-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer arbeitspunktabhängigen Reglerverstärkungskennlinie zur Verwendung in einer Regeleinrichtung sowie eine Regeleinrichtung zur Ansteuerung einer Stelleinrichtung.
-
Aus der
DE 19540441 A1 ist ein Stellungsregler zur Steuerung von Ventilen in Anlagen bekannt, um den Hub oder die Öffnung des Stellventils entsprechend einer Vorgabe zu positionieren. Für die Genauigkeit der Stabilität und Regelgüte des Regelkreises der Anlage, in die das Ventil als Stellglied eingesetzt ist, ist es wünschenswert, daß gleiche Hubänderungen zu gleichen Durchflußänderungen führen. Durch Erzeugung einer Nichtlinearität zwischen dem Stellsignal und der Ventilöffnung wird eine Linearität zwischen Stellsignal und Durchflußmenge erzielt. Dabei wird für die Erreichung eines bestimmten Öffnungshubes das erforderliche Stellsignal so gewählt, daß eine lineare Funktion zwischen der Durchflußmenge und dem Stellsignal entsteht. Das so ermittelte Stellsignal wird dem Stellungsregler zur Steuerung des Ventils eingegeben. Der Stellungsregler wird hierfür mit einer Mikroprozessorschaltung ausgerüstet, die die Ergebnisse der Ermittlung der Betriebskennlinie der Anlage erfaßt und verarbeitet.
-
Gemäß einem der Anmelderin bekannten, druckschriftlich nicht niedergelegten Stand der Technik werden Regeleinrichtungen zur Ansteuerung von Stelleinrichtungen, wie sie beispielsweise im Bereich der Prozesstechnik zur Ansteuerung von Prozessventilen eingesetzt werden, im Rahmen eines umfangreichen Parametrierungsvorgangs an die jeweilige Regelanforderung angepasst. Grundsätzlich wird hierbei davon ausgegangen, dass die Regeleinrichtung zu Ansteuerung einer Stelleinrichtung eingesetzt wird, die ihrerseits eine Stellbewegung bereitstellt, um beispielsweise eine Armatur eines insbesondere als Kugelventil oder Schieberventil ausgebildeten Prozessventils anzusteuern. Ferner ist hierbei üblicherweise zugrundezulegen, dass zwischen der Stellbewegung der Stelleinrichtung und der durch die Stellbewegung bewirkten Einflussnahme auf die Armatur des Prozessventils eine nichtlineare stationäre Beziehung besteht. Hierdurch ergibt sich die Schwierigkeit, dass eine Regeleinrichtung über einen gesamten Betriebsbereich der Armatur, beispielsweise zwischen einer vollständigen Öffnungsstellung und einer vollständigen Schließstellung, nicht überall optimal mit den gleichen Reglereinstellungen betrieben werden kann. Vielmehr muss an jeder Stelle der Betriebskennlinie, die eine Beziehung zwischen einer Eingangsgröße, beispielsweise der Position der Stelleinrichtung, und einer Ausgangsgröße, beispielsweise einem Durchfluss durch die Armatur, ein unterschiedliches Reglerverhalten vorgegeben werden. In der Praxis bedeutet dies, dass für jeden Punkt auf der Betriebskennlinie eine individuelle Reglereinstellung ermittelt werden muss, was üblicherweise durch einen erfahrenen Bediener im Rahmen eines aufwendigen manuellen Vorgehens erfolgt. Beispielsweise ist vorgesehen, dass der Bediener an jedem Punkt der Betriebskennlinie eine lokale Reglerverstärkung ermittelt, indem er insbesondere ein Schwingungsverhalten der Regeleinrichtung analysiert und im Rahmen seiner Erfahrung eine Anpassung der Reglerparameter, insbesondere der Proportional-, Integral- und Differenzialanteile vornimmt. Diese Vorgehensweise ist zeitaufwendig und erfordert viel Erfahrung vom Bediener, um über die gesamte Betriebskennlinie ein vorteilhaftes Reglerverhalten einstellen zu können.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Ermitteln einer arbeitspunktabhängigen Reglerverstärkungskennlinie sowie eine Regeleinrichtung zur Ansteuerung einer Stelleinrichtung bereitzustellen, die in einfacher Weise an die Anforderungen der jeweiligen Regelaufgabe angepasst werden können.
