DE102009004569B4 - Verfahren und elektronische Einrichtung zur Kompensation der Hysterese von pneumatisch angetriebenen Armaturen - Google Patents

Verfahren und elektronische Einrichtung zur Kompensation der Hysterese von pneumatisch angetriebenen Armaturen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Kompensation der Hysterese einer pneumatisch angetriebenen Armatur (2), mit einem von einem Stellungsregler (9) angesteuerten elektro-pneumatischen Ventil (13), das in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsregelung des Schaltgliedes (7) eines pneumatischen Stellantriebes (6) für die hiervon zu betätigende Armatur (2) eingesetzt wird, wobei die Hysterese des Systems durch den Stellungsregler (9) über mindestens einen Hysterese-Korrekturfaktor kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die regelungstechnische Kompensation der Hysterese separat für einen ersten Grundfall eines Anfahrens oder Umsteuerns des Schaltgliedes (7) sowie einen zweiten Grundfall einer kontinuierlichen Bewegung des Schaltglieds (7) durchgeführt wird, so dass im ersten Grundfall die dominierende Haftreibung und im zweiten Grundfall de dominierende Gleitreibung kompensiert wird, indem der pneumatische Stellantrieb (6) das Schaltglied (7) jeweils hieran angepasst betätigt, indem jeweils ein durch signaltechnische Analyse der Ragelkreiseigenschaften ermittelter Öffnungspunkt als Offset zur Ansteuerung des elektro-pneumatischen Ventils (13) eingestellt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Hysterese einer pneumatisch angetriebenen Armatur, mit einem von einem Stellungsregler angesteuerten elektro-pneumatischen Ventil, das in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsregelung des Schaltgliedes eines pneumatischen Stellantriebs für die hiervon zu betätigende Armatur eingesetzt wird, wobei die Hysterese des Systems durch den Stellungsregler über mindestens einen Hysterese-Korrekturfaktor kompensiert wird. Ferner betrifft die Erfindung auch eine elektronische Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein hiermit im Zusammenhang stehendes Computerprogrammprodukt nebst Datenträger.
  • Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf pneumatische Stellantriebe. Diese umfassen gewöhnlich einen elektronische Stellungsregler, der nach Maßgabe eines vorgegebenen Sollwerts einen gewünschten Öffnungsgrad einer am pneumatischen Stellantrieb angeschlossenen Armatur regelt. Die Armatur kann beispielsweise ein Prozessventil sein, welches innerhalb eines Rohrleitungssystems einer verfahrenstechnischen Anlage eingebaut ist. Daneben ist ein pneumatischer Stellantrieb der hier interessierenden Art auch zur Betätigung anderer industrieller Armaturen und dergleichen geeignet.
  • Aus dem Produktprospekt „Der kompakte, intelligente Stellungsregler”, (ABB Automation Products GmbH, Drucknummer: 50/18–19 DE RevA, Auflage: Juni 2005) geht ein elektronischer Stellungsregler für einen pneumatischen Stellantrieb hervor. Der Stellungsregler ist als eine Art Elektronikbox ausgebildet, die außen am pneumatischen Stellantrieb angebracht ist. Der Stellungsregler ist ein parametrierbares und – vorzugsweise per Feldbus – kommunikationsfähiges Gerät. Im Funktionsmittelpunkt steht der mikroprozessorgesteuerte Ablauf eines Regelungsprogramms. Die Sollwertvorgabe erfolgt hier über einen in Zweileitertechnik ausgeführten Feldbusanschluss. Der Stellungsregler weist weiterhin einen Zuluftanschluss für Luftdruck bis maximal 6 bar sowie einen Arbeitsanschluss zur Weiterleitung des vom Stellungsregler generierten Steuerdrucks an die Steuerkammer des pneumatischen Stellungsreglers auf.
