DE102009004572B4

DE102009004572B4 - Verfahren und elektronische Einrichtung zur Kompensation des Driftverhaltens bei einem pneumatischen Stellglied während des Betriebs

Info

Publication number: DE102009004572B4
Application number: DE102009004572A
Authority: DE
Inventors: Heiko Dipl.-Ing. Kresse
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: DE102009004572A1; US20100179699A1; CN101782087A

Abstract

Verfahren zur Kompensation des Driftverhaltens während des Betriebs eines pneumatischen Stellantriebs (6), dessen elektro-pneumatisches Ventil (13) zur Erzeugung eines Steuerdrucks in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsregelung eines Schaltgliedes (7) nach Maßgabe eines Stellungsreglers (9) betätigt wird,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
a) während des Betriebs der Reglung wird der Geschwindigkeitsverlauf v(t) des Schaltgliedes (7) entlang der Zeitachse aufgezeichnet,
b) gleichzeitig wird der dem Stellungsregler (9) als Sollwert vorgegebene Öffnungsquerschnittsverlauf A(t) der Armatur (2) mit aufgezeichnet,
c) die Geschwindigkeitsverlauf v(t) sowie der korrespondierende Öffnungsquerschnittsverlauf A(t) wird durch Eliminierung der Zeit in eine Geschwindigkeits-Öffnungsquerschnitts-Kennlinie (v-A-Kennlinie) umgewandelt,
d) per Mustererkennung wird die v-A-Kennlinie auf Vorhandensein eines für das Dichtschließen charakteristischen Bremsprofils analysiert,
e) vor dem Dichtschließen werden im Bremsprofil mindestens die letzten beiden Messpunkte bis zu einem als Öffnungspunkt geltenden Punkt extrapoliert, der gerade nicht Null ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation des Driftverhaltens während des Betriebes eines pneumatischen Stellantriebs, dessen elektro-pneumatisches Ventil zur Erzeugung eines Steuerdrucks in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsreglung eines Schaltgliedes nach Maßgabe eines Stellungsreglers betätigt wird. Ferner betrifft die Erfindung auch eine elektronische Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein hiermit im Zusammenhang stehendes Computerprogrammprodukt nebst Datenträger.
Die Erfindung kommt auf dem Gebiet der pneumatischen Stellantriebe für Armaturen zum Einsatz. Pneumatische Stellantriebe umfassen gewöhnlich einen elektronischen 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 Reglungsprogramms. Die Sollwertvorgabe erfolgt hier über einen in Zweileitertechnik ausgeführten Feldbusanschluss. Der Stellungsregler weist weiterhin einen Zuluftanschluss für Druckluft bis maximal 6bar sowie einen Arbeitsanschluss zur Weiterleitung des vom Stellungsregler generierten Steuerdrucks an die Steuerkammer des pneumatischen Stellungsreglers auf.
Der Stellungsregler weist weiterhin zur Zuführung des Istwerts der aktuellen Position des pneumatischen Stellantrieb betätigten Schaltgliedes einen elektrischen 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. Dieses verstellt möglichst proportional den Durchlass zum Be- oder Entlüften des Stellantriebs. 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 eine Kommunikationsschnittstelle auf Basis eines Busprotokolls per übergeordneter Steuereinheit zentral erfolgen.
Aus der 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 beiden 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, in welcher der anliegende Steuerdruck des pneumatischen Stellantriebs sich nicht ändert.
Zur Stellungsreglung soll ein solches oder ähnliches elektro-pneumatisches Ventil generell ein möglichst proportionales Verhalten von elektrischem Ansteuersignal zu dem gelieferten pneumatischen Stellwert des Schaltgliedes liefern, wobei auf der pneumatischen Seite Störgrößen rückwirken, welchen 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 bei der Signalverarbeitung teilweise sensortechnisch ermittelte Korrekturwerte.
Wegen der auf den pneumatischen Stellantrieb einwirkenden Störgrößen ist zur Erzielung einer hohen Regelgüte der Öffnungspunkt des pneumatischen Stellantriebs, also derjenige Stellungspunkt des Schaltgliedes, ab welchem das Ventil zu Öffnen beginnt, festzustellen und an sich ändernde Randbedingungen anzupassen, also signalverarbeitungstechnisch nachzuführen. Insbesonders schwankende Druck- und Temperaturverhältnisse ändern den Öffnungspunkt des pneumatischen Stellantriebs ständig.