-
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei sind die folgenden Schritte vorgesehen: Bereitstellen einer Betriebskennlinie, die eine Beziehung zwischen mehreren Werten einer Eingangsgröße und jeweils zugeordneten Werten einer Ausgangsgröße beschreibt, Ermitteln eines Steigungsverlaufs für die Betriebskennlinie, Invertieren des Steigungsverlaufs der Betriebskennlinie zum Berechnen einer Reglerverstärkungskennlinie. Die Betriebskennlinie beschreibt das Verhalten derjenigen Komponente, die mit Hilfe der Regeleinrichtung betrieben werden soll, für die die Reglerverstärkungskennlinie ermittelt wird und ist im Wesentlichen durch die geometrischen Eigenschaften der Komponente bestimmt. Beispielhaft handelt es sich bei dieser Komponente um eine Armatur eines Prozessventils, das beispielhaft als Kugelventil ausgeführt sein kann. In diesem Fall beschreibt die Betriebskennlinie eine Beziehung zwischen einem Öffnungswinkel für das Ventilglied des Kugelventils und beispielsweise einem Durchfluss durch das Kugelventil bei bekannten Eigenschaften für das Fluid, das das Kugelventil durchströmt. Die Betriebskennline wird in der Regel vom Hersteller der Komponente ermittelt und als Datensatz der Komponente beigestellt. Die bekannte Betriebskennlinie wird anschließend im Rahmen des Verfahrens, insbesondere unter Verwendung einer Recheneinrichtung wie eines Computers, auf ihren Steigungsverlauf untersucht und der Steigungsverlauf der Betriebskennlinie wird als Zwischenergebnis in geeigneter Weise zwischengespeichert. Anschließend erfolgt eine Invertierung des Steigungsverlaufs der Betriebskennlinie, beispielsweise in dem jeder lokale Steigungswert der Betriebskennlinie als Teiler oder Divisor für einen stets gleichen Dividend verwendet wird. Mit anderen Worten wird jeder lokale Steigungswert als Nenner eines Bruchs mit stets gleichem Zähler eingesetzt und das Ergebnis der Division als Punkt in einer Reglerverstärkungskennlinie festgehalten. Besonders bevorzugt wird der Kehrwert für jeden lokalen Steigungswert der Betriebskennlinie berechnet. Die hiermit ermittelte Reglerverstärkungskennlinie kann anschließend an einen Regler einer Regeleinrichtung bereitgestellt werden und gewährleistet bei Verwendung in diesem Regler zumindest für dessen größten Teil, insbesondere für jeden Punkt, der Betriebskennlinie ein stabiles Regelverhalten. Gegebenenfalls kann vorgesehen werden, insbesondere in Randbereichen der Betriebskennlinie, eine manuelle oder automatisierte Nachjustierung vorzunehmen, um eventuelle Instabilitäten für den Regler zu reduzieren. Grundsätzlich zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass es vollständig automatisiert durchgeführt werden kann. Ein Eingriff eines Bedieners ist nicht erforderlich, der Zeitaufwand für die Ermittlung der Reglerverstärkungskennlinie beschränkt sich ausschließlich auf die Durchführung der Rechenoperationen, aufwendige Versuchsreihen sind nicht erforderlich.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Zweckmäßig ist es, wenn eine lokale Reglerverstärkung für ein Wertepaar der Betriebskennlinie anhand eines vorgegebenen Stabilitätskriteriums ermittelt wird und dass die lokale Reglerverstärkung in eine vorgebbare Beziehung mit der Reglerverstärkungskennlinie gesetzt wird. Durch diese Maßnahme wird eine zusätzliche Präzisierung für das durch die Reglerverstärkungskennlinie vorgegebene Reglerverhalten erreicht. Hierbei ist vorgesehen, an einer geeigneten Stelle der Betriebskennlinie in manueller oder automatisierter Weise eine lokale Reglerverstärkung zu ermitteln, die einem vorgegebenen Stabilitätskriterium, beispielsweise einer vorgegebenen Dämpfung für den Regler, entspricht und anhand der ermittelten lokalen Reglerverstärkung eine geeignete Anpassung für die gesamte Reglerverstärkungskennlinie vorzunehmen. Bei der Beziehung zwischen der lokalen Reglerverstärkung und der Reglerverstärkungskennlinie kann es sich beispielsweise um eine mathematische Operation handeln, die vorzugsweise über die gesamte Reglerverstärkungskennlinie identisch ist.