DE102019210599A1

DE102019210599A1 - Reglervorrichtung, fluidisches System und Verfahren zur Regelung eines fluidischen Aktors

Info

Publication number: DE102019210599A1
Application number: DE102019210599.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Joachimsthaler
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2021-01-21
Also published as: US11608906B2; US20210018110A1; FI20205741A1; FI130721B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reglervorrichtung (2) zur Bereitstellung eines Positionsreglermodus zur Positionsregelung eines Aktorglieds (15) eines mit einem Druckfluid ansteuerbaren fluidischen Aktors (3), wobei die die Reglervorrichtung (2) ausgebildet ist, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied (15) in einen durch einen Positions-Sollwert (PSW) der Positionsregelung vorgegebenen Positions-Zielbereich befindet, einen Druckreglermodus zu aktivieren und im Druckreglermodus eine Druckregelung des Druckfluids auf Basis eines Druck-Sollwerts (DSW) durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reglervorrichtung zur Bereitstellung eines Positionsreglermodus zur Positionsregelung eines Aktorglieds eines mit einem Druckfluid ansteuerbaren fluidischen Aktors.
Bei der Reglervorrichtung handelt es sich beispielsweise um einen Positioner. Die Reglervorrichtung ist insbesondere für den Einsatz in der Industrieautomatisierung, insbesondere der Prozessautomatisierung ausgebildet.
Die Reglervorrichtung führt die Positionsregelung des Aktorglieds unter Bereitstellung des Druckfluids durch - insbesondere dadurch, dass die Reglervorrichtung mit dem Druckfluid eine Druckkammer des fluidischen Aktors beaufschlagt, um dadurch die Position des Aktorglieds zu verändern. Das von der Reglervorrichtung bereitgestellte Druckfluid soll auch als fluidisches Stellsignal bezeichnet werden.
Eine Reglervorrichtung, die über eine Drucksensoreinrichtung verfügt (oder Zugriff auf Druckwerte einer externen Drucksensoreinrichtung hat), kann ausgebildet sein, eine kaskadierte Regelung durchzuführen. Bei einer kaskadierten Regelung wird als unterlagerter Regelkreis der Druck geregelt und als überlagerter Regelkreis wird die Position geregelt.
Exemplarisch wird bei der kaskadierten Regelung der Ausgang eines Positionsreglers als Führungsgröße für einen Druckregler verwendet. Durch die kaskadierte Regelung kann eine robustere Regelung erzielt werden, insbesondere gegenüber Störungen (wie z.B. externen Kräften, Temperatureffekten und/oder Leckage). Störungen, die im Druck - also insbesondere im unterlagerten Regelkreis - auftreten, können ausgeregelt werden, bevor diese zu Störungen in der Position - also insbesondere im überlagerten Regelkreis - führen. Durch die kaskadierte Regelung kann eine besser Regelgüte für die Positionsregelung erzielt werden.
Problematisch bei der kaskadierten Regelung ist der hierfür erforderliche hohe Energiebedarf. Der unterlagerte Regelkreis muss in der Regel mindestens gleich schnell oder schneller (also mit einer höheren zeitlichen Auflösung) als der überlagerte Regelkreis ausgeführt werden, um eine stabile Regelung zu gewährleisten. Dies führt dazu, dass der Energiebedarf der kaskadierten Regelung gegenüber einer einfachen Positionsregelung deutlich erhöht ist.
Oftmals steht der Reglervorrichtung nur ein sehr geringes Energiebudget zur Verfügung, insbesondere dann, wenn die Reglervorrichtung als 2-Leiter-Positioner ausgeführt ist. Die Sollwerte werden der Reglervorrichtung typischerweise über eine 4-20mA Stromschnittstelle vorgegeben, und die Reglervorrichtung muss in der Regel mit der durch die Stromschnittstelle bereitgestellten Energie auskommen. Bei einer kaskadierten Regelung müssten die Drucksensoren mit einer kurzen Zykluszeit ausgelesen werden. Dies würde jedoch das Energiebudget des 2-Leiter-Positioners überschreiten, insbesondere dann, wenn gleichzeitig eine Positionsregelung stattfindet.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die eingangs genannte Reglervorrichtung so zu modifizieren, dass eine robuste und energieeffiziente Regelung des Aktorglieds möglich wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Reglervorrichtung gemäß Anspruch 1. Die Reglervorrichtung ist ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied in einem durch eine Positions-Sollgröße der Positionsregelung vorgegebenen Positions-Zielbereich befindet, einen Druckreglermodus zu aktivieren und im Druckreglermodus eine Druckregelung des Druckfluids auf Basis einer Druck-Sollgröße durchzuführen.
Demnach wird der Druckreglermodus unter einer bestimmten Bedingung aktiviert - nämlich dass sich das Aktorglied im Positions-Zielbereich befindet - und ist somit nicht ständig aktiv. Dadurch kann der Energieverbrauch der Regelung begrenzt werden. Gleichzeitig kann durch die Bereitstellung des Druckreglermodus die Robustheit der Regelung erhöht werden, da das Aktorglied durch die Druckregelung (zumindest bei kleinen Störungen) in dem Positions-Zielbereich gehalten werden kann.
Der Positions-Zielbereich ist insbesondere ein Positionsbereich, der die durch den Soll-Positionswert vorgegebene Position sowie einen diese Position umgebenden Toleranzbereich umfasst. Der Positions-Zielbereich kann auch als Reglertotband bezeichnet werden.