Diese Problematik wurde gemäß des allgemeinen Standes der Technik bislang gemäß den allgemeinen Grundsätzen der Regelungstechnik, so in Kaspers/Küfner „Messen, Steuern, Regeln für Maschinenbauer”, 1. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1977, Seite 205f, derart gelöst, dass Öffnungspunkte während der Fertigung ermittelt werden, wohin die Umgebungstemperatur am elektro-pneumatischen Ventil eingemessen wird, um für die Temperaturkompensation einen typischen Koeffizienten zu nutzen. Da hier allerdings die Versorgungsdruckabhängigkeit vollständig ignoriert wird, kann keine optimale Linearisierung erfolgen. Ferner muss im Bereich des elektro-pneumatischen Ventils ein zusätzlicher Temperatursensor vorgesehen werden. Alternativ hierzu wurde anstelle der Temperatur auch der Versorgungsdruck eingemessen, um für eine Druckkompensation einen typischen Koeffizient zu nutzen. Hiermit wird allerdings andererseits die Temperaturabhängigkeit ignoriert, so dass ebenfalls keine optimale Linearisierung erfolgen kann. Des Weiteren erfordert diese technische Lösung einen zusätzlichen Drucksensor. Auch beide vorstehend erläuterten Methoden in Kombination weisen den Nachteil zusätzlicher Sensorik auf.
Aus der DE 10 2005 002 387 A1 ist Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen Stellers bekannt, bei dem zur Driftkompensation werden aus messbaren Betriebsparameter Adaptionsparameter bestimmt, die im Falle von Veränderungen des Verhaltens des Stellers individuell auf der Basis einer kleinen Zahl von Einzelwerten angepasst werden.
Bei einer anderen in der DE 10 2005 002 387 A1 erwähnten Lösung des Standes der Technik wird zur Kompensation des Driftverhaltens der tatsächlich vom pneumatischen Stellantrieb gestellte Querschnitt des Schaltgliedes durch Messen der Position des Ventilschiebers im elektro- pneumatischen Ventils ermittelt. Es wird bei dieser Lösung allerdings ein zusätzlicher Wegmesssensor innerhalb des elektro-pneumatischen Ventils benötigt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie ein elektronische Einrichtung zur Kompensation des Driftverhaltens eines pneumatischen Stellantriebs zu schaffen, welche in der Lage ist ohne zusätzlichen sensortechnischen Aufwand während des Betriebes wirksam zu sein.
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 9 beinhaltet ein das Verfahren umsetzendes Computerprogrammprodukt, welches auf der elektronischen Einrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass während des Betriebes der Reglung der Geschwindigkeitsverlauf v(t) des Schaltgliedes entlang der Zeitachse aufgezeichnet wird und gleichzeitig auch der dem Stellungsregler als Sollwert vorgegebenen Öffnungsquerschnittsverlauf A(t) der Armatur mit aufgezeichnet wird. Anschließend wird der Geschwindigkeitsverlauf v(t) sowie der korrespondierende Öffnungsquerschnittsverlauf A(t) durch Eliminierung der Zeit in eine Geschwindigkeits-Öffnungsquerschnitts-Kennlinie (v-A-Kennlinie) umgewandelt. Diese v-A-Kennlinie lässt sich anschließend per Musterkennung auf Vorhandensein eines für das Dichtschließen charakteristischen Bremsprofils analysieren. Vor dem Dichtschließen werden bei diesem Bremsprofil mindestens die letzten beiden Messpunkte bis zu einem als Öffnungspunkt geltenden Punkt extrapoliert, welcher gerade nicht null ist.
Mit anderen Worten wird die Extrapolation bis zu einem als Öffnungspunkt festgesetzten Punkt durchgeführt, welcher nicht auf der Nulllinie der v-A-Kennlinie liegt, sondern davor. Läge der Öffnungspunkt auf der Nulllinie, so würde Stillstand herrschen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass der so abgeschätzte Öffnungspunkt knapp außerhalb des Sensorrauschens des Positionssensors gewählt werden kann. Die erfindungsgemäß ermittelte v-A-Kennlinie liefert die Basis für eine genaue Analyse hinsichtlich des Driftverhaltens.
