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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Verfügbarkeit von Weg-/Positionsmesssystemen auf Basis von Potentiometern mit Schleiferabgriff.
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Derartige Positionsmesssysteme werden unter anderem bei elektro-pneumatischen Stellungsreglern sowie elektrischen Regelantrieben zur Rückführung des IST-Wertes verwendet und sind somit Teil einer geschlossenen Regelschleife. Der plötzliche Ausfall des Positionsmesssystems führt somit zum unmittelbaren Ausfall der Gerätefunktionalität. Damit ist die Verfügbarkeit eingeschränkt.
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Der Aufbau und die Funktionsweise einer geschlossenen Regelschleife ist allgemein bekannt und beispielsweise unter http://de.wikipedia.org/wiki/Regelkreis beschrieben und hieraus auszugsweise in 1 gezeigt.
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Aus dem Produktprospekt „Der kompakte, intelligente Stellungsregler” (ABB Automation Products GmbH, Drucknummer: 50/18-19 DE RevA; Auflage Juni 2005) geht ein elektronischer Stellungsregler der eingangs erwähnten Art für einen pneumatischen Stellantrieb hervor.
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In einem derartigen Stellungsregler wird unter Rückgriff auf die in 1 angegebenen Referenzen die Führungsgröße w über einen Sollwertkanal vorgegeben, der insbesondere durch einen analogen 4..20 mA Eingang oder einen Feldbus, wie HART, Porfibus PA, FoundationFieldbus, etc., gebildet ist.
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Die Regelstrecke FS bildet in dieser Anordnung der zu positionierende pneumatische Stell-/Regelantrieb. In dem bekannten Stellungsregler sind das Regelglied FR, das Stellglied FSt und das Messglied FM in einem Gehäuse verbaut. Das Regelglied FR ist bei dem bekannten Stellantrieb als mikrocontrollergestütztes System aufgebaut. Das Messglied FM ist bei dem bekannten Stellantrieb als Potentiometer mit Schleiferabgriff ausgeführt, das die Stellposition x des zu regelnden Antriebs misst. Das Stellglied FSt ist bei einem elektro-pneumatischen Stellungsreglertypischerweise als IP-Modul ausgeführt.
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Dabei wird das Potentiometer mit einer konstanten und bekannten Referenzspannung versorgt und die Position wird dann an einem Analog/Digital-Wandler über den wegproportionalen Spannungsabgriff erfasst. Schaltungstechnisch ist diese Anordnung also als Spannungsteiler mit positionsabhängigem Spannungsabgriff realisiert. Am Analog/Digital-Wandler liegt somit die Rückführgröße r in digitaler Form vor. Der Spannungsabgriff erfolgt mit möglichst hoher Impedanz der Messschaltung um Messfehler zu minimieren.
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Das mikrocontrollergestützte System bildet aus der Regeldifferenz e mit Hilfe eines geeigneten Regelalgorithmus im Regler FR eine Reglerausgangsgröße yr, die über eine geeignete elektronische Schaltung zur Ansteuerung des genannten IP-Moduls verwendet wird.
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In einigen speziellen Anwendungen kommt es vor, dass der zum Positionsmessystem gehörende Positionssensor sowie auch andere zugehörige Komponenten nicht im gleichen Gehäuse angeordnet sind. In diesem Fall ist das Positionsmessystem als abgesetzter Wegsensor außerhalb des Positioners angeordnet.
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Potentiometer mit Schleiferabgriff haben die Eigenschaft, dass sie nur bedingt resistent gegenüber Vibrationen sind. Darüber hinaus nutzen sich der Schleifer und die Widerstandsbahn durch Elektroerosion nach einer endlichen Anzahl an Bewegungen bis zum Defekt ab.
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Bei einem häufig vorkommenden Fehlerbild wird infolge eines zyklisch um einen immer wiederkehrenden Punkt oszillieren Schleifers die Widerstandsbahn durch Abrasion und/oder Elektroerosion beschädigt, da der Stellungsregler lediglich kleine Regelabweichungen korrigiert. Dies kommt vor allem bei rückgekoppelten Systemen, wie sie in elektro-pneumatischen Stellungsreglern oder elektrischen Regelantrieben zu finden sind, vor, wenn sie lange Zeit mit konstantem oder quasi-konstantem Sollwert arbeiten. Ein Defekt wird durch eine schlechte Regelbarkeit der Regelstrecke begünstigt, da diese zur genannten Oszillation neigt, der Dauer mit der an einem konstanten oder quasi-konstanten Sollwert geregelt wird, da der zugehörige Sensor-/Potentiometerbereich dann lange beansprucht wird und das Auftreten eines Defektes steigert sich mit Zunahme der Frequenz.
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Oftmals ist nur ein Bereich von wenigen Winkelgraden betroffen. Der Schleifer arbeitet sich hierbei immer weiter in das Material der Widerstandsbahn ein, bis er schließlich keinen Kontakt mehr herstellen kann. Das Potentiometer ist an dieser Stelle verschlissen und kann somit nicht weiter zur Messung verwendet werden. Innerhalb eines Arbeitsbereiches können mehr als eine Stelle des Sensors defekt sein.