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die lokale Reglerverstärkung für ein Wertepaar der Betriebskennlinie ermittelt wird, das einer vorgebbaren Steigung, insbesondere einer Maximalsteigung, der Betriebskennlinie zugeordnet ist. Bei dem Betrag für die vorgebbare Steigung kann es sich um einen Absolutbetrag oder um eine qualitative Eigenschaft wie beispielsweise einen maximalen Betrag der Steigung handeln. Hierdurch kann vorgegeben werden, dass die lokale Reglerverstärkung für einen Ort auf der Betriebskennlinie ermittelt wird, der von besonderer Bedeutung für die Regeleinrichtung ist, die mit der noch zu ermittelnden Reglerverstärkungskennlinie betrieben werden soll. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die lokale Regerverstärkung für dasjenige Wertepaar der Betriebskennlinie ermittelt wird, das mit einer maximalen Steigung der Betriebskennlinie verknüpft ist, wobei hierzu insbesondere der Betrag der Steigung betrachtet wird.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine lokale Reglerverstärkung für ein Wertepaar der Betriebskennlinie ermittelt wird, das einem vorgebbaren Arbeitspunkt entspricht. Möglicherweise ist bei der geplanten Verwendung einer Regeleinrichtung, die Gebrauch von der Reglerverstärkungskennlinie machen soll, ein Arbeitspunkt bekannt, der während des Betriebs der Regeleinrichtung und der davon angesteuerten Stelleinrichtung in zeitlicher Hinsicht überwiegend eingenommen wird. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Reglerverstärkungskennlinie auf diesen Arbeitspunkt angepasst ist, sodass ein vorteilhaftes Reglerverhalten für die Regeleinrichtung an diesem Arbeitspunkt gewährleistet werden kann.
-
Vorteilhaft ist es, wenn eine lokale Reglerverstärkung für ein Wertepaar der Betriebskennlinie ermittelt wird, bei dem ein vorgegebenes, insbesondere maximales, Schwingungsverhalten für eine vom Regler anzusteuernde Stelleinrichtung vorliegt. Bei dieser Vorgehensweise wird unterstellt, dass ein Verhalten der von der Regeleinrichtung anzusteuernden Stelleinrichtung zumindest weitestgehend bekannt ist und dementsprechend ein Ort auf der Betriebskennlinie für die Ermittlung der lokalen Reglerverstärkung genutzt werden kann, an dem ein vorgebbares Schwingungsverhalten vorliegt.
-
Zweckmäßig ist es, wenn die lokale Reglerverstärkung durch Aufprägen einer Schwingung mit variabler Schwingungsfrequenz an eine Stelleinrichtung sowie eine Ermittlung einer maximalen Schwingungsantwort der Stelleinrichtung vorgenommen wird. Durch diese Maßnahme kann dasjenige Wertepaar der Betriebskennlinie ermittelt werden, bei dem eine maximale Schwingungsneigung des Reglers vorliegt und dementsprechend kann die lokale Reglerverstärkung derart angepasst werden, dass genau zu diesem Wertepaar eine vorteilhafte Dämpfungswirkung für den Regler gewährleistet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, die Stelleinrichtung mit einer Schwingung zu beaufschlagen, deren Frequenz innerhalb eines gegebenen Intervalls mit einer vorgegebenen Schrittweite variiert wird, um möglichst alle beim praktischen Einsatz der Regeleinrichtung sowie der Stelleinrichtung auftretenden Schwingungen aufzuprägen und diejenige Frequenz zu ermitteln, bei der die maximale Schwingungsantwort der Stelleinrichtung vorliegt.