergebracht sind.
Verfahren zum Erweitern eines bestehenden elektro-pneumatischen Systems (1) zum Steuern eines doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs (43), der eine erste pneumatische Arbeitskammer (27) und eine zweite pneumatische, davon unabhängige ansteuerbare Arbeitskammer (29) aufweist, wobei das elektro-pneumatische System (1) einen ersten Strom/Druck-Wandler (15) und einen zweiten daran angeschlossenen pneumatischen Verstärker (19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter I/P-Wandler (17) und ein zweiter, mit dem zweiten I/P-Wandler (17) verbundener pneumatischer Verstärker (21) vorgesehen wird und zwei gegensinnig aufgeteilte, elektrische Steuersignale erzeugt werden und den I/P-Wandlern (15, 17) jeweils ein elektrisches Steuersignal zugeführt wird, um ein erstes und ein zweites gegenläufiges, pneumatisches Vorsteuersignal zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es gemäß der Arbeitsweise des nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildeten Systems verfährt.