Um stochastische Störeinflüsse bei dem erfindungsgemäßen signalverarbeitungstechnischen Verfahren zu eliminieren, wird gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgesehen, dass die Differenz der durch Extrapolieren ermittelten Öffnungspunkte über einen integrierenden Tiefpassfilter aufsummiert wird. Der durch Extrapolieren abgeschätzte Öffnungspunkt wird also vorzugsweise nicht einfach durch die Reglung übernommen, sondern auf den Tiefpassfilter gegeben, um ansonsten mögliche heftige Fehlreaktionen der Reglung, wie beispielsweise ein Stehenbleiben, auszuschließen.
Vorzugsweise ergibt sich das charakteristische Bremsprofil, welches der Mustererkennung zu Grunde liegt, aus einem langsam kontinuierlichen Einlaufen des Schaltgliedes bis zum Dichtschließen der Armatur. Ein demgegenüber zu schnellen Einlaufen des Schaltgliedes würde dennoch als nicht normales Verhalten des Schaltgliedes zur Analyse des Driftverhaltens außer Betracht bleiben. Es lässt sich feststellen, ob das Abbremsen des Schaltgliedes etwa von Haftreibung oder der Massenträgheit dominiert ist.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass durch den Stellungsregler die Zeit überwacht wird, innerhalb welcher nach einer elektrischen Ansteuerung des elektro-pneumatischen Ventils eine Bewegung des Schaltgliedes eintritt. Die Überwachung stellt sicher, dass der Öffnungspunkt nicht zu klein wird und es lässt sich bei der Signalverarbeitung die Haftreibung innerhalb des pneumatischen Stellantriebs mit berücksichtigen. Ist die festgestellte Zeit zu lang, so besteht die Möglichkeit, eine positive Differenz auf den Tiefpass zu geben, so dass eine Erhöhung des Stellwerts erzielt wird.
Das vorstehend allgemein beschriebene Verfahren lässt sich in Form eines Computerprogrammprodukts als Routine zur Kompensation des Driftverhaltens 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 angeschlossener Speichereinheit zur Hinterlegung der Software sowie zumindest der den Ablauf beeinflussenden Parameter. Die elektronische Regeleinheit, welche Bestandteil des geschlossenen Regelkreises des pneumatischen Stellantriebs 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 verbessernde 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,
2 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Kompensation des Driftverhaltens und
3 eine grafische Darstellung zur geometrischen Ermittlung des Öffnungspunktes.
Gemäß 1 ist in eine Rohrleitung 1 – welche hier nur teilweise dargestellt ist – einer verfahrenstechnischen Anlage einer Armatur 2 in Form eines Prozessventils in Sitzbauweise eingebaut. Die Armatur 2 besitzt in ihrem Inneren einen mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörper 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 der Armatur 2 fest verbunden. An dem Joch 8 ist weiterhin ein Stellungsregler 9 in Form eines Elektronikmoduls befestigt.
Mittels einem dem Stellungsregler 9 zugeordneten Positionssensor 10 wird der Hub des Schaltgliedes 7 in den Stellungsrelger 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 dem 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 Umwandlung 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 19 zugeführten Steuerdruck eine innenliegende – hier nicht weiter erkennbare – Schaltmembran beaufschlagt, die das Schaltglied 7 linear betätigt.
Zur Kompensation des Driftverhaltens während des Betriebs des pneumatischen Stellantriebs 6 zeichnet der Stellungsregler 9 gemäß 2 den Zeitverlauf der Geschwindigkeit v(t) des Schaltglieds 7 entlang der Zeitachse und gleichzeitig auch den als Sollwert vorgegebenen korrespondierenden Öffnungsquerschnittsverlauf A(t) der Armatur 2 auf. Durch Eliminierung der Zeit aus dem Geschwindigkeitsverlauf v(t) sowie den korrespondierenden Öffnungsquerschnittsverlauf A(t) wird anschließend eine Geschwindigkeits-Öffnungsquerschnitts-Kennlinie (v-A-Kennlinie) gewonnen, woraus der Stellungsregler 6 per Mustererkennung die v-A-Kennlinie auf Vorhandensein eines für das Dichtschließen charakterischen Bremsprofils analysiert.
Ist ein charakteristisches Bremsprofil erkannt, so wird gemäß 3 vor dem Dichtschließen mindestens die letzten beiden Messpunkte bis einem als Öffnungspunkt des Schaltgliedes 7 geltenden Punkt extrapoliert, der an der Position X noch nicht Null ist. Der so gewonnene Öffnungspunkt lässt sich auf diese Weise frei von Störgrößen ermitteln, um eine hohe Regelgüte zu erzielen.