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lokale Reglerverstärkung in automatisierter oder manueller Weise derart eingestellt wird, dass eine maximale Schwingungsdämpfung bewirkt wird und/oder dass eine Normierung der ermittelten Reglerverstärkungskennlinie auf einen Betrag der ermittelten lokalen Reglerverstärkung vorgenommen wird. Typischerweise liegt das Ziel der Ermittlung der lokalen Reglerverstärkung darin, ein Schwingungsverhalten der Regeleinrichtung sowie der davon angesteuerten Stelleinrichtung so zu beeinflussen, dass keine unkontrollierten Schwingungen auftreten. Dies kann wahlweise durch einen geeigneten Algorithmus in automatisierter Weise geschehen, wobei der Algorithmus vorzugsweise in der Regeleinrichtung gespeichert ist und ohne ein weiteres Zutun eines Benutzers die lokale Reglerverstärkung ermittelt. Alternativ ist eine manuelle Anpassung der lokalen Reglerverstärkung vorzusehen, dies kann beispielsweise vorgesehen werden, wenn der Arbeitspunkt für den Betrieb der Regeleinrichtung und der zugehörigen Stelleinrichtung bekannt ist. Ergänzend oder alternativ wird eine Normierung der ermittelten Reglerverstärkungskennlinie auf einen Betrag der ermittelten lokalen Reglerverstärkung vorgenommen. Im Rahmen dieser Normierung werden sämtliche Werte der Reglerverstärkungskennlinie durch den Betrag der lokalen Reglerverstärkung dividiert, um die normierte Reglerverstärkungskennlinie zu erhalten. Hierdurch wird ein Einfluss des Betrags der lokalen Reglerverstärkung eliminiert.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Betriebskennline durch Vorgeben mehrerer unterschiedlicher Beträge einer Eingangsgröße, insbesondere einer Stellposition eines Stellantriebs, und Ermitteln der jeweils zugeordneten Ausgangsgröße, insbesondere einer fluidischen Ausgangsgröße aus der Gruppe: Differenzdruck, Durchfluss, Strömungsgeschwindigkeit, bestimmt wird. Beispielhaft ist vorgesehen, eine Betriebskennlinie für ein Prozessventil, das mit einer pneumatischen Stelleinrichtung versehen ist, durch schrittweise Steigerung des als Eingangsgröße dienenden pneumatischen Drucks in unterschiedliche Stellpositionen zu bringen und einen mit der jeweiligen Stellposition verknüpften Durchfluss eines Fluids durch das Prozessventil zu ermitteln, wobei hierdurch jeder Stellposition ein Durchfluss zugeordnet werden kann, so dass die entsprechenden Wertepaare für die Betriebskennlinie vorliegen.
-
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung des Steigungsverlaufs für die Betriebskennlinie durch eine Differenzierung der Ausgangsgröße nach der Eingangsgröße.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt mit einer Regeleinrichtung zur Ansteuerung einer Stelleinrichtung gelöst. Dabei umfasst die Regeleinrichtung eine Eingangsschnittstelle, eine Ausgangsschnittstelle und eine Verarbeitungseinrichtung, die für eine Verarbeitung von Eingangssignalen ausgebildet ist, die an der Eingangsschnittstelle bereitstellbar sind, wobei die Verarbeitungseinrichtung einen Regler umfasst, der mit einer arbeitspunktabhängigen Reglerverstärkungskennlinie ausgestattet ist, die nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 ermittelt wurde und der für eine Bereitstellung von Ausgangssignalen an die Ausgangsschnittstelle in Abhängigkeit von den Eingangssignalen und der Reglerverstärkungskennlinie ausgebildet ist.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 eine stark schematisierte, rein exemplarische Darstellung eines Prozessventils mit einer Stelleinrichtung, einem Fluidventil zur Ansteuerung der Stelleinrichtung sowie einer Regeleinrichtung zur Ansteuerung des Fluidventils,
- 2 eine stark schematisierte, rein exemplarische Darstellung einer Betriebskennlinie für das Prozessventil gemäß der 1 sowie eine Darstellung einer aus der Ableitung der Betriebskennlinie resultierenden Steigungskennlinie,
- 3 eine stark schematisierte, rein exemplarische Darstellung einer durch Invertierung aus der Steigungskennlinie ermittelten Reglerverstärkungskennlinie sowie eine normierte Reglerverstärkungskennlinie.
-
Die 1 zeigt eine stark schematisierte, rein exemplarische Darstellung einer Prozessventilanordnung 1, die ein Prozessventil 2, eine Stelleinrichtung 3, ein Fluidventil 4 sowie eine Regeleinrichtung 5 umfasst und lediglich zur Erläuterung eines möglichen Einsatzfalls für das nachstehend näher beschriebene Verfahren zur Ermittlung einer arbeitspunktabhängigen Reglerverstärkungskennlinie dient.