Die Reglervorrichtung ist insbesondere ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied in dem Positions-Zielbereich befindet, von dem Positionsreglermodus in den Druckreglermodus umzuschalten. Durch das Umschalten der Reglervorrichtung von dem Positionsreglermodus in den Druckreglermodus, ist es zweckmäßigerweise trotz des limitierten Energiebudgets möglich, beide Regelungen - Positionsregelung und Druckregelung - einzusetzen und hiermit im stationären Fall (wenn sich das Aktorglied im Positions-Zielbereich befindet) die Robustheit der Regelung zu erhöhen. Kleine Störungen werden zweckmäßigerweise in der Druckregelung ausgeregelt, ohne dass das Aktorglied den Positions-Zielbereich verlässt.
Alternativ zu der Umschaltung von dem Positionsreglermodus in den Druckreglermodus kann die Reglervorrichtung auch ausgebildet sein, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied in dem Positions-Zielbereich befindet, den Druckreglermodus zu dem Positionsreglermodus hinzuzuschalten. Vorzugsweise ist die Reglervorrichtung ausgebildet, den Druckreglermodus nur dann einzuschalten, wenn sich das Aktorglied in dem Positions-Zielbereich befindet.
Bei einer reinen Positionsregelung (wie sie typischerweise für 2-Leiter-Positioner verwendet wird) besteht oftmals das Problem, dass der Regler erst auf eine Störung reagieren kann, wenn diese zu einer signifikanten Änderung in der Position geführt hat. Dabei wird möglicherweise schon der Positions-Zielbereich - also insbesondere der gewünschte Arbeitsbereich - verlassen. Durch das beschriebene Aktivieren der Druckregelung kann die Reglervorrichtung insbesondere in dem Zustand, in dem sich das Aktorglied im Positions-Zielbereich befindet, auf Störungen reagieren und so verhindern, dass das Aktorglied den Positions-Zielbereich verlässt.
Durch das zusätzliche Einschalten der Druckregelung oder dem Umschalten von der Positionsregelung zur Druckregelung (insbesondere dann, wenn die Positionsregelung im Reglertotband befindet und inaktiv ist) können also die Vorteile der Druckregelung genutzt werden. Insbesondere können langsame Störungen wie Wärmeeffekte oder kleine Störungen wie beispielweise Leckage durch die Druckregelung ausgeregelt werden, ohne dass die Position des Aktorglieds verändert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Reglervorrichtung ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied innerhalb des Positions-Zielbereichs befindet, den Positionsreglermodus zu deaktivieren. Zweckmäßigerweise führt die Reglervorrichtung zur Deaktivierung des Positionsreglermodus eine Reglerabschaltung des Positionsreglers durch, wenn sich das Aktorglied im Positions-Zielbereich befindet. Alternativ dazu setzt die Reglervorrichtung zur Deaktivierung des Positionsreglermodus das von dem Positionsregler ausgegebene Positionsreglersignal auf null und/oder verhindert dessen Weitergabe. Zweckmäßigerweise ist der Positionsreglermodus inaktiv, wenn der Druckreglermodus aktiv ist. Vorzugsweise ist der Druckreglermodus nur dann aktiv, wenn der Positionsreglermodus inaktiv ist. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch der Regelung noch weiter begrenzt werden.
Der Druckreglermodus dient insbesondere dazu, den zum Zeitpunkt der Deaktivierung des Positionsreglermodus gemessenen Druck des Druckfluids zu halten. Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied in dem Positions-Zielbereich befindet, einen Druck des Druckfluids zu erfassen und den erfassten Druck als den Druck-Sollwert für die Druckregelung zu verwenden.
Die im Druckreglermodus durchgeführte Druckregelung wird zweckmäßigerweise mit einer relativ geringen zeitlichen Auflösung - also einer relativ großen Zykluszeit - betrieben. Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung ausgebildet, die Druckregelung mit einer geringeren zeitlichen Auflösung (also einer größeren Zykluszeit) durchzuführen als die Positionsregelung. Zweckmäßigerweise wird aufgrund der größeren Zykluszeit für die Druckregelung nicht mehr Energie verbraucht als für die Positionsregelung.
Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung ausgebildet, die Zykluszeit der Druckregelung an die verfügbare Energie der Reglervorrichtung anzupassen. Insbesondere ist die Reglervorrichtung ausgebildet, die verfügbare Energie zu messen und auf Basis der gemessenen Energie die Zykluszeit der Druckregelung anzupassen, insbesondere dynamisch. Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung ferner ausgebildet, in diesem Zusammenhang Reglerparameter dynamisch einzustellen und/oder anzupassen. Je geringer die gewählte Zykluszeit ist, desto besser ist die Regelperformance und damit die Robustheit, da auch schnellere und größere Störungen kompensiert werden können. Durch die Anpassungen der Druckregelung und der Zykluszeit können Störungen (Leckage, Wärmeeffekte) optimal kompensiert werden, bevor das Aktorglied sich aus dem Positions-Zielbereich bewegt.
Die Druckregelung kann zweckmäßigerweise mit einer größeren Zykluszeit betrieben werden, da die Druckregelung nur kleine Störungen ausregeln muss, wie beispielweise langsame Temperaturdrifts, Leckage, etc.
Eine größere Störung führt dazu, dass das Aktorglied den Positions-Zielbereich verlässt, in welchem Fall der Positionsregler wieder aktiviert wird und die größere Störung ausregelt, bis sich das Aktorglied wieder in dem Positions-Zielbereich befindet (in dem der Positionsregler wieder deaktiviert wird).
