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Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für ein Ventil, in dem eine vorgebbare Ventilstellung anzufahren ist. Die Erfindung betrifft auch ein Ventilsystem, das zur Durchführung eines solchen Betriebsverfahrens ausgebildet ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum Simulieren eines erfindungsgemäßen Ventilsystems.
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Die Patentschrift
US 5,587,536 offenbart ein Ventilsystem, das einen pneumatisch betätigten Kolben aufweist und einen Drucksensor. Der Drucksensor ist zum Erfassen einer Druckdifferenz zwischen unterschiedlichen Seiten des Kolbens ausgebildet. Aus dem Verlauf der Druckdifferenz ist feststellbar, ob der Kolben bei einer Betätigung in Bewegung versetzt ist, oder ob der Kolben nach einer Betätigung seine Endposition erreicht hat.
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Aus der Druckschrift
US 4,976,144 ist ein Ventil bekannt, das mit einem Positionssensor versehen ist. Durch den Positionssensor ist eine Position eines Ankers eines Ventils bekannt, der durch einen Druck in einer Druckkammer mit einer Membran bewegt wird.
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Die Patentschrift
DE 10 2008 053 884 B4 zeigt ein elektropneumatisches System zum Steuern eines doppelt wirkenden pneumatischen Stellantriebs, der eine erste und zweite pneumatische Arbeitskammer aufweist. Das elektropneumatische System umfasst auch eine Reglerelektronik, die zum Ausgeben eines Steuersignals ausgebildet ist.
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Aus der Patentanmeldung
DE 39 35 812 A1 ist eine Ventilanordnung bekannt, die ein Vorsteuerventil und ein Hauptventil aufweist. Das Hauptventil ist über zwei pneumatische Kammern betätigbar, die durch eine bewegliche Membran voneinander getrennt sind. Durch das Vorsteuerventil ist ein Differenzdruck vorgebbar, über den das Hauptventil betätigbar ist.
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Die Patentanmeldung
EP 0 637 713 A1 offenbart ein Diagnosesystem für Regel- und Absperrventile, das einen pneumatischen Membranantrieb aufweist. Der Membranantrieb ist mit einer Stange versehen, die einer Betätigung des Membranantriebsfolgt. Daran ist ein Hebel befestigt, der auf einen Stellungsregler einwirkt, der als Potentiometer ausgebildet ist.
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Ventile werden in einer Vielzahl an Anwendungen eingesetzt, in denen ein Durchfluss eines Mediums zu steuern ist. Zur präzisen Einstellung eines Durchflusses werden steigende Anforderungen an die Betätigungsgenauigkeit derartiger Ventile gestellt. Gleichzeitig werden kompakte und kosteneffiziente Ventile gefordert, die beispielsweise bei einer Nachrüstung einer bestehenden Anlage einfach einbaubar sind. Darüber hinaus wird eine steigende Zuverlässigkeit angestrebt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung bereitzustellen, die in zumindest einem der skizzierten Aspekte eine Verbesserung bietet.
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Die Aufgabenstellung wird durch ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren für ein Ventilsystem gelöst, das ein Ventil umfasst, das durch eine pneumatische Betätigungsvorrichtung betätigbar ist. Dazu umfasst das Ventil einen Anker, der über die pneumatische Betätigungsvorrichtung beweglich ist. Dazu kann die pneumatische Betätigungsvorrichtung lösbar mit dem Anker verbunden sein. Der Anker ist zwischen zwei Endstellungen beweglich, wobei eine erste Endstellung einer Öffnen-Stellung und eine zweite Endstellung einer Geschlossen-Stellung entspricht. Das Betriebsverfahren umfasst einen ersten Schritt, in dem das Ventil in einem aktiven Betriebszustand bereitgestellt wird. Dabei ist das Ventil an eine Fluidleitung mit einem durchfließenden Medium angeschlossen. Ebenso die pneumatische Betätigungsvorrichtung im aktiven Betriebszustand mit dem Anker des Ventils gekoppelt. Des Weiteren wird im ersten Schritt eine anzufahrende Ventilstellung vorgegeben. Dies kann beispielsweise durch einen Benutzer, einen Algorithmus oder eine übergeordnete Steuereinheit erfolgen. Es folgt ein zweiter Schritt, in dem ein Soll-Differenzdruck ermittelt wird, der mit der anzufahrenden Ventilstellung korrespondiert. Zwischen den Endstellungen besteht ein im Wesentlichen monotoner Zusammenhang zwischen der anzufahrenden Ventilstellung und dem korrespondierenden Soll-Differenzdruck. Der ermittelte Soll-Differenzdruck ist in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung einzustellen und die vorgegebene Ventilstellung zu erreichen.