-
Eine Prozessventilanordnung 1 gemäß der 1 kann beispielsweise im Bereich der chemischen Verfahrenstechnik, insbesondere in einer chemischen Produktionsanlage zur Beeinflussung eines Fluidvolumenstroms, insbesondere eines Flüssigkeitsstroms, eingesetzt werden. Dabei dient das Prozessventil 2 der unmittelbaren Einflussnahme auf den Fluidvolumenstrom und weist hierzu ein Ventilgehäuse 6 sowie beispielhaft einen linearbeweglich im Ventilgehäuse 6 aufgenommenen Ventilschieber 7 auf. Gemäß der Darstellung der 1 ist der Ventilschieber 7 in einer Sperrstellung angeordnet, in der ein Fluidvolumenstrom durch das Ventilgehäuse 6 verhindert wird. Der Ventilschieber 7 kann aus der Sperrstellung im Rahmen einer linearen Bewegung in eine Öffnungsstellung verlagert werden, bei der ein Durchflussquerschnitt 8 des Ventilgehäuses 6 zumindest teilweise oder gegebenenfalls auch vollständig freigegeben wird. Zur Durchführung der Verlagerung des Ventilschiebers 7 ist dem Ventilgehäuse 6 die rein exemplarisch als einfachwirkender Pneumatikzylinder ausgebildete Stelleinrichtung 3 zugeordnet. Dabei umfasst die stark schematisiert dargestellte Stelleinrichtung 3 ein Aktorgehäuse 9, das einen Fluidraum 10 begrenzt, in dem ein Arbeitskolben 11 linearbeweglich abdichtend aufgenommen ist. Der Arbeitskolben 11 trennt den Fluidraum 10 in einen größenvariablen Arbeitsraum 12 und einen größenvariablen Ausgleichsraum 15 auf. Dabei weist der Arbeitsraum 12 einem Fluidanschluss 16 auf, der über eine Fluidleitung 17 mit dem Fluidventil 4 verbunden ist. Der Ausgleichsraum 15 weist eine Ausgleichsöffnung 18 auf, die einen Druckausgleich zwischen dem Ausgleichsraum 15 und einer Umgebung der Prozessventilanordnung 1 ermöglicht. Ferner ist im Ausgleichsraum 15 eine rein exemplarisch als Wendelfeder ausgebildete Druckfeder 19 angeordnet, die bereits in der Sperrstellung gemäß der 1 eine innere Vorspannung aufweist und den Ventilschieber 7 dadurch in die Sperrstellung vorspannt.
-
Das Fluidventil 4 ist rein exemplarisch als elektrisch angesteuertes Proportionalventil ausgebildet und über eine Steuerleitung 20 und eine Signalschnittstelle 37 mit einer in der Regeleinrichtung 5 vorgesehenen Verarbeitungseinrichtung 21 verbunden, bei der es sich beispielhaft um einen Mikroprozessor handeln kann. Ferner ist das Fluidventil 4 mittels nicht näher bezeichneter Fluidleitungen mit einer Fluidquelle 22 sowie mit einem Fluidauslass 33 verbunden. Das Fluidventil 4 wird von der Verarbeitungseinrichtung 21 elektrisch angesteuert, hierzu stellt die Verarbeitungseinrichtung 21 wahlweise ein analoges oder ein digital codiertes Steuersignal an das Fluidventil 4 zur Verfügung. In Abhängigkeit von einem durch das jeweilige Steuersignal repräsentierten Steuerbefehl ist das Fluidventil 4 dazu eingerichtet, eine Einstellung eines Fluiddrucks im Arbeitsraum 12 der Stelleinrichtung 3 vorzunehmen. In Abhängigkeit vom Fluiddruck im Arbeitsraum 12 stellt sich eine Druckkraft auf den Arbeitskolben 11 ein, die der Vorspannkraft der Druckfeder 19 entgegengesetzt ist. Sobald die auf den Arbeitskolben 11 wirkende Druckkraft im Arbeitsraum 12 die Vorspannkraft der Druckfeder 19 überschreitet findet - modellhaft unter Vernachlässigung sonstiger Einflüsse wie Reibungskräfte - eine lineare Verlagerung des Arbeitskolbens 11 statt. Da der Arbeitskolben 11 über eine Kolbenstange 23 mit dem Ventilschieber 7 gekoppelt ist, wird durch die lineare Verlagerung des Arbeitskolbens 11 auch die gewünschte lineare Verlagerung des Ventilschiebers 7 erreicht. Gleichzeitig wird durch die lineare Verlagerung des Arbeitskolbens 11 der Ausgleichsraum 15 verkleinert, wobei im Ausgleichsraum 15 enthaltenes Fluid durch die Ausgleichsöffnung 18 in die Umgebung abströmen kann. Die mit der linearen Verlagerung des Arbeitskolbens 11 einhergehende Kompression der Druckfeder 19 resultiert in einer ansteigenden Gegenkraft zur Druckkraft auf den Arbeitskolben 11, so dass sich - unter Vernachlässigung weiterer Einflüsse wie beispielsweise Reaktionskräfte des durch das Ventilgehäuse 6 strömenden Fluids auf den Ventilschieber 7 - ein stationärer Gleichgewichtszustand zwischen der Druckkraft auf den Arbeitskolben 11 und der Vorspannung der Druckfeder 19 einstellt.