Der Druckregler ist zweckmäßigerweise nur aktiv, wenn die Positionsregelung deaktiviert ist - also sich in einer Reglerabschaltung befindet. Die Deaktivierung der Positionsregelung - also die Reglerabschaltung - erfolgt insbesondere dadurch, dass die Reglervorrichtung das Positionsreglersignal auf null setzt und/oder die Weitergabe des Positionsreglersignals an ein Kopplungsglied und/oder ein Stellsystem verhindert. Ferner kann zur Deaktivierung der Positionsregelung auch eine komplette Abschaltung einer Positionsreglereinheit erfolgen, so dass keine Berechnung des Positionsreglersignals mehr erfolgt. Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied außerhalb des Positions-Zielbereichs befindet, den Druckreglermodus zu deaktivieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Regelung eines mit einem Druckfluid ansteuerbaren fluidischen Aktors mit einem Aktorglied, umfassend die Schritte: Durchführen einer Positionsregelung des Aktorglieds unter Bereitstellung des Druckfluids, und in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied in einem durch eine Positions-Sollgröße der Positionsregelung vorgegebenen Positions-Zielbereich befindet, Durchführen einer Druckregelung des Druckfluids auf Basis einer Druck-Sollgröße.
Das Verfahren ist zweckmäßigerweise in Entsprechung zu einer Weiterbildung der Reglervorrichtung ausgebildet. Vorzugsweise wird das Verfahren mit der Reglervorrichtung durchgeführt.
Weitere exemplarische Details sowie beispielhafte Ausführungsformen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung eines fluidischen Systems,
2 ein Blockdiagramm des fluidischen Systems, und
3 ein Flussdiagramm eines Betriebs einer Reglervorrichtung.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines fluidischen Systems 10. Das fluidische System 10 umfasst exemplarisch eine übergeordnete Steuerung 1, eine Reglervorrichtung 2, einen fluidischen Aktor 3 und eine Fluidleitungsanordnung 4.
Bei dem fluidischen System 10 handelt es sich insbesondere um eine industrielle Anlage, vorzugsweise um eine Prozesstechnik-Anlage.
Das fluidische System 10 dient insbesondere dazu, den Fluss eines Fluids 5, insbesondere eines Prozessfluids, durch die Fluidleitungsanordnung 4 zu beeinflussen, insbesondere wahlweise zu stoppen oder freizugeben und/oder in seiner Strömungsgeschwindigkeit anzupassen. Die Beeinflussung des Flusses des Fluids 5 erfolgt über ein in verschiedene Stellungen versetzbares Aktorglied 15.
Exemplarisch stellt die übergeordnete Steuerung 1 der Reglervorrichtung 2 einen Positions-Sollwert PSW bereit. Der Positions-Sollwert PSW gibt eine Soll-Position für das Aktorglied 15 vor. Die Reglervorrichtung 2 stellt auf Basis des Positions-Sollwerts PSW ein fluidisches Stellsignal FSS, insbesondere ein pneumatisches Stellsignal, bereit und steuert den fluidischen Aktor 3 mit dem fluidischen Stellsignal FSS an, um das Aktorglied 15 in eine bestimmte Stellung zu versetzen und/oder in einer bestimmten Stellung zu halten. Zweckmäßigerweise gibt die Reglervorrichtung 2 zur Bereitstellung des fluidischen Stellsignals FS ein Druckfluid, insbesondere Druckluft, aus.
Es sei angemerkt, dass das fluidische System 10 eine rein exemplarische Anwendung der Reglervorrichtung 2 darstellt. Die Reglervorrichtung 2 kann auch für eine andere Anwendung eingesetzt werden und insbesondere auch für sich genommen (also ohne die anderen Komponenten des Systems 10) bereitgestellt werden.
Zweckmäßigerweise kann die Reglervorrichtung 2 zur Regelung eines Aktorglieds eines anderen fluidischen, insbesondere pneumatischen, Aktors eingesetzt werden, beispielsweise zur Regelung des Kolbens eines Antriebszylinders. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung wird eine Anordnung aus der Reglervorrichtung 2 und einem Antriebszylinder bereitgestellt, wobei die Reglervorrichtung 2 ausgebildet ist, eine Regelung des Kolbens des Antriebszylinders durchzuführen.
