DE102009033214B4

DE102009033214B4 - Verfahren zur Erkennung von pneumatischen Antrieben

Info

Publication number: DE102009033214B4
Application number: DE102009033214A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wahlmann; Heiko Kresse; Dr. Scholz Wolfgang
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: CN101956744A; US20110015792A1; DE102009033214A1

Abstract

Verfahren zur Erkennung eines pneumatischen Stellantriebs (6), der von einem elektropneumatischen Stellungsregler (9) gesteuert wird, der mit einem Mikrocontroller zur Ausführung eines vorgegebenen Regelalgorithmus ausgestattet ist, mit mindestens einem elektropneumatischen Wandler zur Steuerung des Druckmittelflusses zum und vom Antrieb und einer Kommunikationsschnittstelle (11) zum Empfang von Sollwertvorgaben, wobei der Regelalgorithmus eine Methode zur Bestimmung von Reglerparametern aus aufgenommenen Betriebsparametern des Stellungsreglers (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass die Reglerparameter des Stellungsreglers (9) initial auf eine Grundeinstellung gesetzt werden, mit denen der Stellungsregler (9) in Betrieb genommen wird, und – dass während des laufenden Betriebes wiederkehrend der Sollwertverlauf und der Istwertverlauf analysiert werden, und auf das Überschreiten eines vorgebbaren Mindestwerts der Regelabweichung die Stellgröße aus dem Stellungsregler (9) temporär durch ein Testsignal mit einem vorgegebenen Zeitverlauf ersetzt wird, während dessen Ablaufs Betriebsparameter der Regelstrecke aufgezeichnet werden, aus denen mit der implementierten Methode zur Bestimmung von Reglerparametern die aktuellen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von pneumatischen Antrieben, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie in der Automatisierung verfahrenstechnischer Anlagen eingesetzt werden.
Derartige pneumatische Antriebe werden durch elektropneumatische Stellungsregler gesteuert. Mit diesen Stellungsreglern wird die Position von pneumatisch angesteuerten Stell- oder Regelventilen in Abhängigkeit von einer auf elektrischem Wege empfangenen Sollwertvorgabe geregelt. Dazu weist der Stellungsregler eine Kommunikationsschnittstelle auf, die zum Anschluß eines digitalen Feldbusses oder einer analogen 0/4 ... 20 mA-Leiterschleife ausgebildet ist. Zur Durchführung der Regelung ist ein Regelalgorithmus in Software auf einem Mikrocontroller implementiert.
An derartige Stellungsregler ist die Anforderung gestellt, eine große Bandbreite von pneumatischen Antrieben mit verschiedenen Regeleigenschaften zu regeln. Dazu gehören insbesondere aber nicht abschließend einfachwirkende und doppeltwirkende Antriebe, eine große Bandbreite an Antriebsvolumen und Stellgeschwindigkeiten, verschiedene Reibungsarten sowie verschiedene nichtlineare Effekte in der Regelstrecke. Diese Eigenschaften sind vor der Inbetriebnahme des Stellungsreglers am Antrieb nicht bekannt. Daher können die Reglerparameter nicht vor der Inbetriebnahme rechnerisch ermittelt werden. Aus diesem Grund verfügen Stellungsregler über ein Selbstabgleich-Verfahren, das wie der Regler in Software auf einem Mikrocontroller implementiert ist. Es wird während der Inbetriebnahme ausgeführt, um möglichst optimale Reglerparameter für den verwendeten Antriebs zu finden.
Bei den Selbstabgleich-Verfahren werden Signale als Stellgröße auf das zu regelnde System oder als Sollwert auf den geschlossenen Regelkreis mit einer Grundeinstellung des Reglers gegeben und die Reaktion gemessen. Als Eingangssignale werden verschiedene Signalformen verwendet, wie beispielsweise Sprünge oder Rampen. Während des Selbstabgleichs ist der Regler außer Betrieb. Die Position des zu regelnden Antriebs folgt dann nicht dem von außen vorgegebenen Sollwert. Die aus der Reaktion des Systems gewonnen Daten werden zur Berechnung der Reglerparameter verwendet.
Diese Selbstabgleich-Verfahren haben den Nachteil, dass sie nur ausgeführt werden können, wenn der Regler außer Betrieb ist. Daher muss für die Inbetriebnahme des pneumatischen Regelantriebs mindestens der betroffene Anlagenteil außer Betrieb genommen werden. Ist dies beispielsweise im Austauschfall nicht möglich, muss die Inbetriebnahme außerhalb der verfahrenstechnischen Anlage erfolgen. Zudem ergibt sich bei der ersten Inbetriebnahme von Anlagen, in denen viele pneumatische Regelantriebe eingesetzt werden, eine relativ große Zeitspanne, die allein für den Selbstabgleich aller pneumatischen Antriebe benötigt wird.
Darüber hinaus hat sich im praktischen Betrieb gezeigt, dass sich die für die Regelung relevanten Eigenschaften von pneumatischen Antrieben über die Lebensdauer ändern können. Daher müssen die Reglerparameter nachgeführt werden, um langfristig gute Regeleigenschaften aufrechtzuerhalten. Für das Nachführen der Reglerparameter werden Adaptionsverfahren verwendet, die speziell auf die eingesetzten Regler abgestimmt sind. Die Ermittlung der für die Adaption notwendigen Daten muss im Regelbetrieb erfolgen.
Die bekannten Adaptionsverfahren haben den Nachteil, dass sie auf anderen Regeln basieren als die Selbstabgleich-Verfahren. Sie unterscheiden sich grundsätzlich, da die Ermittlung der für die Adaption notwendigen Daten im Regelbetrieb erfolgen muss. Dies hat zur Folge, dass sich die ermittelten Parameter von Selbstabgleich und Adaption unterscheiden und zu unterschiedlichem Regelverhalten bis hin zu Schwingneigung und Instabilitäten führen können.
Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2004 020 347 U1 ist ein pneumatischer Schwenkantrieb zum Stellen eines Stellorgans, wie eines Ventils, bekannt, bei dem eine Antriebswelle über eine Kopplungsschnittstelle mit eineer Stellwelle des Stellorgans lösbar gekoppelt ist. Dabei ist ein erster Weg-Sensor mit der Antriebswelle und ein zweiter Weg-Sensor mit der Stellwelle des Stellorgans verbunden. Aus dem Vergleich der Sensorsignale der beiden Weg-Sensoren werden Anhaltspunkte für die Funktionsfähigkeit des Stellorgans abgeleitet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung von pneumatischen Antrieben anzugeben, das zur betriebszustandsunabhängigen Ermittlung der Reglerparameter während des laufenden Regelbetriebes geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht aus von einem pneumatischen Antrieb, der von einem elektropneumatischen Stellungsregler gesteuert wird, der mit einem Mikrocontroller zur Ausführung eines vorgegebenen Regelalgorithmus ausgestattet ist, mit mindestens einem elektropneumatischen Wandler zur Steuerung des Druckmittelflusses zum und vom Antrieb und einer Kommunikationsschnittstelle zum Empfang von Sollwertvorgaben. Der Regelalgorithmus umfasst eine Methode zur Bestimmung von Reglerparametern aus aufgenommenen Betriebsparametern des Stellungsreglers.
Erfindungsgemäß werden die Reglerparameter des Stellungsreglers initial auf eine Grundeinstellung gesetzt. Diese Grundeinstellung kann vorteilhafterweise unmittelbar im Herstellerwerk vorgenommen werden. Mit dieser Grundeinstellung wird der Stellungsregler am Antrieb montiert und in Betrieb genommen. Alternativ kann die Grundeinstellung auch auf einer automatischn Inbetriebnahmeprozedur oder manueller Einstellung der Reglerparameter basieren.
Während des laufenden Betriebes werden der Sollwertverlauf und der Istwertverlauf analysiert. Sobald die Regelabweichung einen vorgebbaren Mindestwert übersteigt, wird die Stellgröße aus dem Regler temporär durch ein Testsignal mit einem vorgegebenen Zeitverlauf ersetzt. Dabei folgt das Testsignal nach Betrag und Vorzeichen der Stellgröße in der Weise, dass die Regelabweichung verringert wird. Während des Ablaufs des Testsignals werden Betriebsparameter der Regelstrecke aufgezeichnet. Aus diesen Betriebsparametern werden mit der implementierten Methode die aktuellen Reglerparameter ermittelt. Anschließend wird der Regler mit den ermittelten Reglerparametern weiterbetrieben. Die Verfahrensschritte werden während des laufenden Betriebes wiederkehrend abgearbeitet.
Nach Beendigung des Testsignals wird wieder die Stellgröße aus dem Regler auf die Regelstrecke geschaltet. Während des Ablaufs des Testsignals wird die Regelabweichung überwacht. Falls die Regelabweichung unerwartet zunimmt, wird der Adaptionsprozess sofort abgebrochen und die Stellgröße aus dem Regler wieder auf die Regelstrecke geschaltet.
Vorteilhafterweise wird mit einer einzigen Methode sowohl die Erkennung des Antriebs und dessen Reglerparameter bei der Inbetriebnahme als auch die kontinuierliche Adaption an alterungsbedingte Veränderungen des Antriebs und die Ermittlung der exakten Parameter im Regelbetrieb erreicht. Im Erfolg werden konkurrierende Einstellungen mit der Folge von Instabilitäten des Regelkreises vermieden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer elektropneumatisch gesteuerten Ventilanordnung
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgegenständlichen Verfahrensschritte
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.
Der Positionsaufnehmer 10 ist in dem Stellungsregler 9 mit der Drehachse eines Potentiometers verbunden und weist ein Auge auf, in das ein Mitnehmer auf der Hubstange 7 eingreift.
Die Steuerelektronik 18 des Stellungsreglers 9 schließt einen Mikrocontroller ein, der zur Ausführung eines vorgegebenen Regelalgorithmus geeignet ist. Dieser Regelalgorithmus umfasst eine Methode zur Bestimmung von Reglerparametern aus aufgenommenen Betriebsparametern des Stellungsreglers 9.
In der 2 ist ein ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgegenständlichen Verfahrensschritte dargestellt. Zunächst werden die Reglerparameter des Stellungsreglers 9 bei der Inbetriebnahme, Schritt 21, initial auf eine Grundeinstellung gesetzt. Mit dieser Grundeinstellung wird der Stellungsregler 9 am Stellantrieb 6 montiert und in Betrieb genommen.
Während des laufenden Betriebes werden gemäß 2 die folgenden Schritte 22 bis 27 wiederkehrend abgearbeitet. Der Verlauf des über die Kommunikationsschnittstelle 11 zugeführten Sollwerts und der Verlauf des Positionsistwertes am Positionsaufnehmer 10 werden bei Schritt 22 kontinuierlich beobachtet und analysiert. Sobald die Regelabweichung einen vorgebbaren Mindestwert übersteigt, Schritt 23, wird die Stellgröße aus der Steuerelektronik 18 des Stellungsreglers 9 bei Schritt 24 temporär durch ein Testsignal mit einem vorgegebenen Zeitverlauf ersetzt. Dabei folgt das Testsignal nach Betrag und Vorzeichen der Stellgröße in der Weise, dass die Regelabweichung verringert wird. Während des Ablaufs des Testsignals werden Positionsistwerte des Stellantriebs 6 aufgezeichnet. Aus dem vorgegebenen Zeitverlauf des Testsignals und den aufgezeichneten Positionsistwerten werden im Einzelnen die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Stellantriebs 6 ermittelt, Schritt 25. Aus diesen Betriebsparametern werden mit der implementierten Methode die aktuellen Reglerparameter ermittelt, Schritt 26. Fortan wird der Stellungsreglers 9 mit den neuen Reglerparameter weiterbetrieben, Schritt 27. Dazu wird nach Beendigung des Testsignals wieder die Stellgröße aus der Steuerelektronik 18 des Stellungsreglers 9 auf den Stellantrieb 6 geschaltet.
Während des Ablaufs des Testsignals wird die Regelabweichung überwacht. Falls die Regelabweichung unerwartet zunimmt, wird der Adaptionsprozess sofort abgebrochen und die Stellgröße aus der Steuerelektronik 18 des Stellungsreglers 9 auf den Stellantrieb 6 geschaltet.
Bezugszeichenliste