-
Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass im Ventilgehäuse 6 beidseitig vom Ventilschieber 7 jeweils ein Drucksensor 24, 25 angeordnet ist, wobei jeder der Drucksensoren 24, 25 über eine jeweils zugeordnete Sensorleitung 26, 27 mit einer Sensorschnittstelle 34, 35 der Verarbeitungseinrichtung 21 verbunden ist und druckabhängigen Sensorsignale an die Verarbeitungseinrichtung 21 bereitstellen kann.
-
Darüber hinaus kann optional eine Volumenstrommesseinrichtung 29 am Ventilgehäuse 6 angeordnet sein, die eine Ermittlung eines Fluidvolumenstroms durch das Ventilgehäuse 6 sowie die Bereitstellung eines vom ermittelten Fluidvolumenstrom abhängigen Sensorsignals über eine Sensorleitung 28 an eine Sensorschnittstelle 36 der Verarbeitungseinrichtung 21 ermöglicht.
-
Die Regeleinrichtung 5 umfasst rein exemplarisch neben der Verarbeitungseinrichtung 21 noch einen Busknoten 30, der für eine Anbindung der Regeleinrichtung 5 an eine übergeordnete Steuerung 31 mittels einer Busleitung 32 vorgesehen ist. Beispielhaft wird die übergeordnete Steuerung 31 auch als Komponente einer Leitebene bezeichnet, während die Prozessventilanordnung 1 und insbesondere die Regeleinrichtung 5 als unterhalb der Leitebene angeordnetes Feldgerät bezeichnet wird. Alternativ ist die Regeleinrichtung 5 ohne eine Verbindung zu einer übergeordneten Steuerung 31 für einen autarken Betrieb ausgebildet. In diesem Fall kann auch auf den Busknoten 30 verzichtet werden.
-
In der Verarbeitungseinrichtung 21 ist ein nicht näher dargestellter Regler ausgebildet, bei dem es sich wahlweise um eine diskrete elektrische oder elektronische Schaltung innerhalb der Verarbeitungseinrichtung 21 oder um eine Software zur Verwendung mit der Verarbeitungseinrichtung 21 handeln kann. Die Aufgabe des Reglers liegt darin, eine Position des Ventilschiebers 7 in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Wert für einen Fluidvolumenstrom, der das Ventilgehäuse 6 durchströmen soll, Auf Basis einer Eingangsgröße, beispielsweise eines Sensorsignals wenigstens eines der Drucksensoren 24, 25 so zu regeln, dass der vorgegebene Wert möglichst exakt eingehalten wird. Da für den Betrieb der Prozessventilanordnung 1 die dauerhafte Verwendung der Volumenstrommesseinrichtung 29 bereits aus Kostengründen und gegebenenfalls auch aus technischen Überlegungen heraus nicht vorgesehen ist, muss der Regler derart eingerichtet sein, dass er aus einem Sensorsignal oder aus mehreren Sensorsignalen, die beispielsweise von den Drucksensoren 24 und/oder 25 bereitgestellt werden, die Druckregelung für den Druck im Arbeitsraum 12 durchführen kann. Hierzu greift der Regler auf eine arbeitspunktabhängigen Reglerverstärkungskennlinie zurück, die für jeden Arbeitspunkt des Prozessventils 2 und somit für jede Stellung des Ventilschiebers 7 einen individuellen Reglerverstärkungswert aufweist, mit dem der Regler am jeweiligen Arbeitspunkt in vorteilhafter Weise betrieben wird soll.