  • Weiterhin weist der Stellungsregler zur Zuführung des Istwerts der aktuellen Position des vom pneumatischen Stellantrieb betätigten Schaltgliedes einen Sensoreingang auf. Der Istwert der aktuellen Position wird über einen am Schaltglied angeordneten Positionssensor gewonnen. Die pneumatische Ansteuerung des Stellantriebs erfolgt stetig mit einem I/P-Modul mit nachgeschaltetem 3/3-Wegeventil. Das 3/3-Wegeventil verstellt möglichst proportional den Durchlass zum Be- oder Entlüften des Stellantriebes. In einer Mittelposition wird eine Abschlussstellung eingenommen, bei welcher sämtliche äußeren Anschlüsse blockiert sind. Die Parametrierung und Beobachtung des Betriebszustandes des Stellungsreglers kann entweder mit einem eingebauten Bedienpanel direkt vor Ort oder über den Kommunikationsanschluss auf Basis des Busprotokolls per übergeordneter Steuereinheit zentral erfolgen.
  • Aus US 2007/0045579 A1 geht ein pneumatischer Stellungsregler hervor, der als I/P-Modul mit 3/3-Wegeventil ausgebildet ist. Die 3/3-Schaltstellung ermöglicht die Positionen Belüften, Abschlussstellung und Entlüften eines Arbeitsanschlusses, der den Steuerdruck für den angeschlossenen pneumatischen Stellantrieb liefert. Das elektro-pneumatische Ventil mit 3/3-Schaltfunktion weist zwei in einander entgegengesetzte Richtungen der Stellbewegung weisende und untereinander gleich groß wirksame Verschlusselemente auf, die jeweils eine interne Steuerkammer begrenzen, wobei beide Steuerkammern ein gemeinsamer Steuerdruckanschluss zugeordnet ist. Während das eine Verschlusselement der Belüftung des Arbeitsanschlusses dient, dient das andere Verschlusselement der Entlüftung des Arbeitsanschlusses. Werden beide Verschlusselemente nicht betätigt, so befindet sich das Ventil in der Abschlussstellung.
  • Aus der DE 101 22 776 B4 ist eine Anordnung und ein Verfahren zur Steuerung eines Ventils bekannt, bei dem die Kompensation der Haftreibung wie der Gleitreibung jeweils durch Berechnung eines Reibungskompensationswertes, der zur Erhöhung oder Erniedrigung eines kompensierenden Steuerwerts herangezogen wird, erfolgt.
  • Ferner ist aus der DE 196 45 210 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Lage eines reibungsbehafteten Stellers bekannt, bei dem der Steller durch Überlagerung von zwei Reglern ständig im Zustand der Gleitreibung gehalten wird.
  • Zur Stellungsreglung soll ein solches oder ähnliches elektro-pneumatischen Ventil ein möglichst proportionales Verhalten von elektrischem Ansteuersignal zu dem gelieferten pneumatischen Stellwert des Schaltgliedes liefern, wobei auf der pneumatischen Seite Störgrößen rückwirken, welche von den Kräften am Schaltglied der Armatur sowie der Hysterese verursacht werden. Weiterhin stören Einflussgrößen, wie Temperaturschwankungen, Druckschwankungen und dergleichen das ideale Proportionalitätsverhältnis. Um dennoch ein möglichst lineares Verhalten zu erzielen, berücksichtigt der Stellungsregler teilweise sensortechnisch ermittelte Korrekturwerte. Die hiermit erzielbaren Ergebnisse sind jedoch meist nicht zufriedenstellend. Ein wesentlicher Einflussfaktor bildet dabei die Hysterese der Ventilmechanik.
  • Diese Problematik wurde gemäß des allgemeinen Standes der Technik bislang signalverarbeitungstechnisch derart gelöst, dass über einen festgesetzten Korrekturfaktor eine Reibungsunterdrückung der Gleitreibung durchgeführt wird. Allerdings dominiert während der Anlaufphase der Ventilmechanik aus einer Ruhestellung heraus die Haftreibung, welche bislang nicht hinreichend kompensiert worden ist.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine elektronische Einrichtung zur Kompensation der Hysterese zu schaffen, welche auf die unterschiedlichen Ursachen der Hysterese eingehend die Regelgüte des pneumatischen Stellantriebes verbessert.
  • Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Im Hinblick auf eine hierzu korrespondierende elektronische Einrichtung wird auf Anspruch 6 verwiesen. Der Anspruch 8 beinhaltet ein das Verfahren umsetzendes Computerprogrammprodukt, welches auf der elektronischen Einrichtung ausgeführt wird. Der Anspruch 9 beinhaltet einen Datenträger mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8.
  • Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass die reglungstechnische Kompensation der Hysterese separat für einen ersten Grundfall eines Anfahrens oder Umsteuerns des Schaltgliedes sowie einen zweiten Grundfall eine kontinuierlichen Bewegung des Schaltgliedes durchgeführt wird, so dass im ersten Grundfall die dominierende Haftreibung und im zweiten Grundfall die dominierende Gleitreibung kompensiert wird, in dem der pneumatische Stellantrieb das Schaltglied jeweils hieran angepasst betätigt.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass während des Betriebes des pneumatischen Stellantriebs automatisch eine auf verschiedene Charakteristika angepasste Kompensation der Hysterese durchführbar ist, was sich – insbesondere für die Phase des Anfahrens des Schaltgliedes – in einer besseren Regelgüte äußert. Hierzu ist nicht eine spezielle zusätzliche Sensorik erforderlich. Die Eingangswerte lassen sich über den sowieso am Schaltglied vorhandenen Positionssensor gewinnen, woraus sich eine Bewegungskennlinie ermitteln lässt.
  • Vorzugsweise wird mindestens ein durch den Stellungsregler in Folge einer signaltechnischen Analyse der Regelkreiseigenschaften für den ersten Grundfall ermittelter erster Öffnungspunkt zur Ansteuerung des elektro-pneumatischen Ventils eingestellt. Für den zweiten Grundfall erfolgt dies mit einem zweiten Öffnungspunkt. Über die Festlegung der Öffnungspunkte wird die Regelgüte des Systems in entscheidenem Maße bestimmt. Mit anderen Worten verwendet die Regelung für das Anfahren oder Umlüften diejenigen Öffnungspunkte, die nach dem korrespondierenden Anfahrkriterium ermittelt wurden. Ist das Schaltglied dagegen in Bewegung, so wird für die vorhandene Bewegungsrichtung der nach einem Geschwindigkeitskriterium ermittelte Öffnungspunkt verwendet.
  • Zum Einmessen der Regelkreiseigenschaften für die Festlegung der idealen Öffnungspunkte kann im ersten Grundfall der Zeitpunkt des Losbrechens des Schaltgliedes ab Beginn der Anregung herangezogen werden. Es wird also die Zeitdauer ab elektrischer Signalvorgabe bis zum Losbrechen des Schaltgliedes betrachtet, welche sensortechnisch über den Positionssensor ermittelt wird. Zum Einmessen der Regelkreiseigenschaften für den zweiten Grundfall bietet es sich an, die sich zwischen Losbrechen und Wiederanhalten des Schaltgliedes ergebene mittlere Geschwindigkeit heranzuziehen. Über die Ermittlung der gemessenen Geschwindigkeit lassen sich Störeinflüsse weitestgehend ausschließen.
  • Zum Finden des Öffnungspunktes des elektro-pneumatischen Ventils im Zuge der Initialisierung wird vorgeschlagen, dieses mit einem Ansteuersignal zu erregen, das einem geschätzten Öffnungspunkt entspricht, wobei die Regelkreiseigenschaften bei diesem Ansteuersignal durch sensortechnische Erfassung der Bewegung des Schaltgliedes eingemessen werden. Hierdurch lässt sich das Ansteuersignal anschließend nach Maßgabe des Auswertungsergebnisses ändern, falls die ermittelte Regelkreiseigenschaft bei dem aktuellen Öffnungspunkt nicht den Sollvorgaben entspricht. Im einfachsten Falle kann dies durch einen definierten Offset auf das Signal erfolgen.
  • Das vorstehend allgemein beschriebene Verfahren lässt sich in Form eines Computerprogrammprodukts als Routine zur Ermittlung der Hysterese-Kompensation verkörpern, welches aus entsprechenden in einer Software hinterlegten Steuerungsbefehlen umgesetzt und von einer elektronischen Regeleinheit ausgeführt wird. Die elektronische Regeleinheit umfasst insoweit mindestens einen Mikroprozessor mit Speichereinheit zur Hinterlegung der Software sowie zumindest der den Ablauf beeinflussenden Parameter. Die elektronische Regeleinheit, welche Bestandteil des geschlossenen Regelkreises des pneumatischen Stellantriebes ist, lässt sich in eine elektronische Einrichtung als Stellungsregler vorzugsweise direkt an dem pneumatischen Antrieb zur Betätigung einer hiermit gekoppelten Armatur anbringen.