Bei der Reglervorrichtung 2 handelt es sich beispielsweise um einen Positioner. Die Reglervorrichtung 2 ist insbesondere für den Einsatz in der Industrieautomatisierung, insbesondere der Prozessautomatisierung ausgebildet. Die Reglervorrichtung 2 ist zweckmäßigerweise ein Feldgerät, insbesondere für den industriellen Einsatz. Bei der Reglervorrichtung 2 handelt es sich exemplarisch um ein 2-Leiter-Gerät, insbesondere um einen 2-Leiter-Positioner. Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung 2 über zwei Leiter mit der übergeordneten Steuerung 1 verbunden und empfängt über diese zwei Leiter sowohl den Positions-Sollwert PSW als auch die für den Betrieb der Reglervorrichtung 2 verwendete elektrische Energie.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch ein Gehäuse 6. Das Gehäuse 6 ist vorzugsweise kubisch oder zylindrisch ausgeführt.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch ferner eine Rechnereinheit 7, beispielsweise einen Mikrocontroller, auf dem zweckmäßigerweise ein Reglerprogramm, insbesondere ein Regleralgorithmus, bereitgestellt wird, zweckmäßigerweise zur Bereitstellung des nachstehend noch erläuterten Positionsreglermodus und/oder Druckreglermodus. Die Rechnereinheit 7 ist insbesondere im Gehäuse 6 angeordnet.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch ferner eine analoge Stromschnittstelle 8. Die analoge Stromschnittstelle 8 ist zweckmäßigerweise eine 4-20 mA analoge Stromschnittstelle. Die Reglervorrichtung 2 ist ausgebildet, über die analoge Stromschnittstelle 8 den Positions-Sollwert PSW zu empfangen, insbesondere von der übergeordneten Steuerung 1. Die Reglervorrichtung 2 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, über die analoge Stromschnittstelle 8 die für den Betrieb der Reglervorrichtung 2 benötigte Energie zu empfangen. Exemplarisch generiert die Reglervorrichtung 2 die für ihren Betrieb verwendete elektrische Energie aus dem Schnittstellenstrom der analogen Stromschnittstelle 8. Mit der elektrischen Energie aus dem Schnittstellenstrom wird insbesondere die Rechnereinheit 7 sowie der nachfolgend erläuterte elektropneumatische Wandler 11, die Positionssensoreinrichtung 12 und/oder die Drucksensoreinrichtung 14 betrieben. Der Schnittstellenstrom wird exemplarisch von der übergeordneten Steuerung 1 bereitgestellt. Die analoge Stromschnittstelle 8 ist zweckmäßigerweise am oder im Gehäuse 6 angeordnet.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch ferner eine mechanische Schnittstelle 9 zur Anbringung der Reglervorrichtung 2 an den fluidischen Aktor 3. Die mechanische Schnittstelle 9 ist exemplarisch am Gehäuse 6 angeordnet.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch ferner einen elektropneumatischen Wandler 11. Die Reglervorrichtung 2 ist ausgebildet, mit dem elektropneumatischen Wandler 11 das Druckfluid auszugeben, um so das fluidische Stellsignal FSS für die Ansteuerung des fluidischen Aktors 3 bereitzustellen. Der elektropneumatische Wandler 11 ist zweckmäßigerweise im Gehäuse 6 angeordnet.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch ferner eine Positionssensoreinrichtung 12. Die Reglervorrichtung 2 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, mittels der Positionssensoreinrichtung 12 eine Ist-Position des Aktorglieds 15 zu erfassen und als Positions-Istwert PIW bereitzustellen. Die Positionssensoreinrichtung 12 ist zweckmäßigerweise im oder am Gehäuse 6 angeordnet.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch ferner eine Drucksensoreinrichtung 14. Die Reglervorrichtung 2 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, mittels der Drucksensoreinrichtung 14 einen Ist-Druck des von der Reglervorrichtung 2 bereitgestellten Druckfluids zu erfassen und als Druck-Istwert DIW bereitzustellen. Die Drucksensoreinrichtung 14 ist zweckmäßigerweise im oder am Gehäuse 6 angeordnet.
Die übergeordnete Steuerung 1 ist exemplarisch eine speicherprogrammierbare Steuerung, SPS. Die übergeordnete Steuerung 1 ist insbesondere ausgebildet, den Positions-Sollwert PSW für die Reglervorrichtung 2 bereitzustellen. Exemplarisch stellt die übergeordnete Steuerung 1 den Positions-Sollwert als analogen Stromwert bereit, insbesondere als analogen Stromwert im Bereich von 4-20mA. Zweckmäßigerweise ist die übergeordnete Steuerung 1 ferner ausgebildet, über den Strom, mit dem der Positions-Sollwert PSW an die Reglervorrichtung 2 übertragen wird, die Energieversorgung für die Reglervorrichtung 2 bereitzustellen.
Der fluidische Aktor 3 umfasst exemplarisch eine Ventileinrichtung. Die Ventileinrichtung ist insbesondere als Prozessventilbaueinheit ausgeführt. Vorzugsweise umfasst der fluidische Aktor 3, insbesondere die Ventileinrichtung, eine fluidische Antriebseinheit 16 und/oder eine Ventilarmatur 17, insbesondere ein Prozessventil.
Der fluidische Aktor 3, exemplarisch die fluidische Antriebseinheit 16, umfasst exemplarisch eine Druckkammer 18, die mit dem von der Reglervorrichtung 2 bereitgestellten fluidischen Stellsignal FSS beaufschlagt wird. Der fluidische Aktor 3, exemplarisch die fluidische Antriebseinheit 16, umfasst zweckmäßigerweise ferner ein Stellglied 19, das durch Beaufschlagung der Druckkammer 18 mit dem fluidischen Stellsignal FSS in seiner Stellung verändert werden kann.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung stellt das Stellglied 19 das Aktorglied 15 dar. Das Stellglied 19 ist beispielsweise ein Kolben.