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

Verfahren zur Kompensation des Driftverhaltens während des Betriebs eines pneumatischen Stellantriebs (6), dessen elektro-pneumatisches Ventil (13) zur Erzeugung eines Steuerdrucks in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsregelung eines Schaltgliedes (7) nach Maßgabe eines Stellungsreglers (9) betätigt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) während des Betriebs der Reglung wird der Geschwindigkeitsverlauf v(t) des Schaltgliedes (7) entlang der Zeitachse aufgezeichnet, b) gleichzeitig wird der dem Stellungsregler (9) als Sollwert vorgegebene Öffnungsquerschnittsverlauf A(t) der Armatur (2) mit aufgezeichnet, c) die Geschwindigkeitsverlauf v(t) sowie der korrespondierende Öffnungsquerschnittsverlauf A(t) wird durch Eliminierung der Zeit in eine Geschwindigkeits-Öffnungsquerschnitts-Kennlinie (v-A-Kennlinie) umgewandelt, d) per Mustererkennung wird die v-A-Kennlinie auf Vorhandensein eines für das Dichtschließen charakteristischen Bremsprofils analysiert, e) vor dem Dichtschließen werden im Bremsprofil mindestens die letzten beiden Messpunkte bis zu einem als Öffnungspunkt geltenden Punkt extrapoliert, der gerade nicht Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz des durch Extrapolation ermittelten Öffnungspunkts über einen integrierenden Tiefpassfilter aufsummiert wird, um stochastische Störeinflüsse zu eliminieren.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich das charakteristische Bremsprofils aus einem langsam kontinuierlichen Einlaufen des Schaltgliedes (7) bis zum Dichtschließen der Armatur (2) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der durch Extrapolation ermittelte Punkt, der gerade nicht Null ist, ein solcher Punkt definiert wird, der außerhalb des Signalrauschens des Positionssensors (10) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Stellungsregler (9) überwacht wird, innerhalb welcher Zeit nach elektrischer Ansteuerung des elektro-pneumatischen Ventils (13) eine Bewegung des Schaltgliedes (7) eintritt.
Elektronische Einrichtung zur Kompensation des Driftverhaltens während des Betriebs eines pneumatischen Stellantriebs (6), wobei ein Stellungsregler (9) ein elektro-pneumatisches Ventil (13) zur Erzeugung eines Steuerdrucks in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsregelung eines Schaltgliedes (7) betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellungsregler (9) während des Betriebs der Reglung den Geschwindigkeitsverlauf (vt) des Schaltgliedes (7) entlang der Zeitachse und gleichzeitig auch den als Sollwert vorgegebene Öffnungsquerschnittsverlauf (At) der Armatur (2) aufgezeichnet, um den Geschwindigkeitsverlauf v(t) sowie den korrespondierenden Öffnungsquerschnittsverlauf A(t) durch Eliminierung der Zeit in eine Geschwindigkeits-Öffnungsquerschnitts-Kennlinie (v-A-Kennlinie) umzuwandeln, woraus der Stellungsregler (9) per Mustererkennung die v-A-Kennlinie auf Vorhandensein eines für das Dichtschließen charakteristischen Bremsprofils analysiert, um vor dem Dichtschließen im Bremsprofil mindestens die letzten beiden Messpunkte bis zu einem als Öffnungspunkt des Schaltgliedes (7) geltenden Punkt zu extrapolieren, der noch nicht Null ist.
Elektronische Einrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufzeichnung der Geschwindigkeitsverlauf v(t) und der Öffnungsquerschnittsverlauf A(t) in einem nach Art eines Ringpuffers ausgebildeten Speicherelement (11) hinterlegt wird.
Elektronische Einrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-pneumatische Ventil (13) als 3/3-Wegeventil mit den Schaltstellungen Entlüften, Belüften und Abschlussstellung ausgebildet ist.
Computerprogrammprodukt für eine elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, welche nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 betreibbar ist, wobei die Routine zur Kompensation des Driftverhaltens durch entsprechende in einer Software hinterlegte Steuerungsbefehle umgesetzt ist.
Datenträger mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9.