  • Weitere, die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Seitenansicht eines pneumatischen Stellantriebs einer Armatur, und
  • 2 eine graphische Darstellung in einem x-p-Diagramm zur Veranschaulichung der Hysterese-Kompensation.
  • Gemäß 1 ist einer hier nur andeutungsweise dargestellten Rohrleitung 1 einer verfahrenstechnischen Anlage eine Armatur 2 in Form eines Prozessventils in Sitzbauweise eingebaut. Die Armatur 2 besitzt in ihrem Inneren einen mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörper 4 zur Steuerung der Menge durchtretenden Prozessmediums 5. Der Schließkörper 4 wird von einem pneumatischen Stellantrieb 6 über ein Schaltglied 7 als Hubstange linear betätigt. Über ein Joch 8 ist der pneumatische Stellantrieb 6 mit einer Armatur 2 fest verbunden. An dem Joch 8 ist weiterhin ein Stellungsrelger 9 in Form eines Elektronikmoduls angebracht.
  • Über einen Positionssensor 10 wird der Hub des Schaltgliedes 7 in den Stellungsregler 9 gemeldet. Der erfasste Hub wird für den normalen Betrieb mit dem von außen her zugeführten Sollwert, welcher in einer Speichereinheit hinterlegt ist, durch eine Regeleinheit 12 verglichen und der Stellantrieb 6 in Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert. Die Regeleinheit 12 des Stellungsreglers 9 weist ein elektro-pneumatisches Ventil 13 als I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung in einen adäquaten Steuerdruck auf. Das elektro-pneumatische Ventil 13 der Regeleinheit 12 ist über eine Druckmittelzuführung 14 mit dem Stellantrieb 6 verbunden. Innerhalb des Stellantriebs 6 wird durch den über die Druckmittelzuführung 14 zugeführten Steuerdruck eine innenliegende – hier nicht weiter erkennbare – Schaltmembran beaufschlagt, die das Schaltglied 7 linear betätigt.
  • Zur separaten Kompensation der bei diesem System auftretenden Haft- und Gleitreibung werden durch die Regeleinheit 12 programmtechnisch zwei Grundfälle unterschieden. Für einen ersten Grundfall eines Anfahrens oder Umsteuerns des Schaltgliedes 7 wird die hier dominierende Haftreibung kompensiert, wogegen im zweiten Grundfall einer kontinuierlichen Bewegung des Schaltgliedes die hier dominierende Gleitreibung kompensiert wird. Dies erfolgt dadurch, dass der pneumatische Stellantrieb 6 das Schaltglied 7 jeweils hieran angepasst betätigt, in dem unterschiedlich hohe Offsets auf das Signal gegeben werden.