Der fluidische Aktor 3, exemplarisch die Ventilarmatur 17, umfasst zweckmäßigerweise ein Ventilglied 21. Das Ventilglied 21 stellt zweckmäßigerweise das Aktorglied 15 dar. Exemplarisch befindet sich das Ventilglied 21 in einem Fluidleitungsabschnitt 22, durch den das Fluid 5 fließt. Das Ventilglied 21 ist zweckmäßigerweise an das Stellglied 19 gekoppelt und wird zweckmäßigerweise bei Betätigung des Stellglieds 19 mit dem Stellglied 19 mitbewegt. Das Ventilglied 21 kann durch Beaufschlagung der Druckkammer 18 mit dem fluidischen Stellsignal FSS in seiner Stellung verändert werden, insbesondere über die Kopplung mit dem Stellglied 19.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung wird eine Anordnung aus der Reglervorrichtung 2 und dem fluidischen Aktor 3 bereitgestellt. Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung 2 an, insbesondere auf, dem fluidischen Aktor 3 angeordnet und insbesondere mittels der mechanischen Schnittstelle 9 an dem fluidischen Aktor 3 befestigt.
Im Folgenden soll näher auf die 2 eingegangen werden. Die 2 zeigt ein Blockdiagramm des Systems 10. Die 2 dient insbesondere zur Erläuterung der Reglerstruktur der Reglervorrichtung 2.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst zweckmäßigerweise ein Stellsystem 23 zur Bereitstellung des fluidischen Stellsignals FSS. Bei dem Stellsystem 23 handelt es sich insbesondere um den vorstehend erwähnten elektropneumatischen Wandler 11. Das Stellsystem 23 ist ausgebildet, das Stellsignal FSS (entweder) auf Basis eines Positionsreglersignals PRS oder auf Basis eines Druckreglersignals DRS bereitzustellen.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch ein Kopplungsglied 28, über das dem Stellsystem 23 das Positionsreglersignal PRS oder das Druckreglersignal DRS zugeführt wird. Bei dem Kopplungsglied 28 handelt es sich exemplarisch um ein Summationsglied.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch eine Positionsreglereinheit 24 zur Bereitstellung des Positionsreglersignals PRS, insbesondere auf Basis einer Abweichung, vorzugsweise einer Differenz, zwischen dem Positions-Sollwert PSW und dem Positions-Istwert PIW.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch ein Positions-Vergleichsglied 26 zur Bereitstellung der Abweichung, insbesondere der Differenz, zwischen dem Positions-Sollwert PSW und dem Positions-Istwert PIW. Das Positions-Vergleichsglied 26 ist vorzugsweise als Differenzglied ausgebildet.
Der Positions-Istwert PIW stellt eine Rückführungsgröße dar. Der Positions-Istwert PIW zeigt zweckmäßigerweise eine insbesondere mittels der Positionssensoreinrichtung 12 erfasste Position des Aktorglieds 15 an.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch eine Druckreglereinheit 25 zur Bereitstellung des Druckreglersignals DRS, insbesondere auf Basis einer Abweichung, vorzugsweise einer Differenz, zwischen dem Druck-Sollwert DSW und dem Druck-Istwert DIW.
Die Reglervorrichtung 2 umfasst exemplarisch ein Druck-Vergleichsglied 27 zur Bereitstellung der Abweichung, insbesondere der Differenz, zwischen dem Druck-Sollwert DSW und dem Druck-Istwert DIW. Das Druck-Vergleichsglied 27 ist vorzugsweise als Differenzglied ausgebildet.
Der Druck-Istwert DIW stellt eine Rückführungsgröße dar. Der Druck-Istwert DIW zeigt zweckmäßigerweise einen insbesondere mittels der Drucksensoreinrichtung 14 erfassten Druck des von der Reglervorrichtung 2 zur Bereitstellung des fluidischen Stellsignals FSS ausgegebenen Druckfluids an. Vorzugsweise zeigt der Druck-Istwert DIW den Druck in der Druckkammer 18 an.
Exemplarisch werden durch die Reglervorrichtung 2 zwei parallele Reglerkreise bereitgestellt - ein Positionsreglerkreis und ein Druckreglerkreis. Der Positionsreglerkreis umfasst exemplarisch das Positionsvergleichsglied 26, die Positionsreglereinheit 24, das Kopplungsglied 28 und das Stellsystem 23. Der Druckreglerkreis umfasst exemplarisch das Druckvergleichsglied 27, die Druckreglereinheit 25, das Kopplungsglied 28 und das Stellsystem 23. Wie nachstehend noch näher erläutert, ist die Reglervorrichtung 2 zweckmäßigerweise ausgebildet, stets nur einen der beiden Reglerkreise zu verwenden, so dass zweckmäßigerweise stets nur einer der beiden Reglerkreise aktiv ist. Die beiden Reglerkreise teilen sich zweckmäßigerweise das Kopplungsglied 28, das Stellsystem 23 und den fluidischen Aktor 3.
Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, sowohl im Rahmen der Positionsregelung als auch im Rahmen der Druckregelung das Druckfluid (mittels des elektropneumatischen Wandlers 11) auszugeben, um das fluidische Stellsignal FSS bereitzustellen.
Vorzugsweise weist die Reglervorrichtung 2 keine kaskadierte Reglerstruktur auf. Insbesondere ist der im Positionsreglermodus durchgeführten Positionsregelung keine Druckregelung unterlagert.
Vorzugsweise ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, das Positions-Vergleichsglied 26, die Positionsreglereinheit 24, das Kopplungsglied 28, das Druck-Vergleichsglied 27 und/oder die Druckreglereinheit 25 mittels der Rechnereinheit 7 bereitzustellen. Zweckmäßigerweise stellt die Rechnereinheit 7 diese Einheiten/Glieder mittels eines Reglerprogramms bereit.
Im Folgenden soll näher auf die von der Reglervorrichtung 2 durchgeführte Regelung eingegangen werden.