-
Die arbeitspunktabhängige Reglerverstärkungskennlinie wird hierbei durch ein Verfahren ermittelt, das nachstehend näher beschrieben wird.
-
In einem ersten Schritt, der nicht zwingend in direktem Zusammenhang mit der Prozessventilanordnung 1 gemäß der 1 erfolgen muss, wird zunächst eine Betriebskennlinie für den im Ventilgehäuse 6 aufgenommenen Ventilschieber 7 ermittelt oder eine gegebenenfalls bereits bekannte Betriebskennline bereitgestellt. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Ventilschieber 7 ausgehend von der Sperrstellung, wie sie in der 1 dargestellt ist, in mehreren Schritten bis in eine Öffnungsstellung bewegt wird, in der ein maximaler Querschnitt des Ventilgehäuses 6 freigegeben wird. Für jede der Zwischenstellungen des Ventilschiebers 7 zwischen der Sperrstellung und der Öffnungsstellung wird ein Fluidvolumenstrom durch das Ventilgehäuse 6 mit Hilfe der Volumenstrommesseinrichtung 29 ermittelt, wobei in Abhängigkeit von der späteren Betriebsweise für das Prozessventil 2 wahlweise ein konstanter Fluiddruck oder ein variabler Fluiddruck berücksichtigt werden kann. Wahlweise kann die Stellung (Weg s[mm]) des Ventilschiebers 7 mit einem optionalen, insbesondere nur zur Ermittlung der Betriebskennlinie eingesetzten, Wegmesssystem erfasst werden. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen werden, den Ventilschieber 7 bereits während der Ermittlung der Betriebskennlinie mit der Stelleinrichtung 3 zu versehen und einen Kennwert der Stelleinrichtung 3, exemplarisch den Druck im Arbeitsraum 12, in Beziehung zum erfassten Fluidvolumenstrom (Durchfluss Q[m3/s]) zu bringen. Jedenfalls werden im Rahmen der Ermittlung der Betriebskennlinie eine Vielzahl von Wertepaaren ermittelt, die jeweils einen unmittelbar in Zusammenhang mit der Stellung des Ventilschiebers 7 stehenden ersten Wert und einen Betrag eines mit dem aus der jeweiligen Stellung des Ventilschiebers 7 resultierenden Fluidvolumenstroms miteinander verknüpfen. Aus diesen Wertepaaren wird anschließend die Betriebskennlinie ermittelt. In der Praxis ist die Betriebskennlinie abweichend von der als Abfolge mehrerer Geradenabschnitte in der 2 dargestellten Betriebskennlinie 40 ein stetiger Kurvenzug, der durch eine mathematische Funktion beschrieben werden kann.
-
In einem nachfolgenden Schritt findet eine Ermittlung eines Steigungsverlaufs für die Betriebskennlinie 40 statt. Hierzu wird rein exemplarisch eine Differenzierung (dQ/ds) des Fluidvolumenstroms Q nach der Stellung s des Ventilschiebers 7 vorgenommen. In der 2 ist der Steigungsverlauf 41 in das Schaubild eingezeichnet, wobei die Skalierung für den Steigungsverlauf am rechten Rand des Schaubilds angetragen ist. Rein exemplarisch weist die Betriebskennlinie 40 ausschließlich positive Werte auf, dies dürfte in der Praxis für ein Prozessventil 2, wie es exemplarisch in der 1 dargestellt ist, realistisch sein.
-
Der Steigungsverlauf 41 wird in einem nachfolgenden Schritt invertiert, indem für jeden einzelnen Steigungswert der Kehrwert bestimmt wird. Ein aus den ermittelten Kehrwerten gebildeter Graph ist als Reglerverstärkungskennlinie 42 im Schaubild gemäß der 3 eingetragen. Für eine Nutzung der Reglerverstärkungskennlinie 42 in der Verarbeitungseinrichtung 21 ist ferner vorgesehen, die Reglerverstärkungskennlinie 42 auf eine lokale Reglerverstärkung zu normieren. Die daraus resultierende normierte Reglerverstärkungskennlinie 43 ist ebenfalls in der 3 dargestellt.