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Darüber hinaus wirken sich chemische Einflüsse negativ auf die Lebensdauer von Schleiferpotentiometern aus. Ein Defekt des Potentiometer führt zum Ausfall der Weg-/Positionsmessung.
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Der Ausfall des Weg-/Positionsmessystems führt nachteiligerweise zum Ausfall der Gerätefunktion, in dessen Folge der Stellungsregler eine ihm vorbestimmte Positionierreaktion ausführt, in der er verharrt, bis die Ursache für den Ausfall behoben ist. Dazu sind Positionierreaktionen vorgegeben, die ohne Weg-/Positionsmesssystem ausgeführt werden können. In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung kann vorgesehen sein, den Antrieb zu belüften oder zu entlüften, sogenannter „Fail Safe”, oder den Antrieb in der aktuellen Stellung zu blockieren, sogenannter „Fail Freeze”.
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Da der Ausfall typischerweise nicht vorhersagbar ist und auch bei regelmäßigen Serviceintervallen nicht diagnostiziert wird, kommt es bei einem solchen Ausfall zu einem unplanmäßigen Erliegen des Prozesses, der oft mit hohen Kosten seitens der Anwender verbunden ist.
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Im Bestreben, die Verfügbarkeit des Sensors zu erhöhen, sind berührungslosen Messverfahren, wie sie beispielsweise aus der
DE 42 39 635 A1 sowie
DE 10 2007 019 045 A1 hervorgehen, untersucht worden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese bei höherem technischen Aufwand gegenüber der potentiometerbasierten Messung auch eine so hohe Energieaufnahme aufweisen, die sie für Anwendungen in Einrichtungen, die aus einer leistungsbegrenzten Stromschleife gespeist werden, unbrauchbar machen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Verfügbarkeit eines potentiometerbasierten Weg-/Positionsmesssystems unter Beibehaltung des Messprinzips zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von einem Weg-/Positionsmesssystemen auf der Basis von Potentiometern mit Schleiferabgriff in einem geschlossenen Regelkreis aus, deren Regler durch einen Mikrocontroller gebildet ist, dem die Position des Schleifers über einen Analog/Digital-Wandler zugeführt wird.
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Die Erfindung geht ferner von der technischen Eigenschaft eines Potentiometers aus, dass ein „eingegrabener” Schleifer die Widerstandsbahn nicht unterbricht, sondern lediglich der Abgriff an dieser singulären, erodierten Position nicht mehr möglich ist.
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Die Erfindung geht ferner davon aus, dass der tatsächliche Arbeitsbereich des Potentiometers viel kleiner ist als dessen Sensorbereich.
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Erfindungsgemäß wird außerhalb von Prozessaufgaben durch temporäre Unterbrechung der Wirkverbindung zwischen dem Wegabgriff am Stellantrieb und der Potentiometerwelle der Arbeitsbereich innerhalb des Sensorbereichs mindestens um den Abstand der ersten Grenze des Arbeitsbereichs von der defekten Schleiferposition in Richtung der zweiten Grenze des Arbeitsbereichs verschoben.
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Durch die Verschiebung wird erreicht, dass die defekte Schleiferposition nunmehr außerhalb des Arbeitsbereichs liegt und bei der Weg-/Positionsmessung gemieden wird.
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Die Richtung der Verschiebung ergibt sich aus der Lage des aktuellen Arbeitsbereichs innerhalb des Sensorbereichs.
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Vorzugsweise wird der Arbeitsbereich innerhalb des Sensorbereichs mindestens um den Abstand der nächstliegenden Grenze des Arbeitsbereichs von der defekten Schleiferposition in Richtung der fernliegenden Grenze des Arbeitsbereichs verschoben.
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Zur Ermittlung der defekten Schleiferposition wird auf Anforderung durch Vorgabe einer Folge von Stellgrößen zumindest ein Teil des Sensorbereichs des Potentiometers überstrichen und eine verfügbare, den Positionswert repräsentierende Regelkreisgröße mit hoher Abtastrate aufgenommen. Durch Auswertung der Regelkreisgröße über die zugehörige Stellgröße wird die genaue Position einer defekten Schleiferposition des Potentiometers ermittelt.