  • Gemäß des in der 2 dargestellten x-p-Diagramms wird die Abhängigkeit der Position des Schaltgliedes vom Druck dargestellt, woraus sich die hier veranschaulichte Charakteristik ergibt. Für den Bereich der Gleitreibung (Punktlinie) ergibt sich eine andere Charakteristik als für den Bereich der Haftreibung, was anhand der in dieser Darstellung ebenfalls eingefügten Trajektorie (durchgezogene Linie) hervorgeht. Bis eine Bewegung des Schaltgliedes stattfindet, bestimmt die Haftreibung das Verhalten. Danach wird der Energieüberschuss in eine schnelle Bewegung umgesetzt. Sobald diese abgebaut ist, läuft der Stellantrieb entlang der Gleitreibung.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rohrleitung
    2
    Armatur
    3
    Ventilsitz
    4
    Schließkörper
    5
    Prozessmedium
    6
    Stellantrieb
    7
    Schaltglied
    8
    Joch
    9
    Stellungsregler
    10
    Positionssensor
    11
    Speicherelement
    12
    Regeleinheit
    13
    Ventil
    14
    Druckmittelzuführung
    x
    Position
    p
    Druck

Claims (9)

  1. Verfahren zur Kompensation der Hysterese einer pneumatisch angetriebenen Armatur (2), mit einem von einem Stellungsregler (9) angesteuerten elektro-pneumatischen Ventil (13), das in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsregelung des Schaltgliedes (7) eines pneumatischen Stellantriebes (6) für die hiervon zu betätigende Armatur (2) eingesetzt wird, wobei die Hysterese des Systems durch den Stellungsregler (9) über mindestens einen Hysterese-Korrekturfaktor kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die regelungstechnische Kompensation der Hysterese separat für einen ersten Grundfall eines Anfahrens oder Umsteuerns des Schaltgliedes (7) sowie einen zweiten Grundfall einer kontinuierlichen Bewegung des Schaltglieds (7) durchgeführt wird, so dass im ersten Grundfall die dominierende Haftreibung und im zweiten Grundfall de dominierende Gleitreibung kompensiert wird, indem der pneumatische Stellantrieb (6) das Schaltglied (7) jeweils hieran angepasst betätigt, indem jeweils ein durch signaltechnische Analyse der Ragelkreiseigenschaften ermittelter Öffnungspunkt als Offset zur Ansteuerung des elektro-pneumatischen Ventils (13) eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einmessen der Regelkreiseigenschaften für den ersten Grundfall der Zeitpunkt des Losbrechens des Schaltgliedes (7) ab Beginn der Anregung herangezogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einmessen der Regelkreiseigenschaften für den zweiten Grundfall die sich zwischen Losbrechen und Wiederanhalten des Schaltgliedes (7) ergebende mittlere Geschwindigkeit herangezogen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Finden des Öffnungspunktes des elektro-pneumatischen Ventils (13) bei der Initialisierung, dieses mit einem Ansteuersignal erregt wird, das einem geschätzten Öffnungspunkt entspricht, wobei die Regelkreiseigenschaften bei diesem Ansteuersignal durch sensortechnische Erfassung der Bewegung des Schaltgliedes (7) eingemessen werden, um das Ansteuersignal nach Maßgabe des Auswertungsergebnis zu ändern, falls die ermittelten Regelkreiseigenschaften bei dem aktuellen Öffnungspunkt nicht den Sollvorgaben entsprechen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerparameter zur Erregung des elektro-pneumatischen Ventils (13) für die Be- und Entlüftung des Ventils (13) getrennt vorgegeben werden.
  6. Elektronische Einrichtung zur Kompensation der Hysterese einer pneumatisch angetriebenen Armatur (2), mit einem von einem Stellungsregler (9) angesteuerten elektro-pneumatischen Ventil (13), das in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsregelung des Schaltgliedes (7) eines pneumatischen Stellantriebes (6) für die hiervon zu betätigende Armatur (2) eingesetzt wird, wobei die Hysterese des Systems durch den Stellungsregler (9) über mindestens einen Hysterese-Korrekturfaktor kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die regelungstechnische Kompensation der Hysterese separat für einen ersten Grundfall eines Anfahrens oder Umsteuerns des Schaltgliedes (7) sowie einen zweiten Grundfall einer kontinuierlichen Bewegung des Schaltglieds (7) durchgeführt wird, wobei im ersten Grundfall die dominierende Haftreibung und im zweiten Grundfall die dominierende Gleitreibung kompensiert wird, indem der pneumatische Stellantrieb (6) das Schaltglied (7) jeweils hieran angepasst durch Einstellung jeweils eines durch signaltechnische Analyse der Regelkreiseigenschaften ermittelten Öffnungspunktes als Offset zur Ansteuerung des elektro-pneumatischen Ventils (13) betätigt.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-pneumatische Ventil (13) eine 3/3-Schaltfunktion aufweist, mit den Schaltstellungen Belüften, Abschlussstellung und Entlüften.
  8. Computerprogrammprodukt für eine elektronische Einrichtung nach Anspruch 6, welche nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 betreibbar ist, wobei die Routine zur regelungstechnischen Kompensation der Hysterese durch entsprechende in einer Software hinterlegte Steuerungsbefehle umgesetzt ist
  9. Datenträger mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8.
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