Die Reglervorrichtung 2 ist ausgebildet, einen Positionsreglermodus zur Positionsregelung des Aktorglieds 15 bereitzustellen. Die Reglervorrichtung 2 ist ferner ausgebildet, einen Druckreglermodus zur Druckregelung des bereitgestellten Druckfluids bereitzustellen. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung stellt die Reglervorrichtung 2 stets nur einen der beiden Modi - also entweder den Positionsreglermodus oder den Druckreglermodus bereit. Welchen der beiden Modi die Reglervorrichtung 2 zu einem gegebenen Zeitpunkt bereitstellt, hängt zweckmäßigerweise davon ab, ob sich das Aktorglied 15 innerhalb oder außerhalb eines Positions-Zielbereichs befindet, wie nachstehend noch näher erläutert wird. Alternativ ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied innerhalb des Positions-Zielbereichs befindet, den Druckreglermodus zum Positionsreglermodus hinzuzuschalten.
Zunächst soll auf den Positionsreglermodus eingegangen werden:

Exemplarisch ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, im Positionsreglermodus den vorstehend erläuterten Positionsreglerkreis einzusetzen. Insbesondere ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, im Positionsreglermodus das fluidische Stellsignal FSS auf Basis des Positionsreglersignals PRS bereitzustellen.

Im Positionsreglermodus ist zweckmäßigerweise die Positionsreglereinheit 24 aktiv. Ferner ist im Positionsreglermodus zweckmäßigerweise eine regelmäßige, insbesondere zyklische Erfassung des Positions-Istwerts PIW mittels der Positionssensoreinrichtung 12 aktiv.
Im Positionsreglermodus bildet das Positions-Vergleichsglied 26 die Abweichung, insbesondere Differenz, zwischen dem Positions-Sollwert PSW und dem mittels der Positionssensoreinrichtung 12 erfassten Positions-Istwert PIW. Auf Basis der Abweichung stellt die Positionsreglereinheit 24 das Positionsreglersignal PRS bereit. Zweckmäßigerweise aktualisiert die Positionsreglereinheit das Positionsreglersignal PRS regelmäßig, insbesondere zyklisch. Das Positionsreglersignal PRS wird über das Kopplungsglied 28 dem Stellsystem 23 zugeführt. Das Stellsystem 23 stellt auf Basis des Positionsreglersignals PRS das fluidische Stellsignal FSS bereit, das dem fluidischen Aktor 3 zugeführt wird und zu einer Stellungänderung des fluidischen Aktorglieds 15 hin zu einer dem Soll-Positionswert entsprechenden Stellung führt.
Die aktuelle Stellung des fluidischen Aktorglieds 15 wird mit der Positionssensoreinrichtung 12 als Positions-Istwert PIW erfasst und als Rückführungsgröße zurück zum Positions-Abweichungsglied 26 geführt.
Während der Positionsreglermodus aktiv ist, ist der Druckreglermodus zweckmäßigerweise inaktiv. Vorzugsweise führt die Reglervorrichtung 2, insbesondere die Rechnereinheit 7, im Positionsreglermodus keine Druckregelung des Druckfluids durch. Zweckmäßigerweise führt die Reglervorrichtung 2, insbesondere die Drucksensoreinrichtung 14, im Positionsreglermodus keine Erfassung des Druck-Istwerts PIW durch. Insbesondere liest die Rechnereinheit 7 im Positionsreglermodus nicht die Drucksensoreinrichtung 14 aus. Vorzugsweise ist im Positionsreglermodus die Druckreglereinheit 25 und/oder die Drucksensoreinrichtung 14 inaktiv. Vorzugsweise gibt die Druckreglereinheit 25 im Positionsreglermodus kein Druckreglersignal DRS aus.
Nun zum Druckreglermodus:

Die Reglervorrichtung 2 ist ausgebildet, im Druckreglermodus eine Druckregelung des Druckfluids auf Basis eines Druck-Sollwerts DSW durchzuführen.

Exemplarisch ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, im Druckreglermodus den vorstehend erläuterten Druckreglerkreis zu verwenden. Insbesondere ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, im Druckreglermodus das fluidische Stellsignal FSS auf Basis des Druckreglersignals DRS bereitzustellen.
Im Druckreglermodus ist zweckmäßigerweise die Druckreglereinheit 25 aktiv. Ferner ist im Druckreglermodus zweckmäßigerweise eine regelmäßige, insbesondere zyklische Erfassung des Druck-Istwerts PIW mittels der Drucksensoreinrichtung 14 aktiv.
Im Druckreglermodus bildet das Druck-Vergleichsglied 27 die Abweichung, insbesondere Differenz, zwischen dem Druck-Sollwert DSW und dem mittels der Drucksensoreinrichtung 14 erfassten Druck-Istwert DIW. Auf Basis der Abweichung stellt die Druckreglereinheit 25 das Druckreglersignal DRS bereit. Zweckmäßigerweise aktualisiert die Druckreglereinheit 25 das Druckreglersignal DRS regelmäßig, insbesondere zyklisch. Das Druckreglersignal DRS wird über das Kopplungsglied 28 dem Stellsystem 23 zugeführt. Das Stellsystem 23 stellt auf Basis des Druckreglersignals DRS das fluidische Stellsignal FSS bereit, das dem fluidischen Aktor 3 zugeführt wird und zu einer Druckänderung des Druckfluids hin zu einer dem Soll-Druckwert entsprechenden Druck führt. Der aktuelle Druck des Druckfluids wird mit der Drucksensoreinrichtung 14 als Druck-Istwert DIW erfasst und als Rückführungsgröße zurück zum Druck-Abweichungsglied 27 geführt.
Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied 15 in dem Positions-Zielbereich befindet, einen Druck des Druckfluids zu erfassen und den erfassten Druck als den Druck-Sollwert DSW für die Druckregelung zu verwenden. Der Druck-Sollwert DSW entspricht also insbesondere demjenigen Druckfluid-Druck, der vorliegt, wenn das Aktorglied 15 den Positions-Zielbereich erreicht (oder wenn der Positionsreglermodus deaktiviert wird).
Während der Druckreglermodus aktiv ist, ist der Positionsreglermodus zweckmäßigerweise inaktiv. Vorzugsweise führt die Reglervorrichtung 2, insbesondere die Rechnereinheit 7, im Druckreglermodus keine Positionsregelung des Aktorglieds 15 durch. Vorzugsweise ist im Druckreglermodus die Positionsreglereinheit 24 inaktiv. Vorzugsweise gibt die Positionsreglereinheit 24 im Positionsreglermodus kein Positionsreglersignal PRS aus.
Zweckmäßigerweise führt die Reglervorrichtung 2, insbesondere die Positionssensoreinrichtung 12, im Druckreglermodus weiterhin eine Erfassung des Positions-Istwerts PIW durch, insbesondere, um erfassen zu können, dass das Aktorglied 15 den Positions-Zielbereich verlassen hat und um in diesem Fall den Positionsreglermodus zu aktivieren.
Die Reglervorrichtung 2 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, die Druckregelung mit einer geringeren zeitlichen Auflösung durchzuführen als die Positionsregelung. Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, im Positionsreglermodus das Positionsreglersignal PRS mit einer geringeren Zykluszeit - also mit einer höheren Frequenz - zu aktualisieren als im Druckreglermodus das Druckreglersignal DRS aktualisiert wird. Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung 2 ferner ausgebildet, im Positionsreglermodus den Positions-Istwert PIW mit einer geringeren Zykluszeit - also mit einer höheren Frequenz - bereitzustellen als im Druckreglermodus der Druck-Istwert DIW bereitgestellt wird. Die Positionsregelung wird also zweckmäßigerweise „schneller“ ausgeführt als die Druckregelung.
Wie vorstehend bereits erwähnt, ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, abhängig davon, ob das Aktorglied 15 in einem Positions-Zielbereich liegt oder nicht, zu bestimmen, welcher Modus - der Positionsreglermodus oder der Druckreglermodus - bereitgestellt werden soll.
Zweckmäßigerweise ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, in Reaktion darauf, dass sich das Aktorglied 3 in dem Positions-Zielbereich befindet, von dem Positionsreglermodus zu dem Druckreglermodus umzuschalten. Vorzugsweise ist die Reglervorrichtung 2 ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied 15 in dem Positions-Zielbereich befindet, den Druckreglermodus zu aktivieren. Ferner ist die Reglervorrichtung 2 vorzugsweise ausgebildet, in Reaktion darauf, dass sich das Aktorglied 3 in dem Positions-Zielbereich befindet, den Positionsreglermodus zu deaktivieren.
Die Reglervorrichtung 2 ist vorzugsweise ausgebildet, in Reaktion darauf, dass sich das Aktorglied 3 außerhalb des Positions-Zielbereichs befindet, von dem Positionsreglermodus zu dem Druckreglermodus umzuschalten. Die Reglervorrichtung 2 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied 3 außerhalb des Positions-Zielbereichs befindet, den Druckreglermodus zu deaktivieren. Die Reglervorrichtung 2 ist vorzugsweise ausgebildet, in Reaktion darauf, dass sich das Aktorglied 3 außerhalb des Positions-Zielbereichs befindet, den Positionsreglermodus zu aktivieren.
Die Reglervorrichtung 2 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, den Positions-Istwert PIW mit dem Positions-Sollwert und/oder dem Positions-Zielbereich zu vergleichen, um zu bestimmen, ob sich das Aktorglied 3 in dem Positions-Zielbereich oder außerhalb des Positions-Zielbereichs befindet.
Bei dem Positions-Zielbereich handelt es sich beispielsweise um die Summe aus dem Positions-Sollwert und einem Toleranzbereich, insbesondere einem Toleranzfenster. Der Positions-Zielbereich ist also ein Wertebereich, der den Positions-Sollwert und einen den Positions-Sollwert umgebenden Toleranzbereich umfasst.
Die 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Regelung des fluidischen Aktors 3.
Das Verfahren beginnt mit dem Schritt S1, bei dem die Reglervorrichtung 2 bestimmt, dass sich das Aktorglied 15 nicht in dem Positions-Zielbereich befindet (beispielsweise durch Vergleich des Positions-Istwerts PIW mit dem Positions-Zielbereich). Exemplarisch bestimmt die Reglervorrichtung 2, dass der Positions-Istwert PIW außerhalb eines Toleranzbereichs liegt, der den Positions-Sollwert PSW umgibt.
In Reaktion auf diese Bestimmung führt die Reglervorrichtung 2 den Schritt S2 durch, bei dem die Reglervorrichtung 2 den Positionsreglermodus aktiviert und eine Positionsregelung des Aktorglieds 15 durchführt. Der Druckreglermodus ist im Schritt S2 inaktiv. Im Positionsreglermodus wird das Aktorglied 15 durch Bereitstellung des Druckfluids hin zum Positions-Zielbereich bewegt.