1: Rohrleitung
2: Prozessventil
3: Ventilsitz
4: Schließkörper
5: Prozessmedium
6: Stellantrieb
7: Ventilstange
8: Joch
9: Stellungsregler
10: Positionsaufnehmer
11: Kommunikationsschnittstelle
18: Steuerelektronik
19: Druckmittelzuführung
21 ... 27: Schritte

Claims

Verfahren zur Erkennung eines pneumatischen Stellantriebs (6), der von einem elektropneumatischen Stellungsregler (9) gesteuert wird, der mit einem Mikrocontroller zur Ausführung eines vorgegebenen Regelalgorithmus ausgestattet ist, mit mindestens einem elektropneumatischen Wandler zur Steuerung des Druckmittelflusses zum und vom Antrieb und einer Kommunikationsschnittstelle (11) zum Empfang von Sollwertvorgaben, wobei der Regelalgorithmus eine Methode zur Bestimmung von Reglerparametern aus aufgenommenen Betriebsparametern des Stellungsreglers (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass die Reglerparameter des Stellungsreglers (9) initial auf eine Grundeinstellung gesetzt werden, mit denen der Stellungsregler (9) in Betrieb genommen wird, und – dass während des laufenden Betriebes wiederkehrend der Sollwertverlauf und der Istwertverlauf analysiert werden, und auf das Überschreiten eines vorgebbaren Mindestwerts der Regelabweichung die Stellgröße aus dem Stellungsregler (9) temporär durch ein Testsignal mit einem vorgegebenen Zeitverlauf ersetzt wird, während dessen Ablaufs Betriebsparameter der Regelstrecke aufgezeichnet werden, aus denen mit der implementierten Methode zur Bestimmung von Reglerparametern die aktuellen Reglerparameter ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigung des Testsignals wieder die Stellgröße aus dem Stellungsregler (9) auf die Regelstrecke geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass während des Ablaufs des Testsignals die Regelabweichung überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei Zunahme der Regelabweichung während des aufgeschalteten Testsignals der Adaptionsprozess abgebrochen und die Stellgröße aus dem Stellungsregler (9) wieder auf die Regelstrecke geschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass aus den aufgezeichneten Betriebsparametern die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Stellantriebs (6) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass aus der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Stellantriebs (6) die aktuellen Reglerparameter ermittelt werden.