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Bei einem Weg-/Positionsmesssystems mit einem Analog/Digital-Wandler wird eine defekte Schleiferposition als ungültiger Zahlenwert der Digitalausgabe im Arbeitsbereich des Potentiometers erkannt. Bei der Inbetriebnahme des Geräts wird der gesamte Arbeitsbereich innerhalb des Messbereichs des Potentiometers mindestens einmal überstrichen. Danach sind die Grenzen des Arbeitsbereichs in der jeweiligen Anwendung bekannt. An einer defekten Schleiferposition liegt die abgegriffene Teilspannung am Schleifer außerhalb der Grenzen des bei der Inbetriebnahme ermittelten Arbeitsbereichs.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird zur Lagebestimmung einer defekten Schleiferposition zumindest ein Teilbereich des Sensorbereichs kontinuierlich mit möglichst konstanter, langsamer, gleichförmiger Geschwindigkeit durchfahren und bei Erkennen einer jeweils fehlerhaften Sensorposition der ihr jeweils nächstliegende gültige Wert vor und hinter der defekten Position gespeichert.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine bereits ermittelte defekte Schleiferposition gezielt angefahren und ihre Umgebung mit geringer Schrittweite abgetastet. Dadurch wird die Lage und die Dimension der defekten Schleiferposition präzise ermittelt und der zu meidende Bereich des Weg-/Positionsmesssystems möglichst klein gehalten.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine defekte Schleiferposition durch unerwartete Abweichungen, wie starke Unstetigkeiten, Sprünge oder starke Veränderungen, zwischen mehreren Messwerten gegenüber einem erwartungsgemäßen Kennlinienverlauf der Teilspannung am Schleifer des Potentiometers erkannt. Typischerweise ist die Übertragungskennlinie eines Potentiometers linear. Abweichungen von der erwartungsgemäßen Linearität sind auf einfache Weise zu erkennen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird im einzelnen die Abweichung zum erwarteten Verlauf durch Vergleich des tatsächlichen Verlaufs mit einer nichtflüchtig gespeicherten Referenz erkannt.
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Nach einem alternativen Merkmal der Erfindung wird die Lage einer defekten Schleiferposition durch Zuordnung der aktuellen Führungsgröße zur Rückführgröße ermittelt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbespiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine prinzipielle Darstellung eines Regelkreises (Stand der Technik)
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2 eine Prinzipdarstellung eines Stellantriebs mit einer potentiometerbasierten Einrichtung zur Positionsbestimmung
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3 eine prinzipielle Darstellung des Arbeitsbereichs des Positionssensors im Sensorbereich
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In der 1 ist der bereits in der Beschreibungseinleitung erläuterte prinzipielle Aufbau eines Regelkreises gezeigt, wie er aus dem Stand der Technik hervorgeht.
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In der 2 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.
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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.
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In der 3 ist der Arbeitsbereich 30 des Positionsaufnehmers 10 im Sensorbereich 20 des Potentiometers aufgetragen. Der Sensorbereich 20 des Potentiometers ist durch seine Grenzen 21 und 22 gekennzeichnet, die die Enden der Schleifbahn darstellen. Innerhalb der Grenzen 21 und 22 des Sensorbereich 20 liegt der tatsächliche Arbeitsbereich 30 mit seinen Grenzen 31 und 32, die den Verfahrbereich des Prozessventils 2 markieren. Nach 3a befindet sich eine defekte Schleiferposition 23 innerhalb der Grenzen 31 und 32 des Arbeitsbereichs 30 des Positionsaufnehmers 10.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Positionsaufnehmer 10 über eine Rutschkupplung mit der Drehachse des Potentiometers verbunden. Durch Verdrehen der rutschgekuppelten Wellen gegeneinander wird die Wirkverbindung zwischen dem Positionsaufnehmer 10 am Stellantrieb 6 und der Potentiometerwelle des Stellungsreglers 9 temporär unterbrochen. Dabei werden die Wellen soweit gegeneinander verdreht, dass der Arbeitsbereich 30 gemäß 3b innerhalb des Sensorbereichs 20 abseits der defekten Schleiferposition 23, nämlich indem der Arbeitsbereich 30 mindestens um den Abstand der ersten Grenze 31 des Arbeitsbereichs 30 von der defekten Schleiferposition 23 in Richtung der zweiten Grenze 32 des Arbeitsbereichs 30 verschoben wird.
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Aus der Lage der Grenzen 31 und 32 des Arbeitsbereichs 30, der Lage der Grenzen 21 und 22 des Sensorbereichs 20 und der Position der defekten Schleiferposition 23 wird die Drehrichtung ermittelt. Die Ausgabe wie weit zu drehen ist, kann entweder als Distanz in % oder Winkelgrad in eine Richtung ausgegeben werden, oder sofern die Rutschkupplung ein Verstellen in äquidistanten Einheiten ermöglicht auch in Anzahl von Verstellschritten.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Stellungsregler 9 eine Aktorik zum Verstellen der Rutschkupplung auf.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Positionsaufnehmer 10 über ein Zahnradgetriebe mit der Drehachse des Potentiometers verbunden. Dabei wird die Verschiebung des Arbeitsbereichs 30 innerhalb des Sensorbereichs 20 durch Verdrehen der Zahnräder gegeneinander in quantisierten Schritten unter temporärer Außereingriffbringung der beteiligten Zahnräder erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- 20
- Sensorbereich
- 21, 22
- Grenze des Sensorbereichs
- 23
- Defekte Schleiferposition
- 30
- Arbeisbereich
- 31, 32
- Grenze des Arbeitsbereichs
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4239635 A1 [0016]
- DE 102007019045 A1 [0016]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://de.wikipedia.org/wiki/Regelkreis [0003]