Das Verfahren fährt mit dem Schritt S3 fort, bei dem die Reglervorrichtung 2 bestimmt, das sich das Aktorglied 15 in dem Positions-Zielbereich befindet. Exemplarisch bestimmt die Reglervorrichtung 2, dass der Positions-Istwert PIW innerhalb eines Toleranzbereichs befindet, der den Positions-Sollwert PSW umgibt.
In Reaktion auf diese Bestimmung führt die Reglervorrichtung 2 den Schritt S4 durch, bei dem die Reglervorrichtung 2 den Druckreglermodus aktiviert und eine Druckregelgung des bereitgestellten Druckfluids durchführt. Ferner deaktiviert die Reglervorrichtung 2 in Reaktion auf die im Schritt S3 erfolgte Bestimmung den Positionsreglermodus. Die Deaktivierung des Positionsreglermodus erfolgt insbesondere dadurch, dass (bei fortgesetzter Berechnung des Positionsreglersignals PRS) das berechnete Positionsreglersignal PRS nicht weitergegeben wird oder auf null gesetzt wird, zweckmäßigerweise solange sich das Aktorglied 15 innerhalb des Positions-Zielbereichs befindet.
Zweckmäßigerweise überwacht die Reglervorrichtung 2 auch im Druckreglermodus weiterhin, ob sich das Aktorglied 15 im Positions-Zielbereich befindet.
Tritt nun eine große oder schnelle Störung auf, durch die das Aktorglied 15 außerhalb des Positions-Zielbereichs bewegt wird, dann kehrt die Reglervorrichtung 2 zweckmäßigerweise zum Schritt S1 zurück. Die Reglervorrichtung 2 deaktiviert in diesem Fall den Druckreglermodus und aktiviert den Positionsreglermodus.
Tritt eine kleine oder langsame Störung auf, durch die das Aktorglied 15 nicht außerhalb des Positions-Zielbereichs bewegt wird, kehrt die Reglervorrichtung 2 zum Schritt S3 zurück. Die Reglervorrichtung 2 bleibt in diesem Fall im Druckreglermodus und lässt den Positionsreglermodus inaktiv. Der inaktive Positionsreglermodus wird beispielsweise dadurch erzielt, dass die Positionsreglereinheit 24 komplett abgeschaltet ist und/oder dass das Positionsreglersignal PRS nicht mehr berechnet wird. Ferner kann der inaktive Positionsreglermodus dadurch erzielt werden, dass das berechnete Positionsreglersignal PRS nicht weitergegeben wird und/oder auf null gesetzt wird.

Claims

Reglervorrichtung (2) zur Bereitstellung eines Positionsreglermodus zur Positionsregelung eines Aktorglieds (15) eines mit einem Druckfluid ansteuerbaren fluidischen Aktors (3), wobei die die Reglervorrichtung (2) ausgebildet ist, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied (15) in einen durch einen Positions-Sollwert (PSW) der Positionsregelung vorgegebenen Positions-Zielbereich befindet, einen Druckreglermodus zu aktivieren und im Druckreglermodus eine Druckregelung des Druckfluids auf Basis eines Druck-Sollwerts (DSW) durchzuführen.
Reglervorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei die Reglervorrichtung (2) ausgebildet ist, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied (15) außerhalb des Positions-Zielbereichs befindet, den Druckreglermodus zu deaktivieren.
Reglervorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Reglervorrichtung (2) ausgebildet ist, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied (15) innerhalb des Positions-Zielbereichs befindet, den Positionsreglermodus zu deaktivieren.
Reglervorrichtung (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Reglervorrichtung (2) ausgebildet ist, in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied (15) in dem Positions-Zielbereich befindet, einen Druck des Druckfluids zu erfassen und den erfassten Druck als den Druck-Sollwert (DSW) für die Druckregelung zu verwenden.
Reglervorrichtung (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend eine analoge Stromschnittstelle, insbesondere eine 4-20 mA analoge Stromschnittstelle, zum Empfang des Positions-Sollwerts (PSW) und zum Empfang der für den Betrieb der Reglervorrichtung (2) verwendeten Energie.
Reglervorrichtung (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Reglervorrichtung (2) ausgebildet ist, die Druckregelung mit einer geringeren zeitlichen Auflösung durchzuführen als die Positionsregelung.
Reglervorrichtung (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Reglervorrichtung (2) als Positioner ausgebildet ist und zweckmäßigerweise eine mechanische Schnittstelle (6) zur Anbringung der Reglervorrichtung (2) an den fluidischen Aktor (3) umfasst.
System (10), umfassend eine Reglervorrichtung (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche und den fluidischen Aktor (3) .
System (10) nach Anspruch 8, wobei der fluidische Aktor (3) eine Ventileinrichtung umfasst.
Verfahren zur Regelung eines mit einem Druckfluid ansteuerbaren fluidischen Aktors (3) mit einem Aktorglied (15), umfassend die Schritte: - Durchführen einer Positionsregelung des Aktorglieds (15) unter Bereitstellung des Druckfluids, und - in Ansprechen darauf, dass sich das Aktorglied (15) in einem durch einen Positions-Sollwert (PSW) der Positionsregelung vorgegebenen Positions-Zielbereich befindet, Durchführen einer Druckregelung des Druckfluids, mit dem der fluidische Aktor (3) angesteuert wird, auf Basis eines Druck-Sollwerts (PSW).