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Es folgt ein dritter Schritt, in dem der vorliegende Differenzdruck in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung verändert wird, um den Soll-Differenzdruck zu erreichen. Des Weiteren wird der vorliegende Differenzdruck im dritten Schritt erfasst, um ein Erreichen der anzufahrenden Ventilstellung zu erkennen. Das Betriebsverfahren umfasst auch einen vierten Schritt, in dem ein Stabilisieren des vorliegenden Differenzdrucks erfolgt. Dazu kann beispielsweise ein Regelbetrieb der pneumatischen Betätigungsvorrichtung eingestellt werden und ein vorliegender Differenzdruck im Wesentlichen statisch gehalten werden. Das Stabilisieren des vorliegenden Differenzdrucks erfolgt hierbei, wenn eine Abweichung zwischen dem vorliegenden Differenzdruck und dem Soll-Differenzdruck einen einstellbaren Schwellenwert betragsmäßig unterschreitet. Der im vierten Schritt stabilisierte Differenzdruck korrespondiert mit der anzufahrenden Ventilstellung.
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Die anzufahrende Ventilstellung wird im erfindungsgemäßen Betriebsverfahren im Wesentlichen durch eine Feedback-Schleife erreicht, in der der vorliegende Differenzdruck mit einem Soll-Differenzdruck abgeglichen wird. Hierdurch wird im Sinne der Steuerungs- und Regelungstheorie ein besonders einfacher Kreis definiert, der auch über einfache Regler mit erhöhter Präzision ablaufen kann. Ein derartiger Kreis ist auch robust gegen Störeinflüsse und erfordert eine reduzierte Rechenleistung. Dementsprechend bietet das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ein gesteigertes Maß an Betätigungsgenauigkeit und ist mit einfacher Hardware umsetzbar. Die Hinzuziehung weiterer Eingangsgrößen zum Anfahren der vorgegebenen Ventilstellung ist entbehrlich. Dies erlaubt es, auf zusätzliche Sensorik zu verzichten, für deren Einbau auch kein Bauraum bereitzustellen ist. Infolgedessen erlaubt das erfindungsgemäße Betriebsverfahren es, ein Ventilsystem, auf das es angewandt wird, besonders kosteneffizient und kompakt auszubilden. Hierdurch wiederum ist ein Ventilsystem, das über das erfindungsgemäße Betriebsverfahren betrieben wird, beispielsweise in einer Automatisierungsanlage auch an Stellen mit reduziertem Bauraum einzubauen.
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In einer Ausführungsform des beanspruchten Betriebsverfahrens erfolgen zumindest der zweite, dritte und vierte Schritt frei von einem mechanischen, elektromechanischen, magnetischen, kapazitativen oder optischen Erfassen der vorliegenden Ventilstellung. Dies umfasst jegliches direkte Erfassen der vorliegenden Ventilstellung aus einer Lage oder Bewegung des Ankers selbst, beispielsweise mittels eines Wegaufnehmers. Die Einstellung der vorgegebenen Ventilstellung kann insbesondere ausschließlich basierend auf erfassten Drücken beruhen, beispielsweise einem ersten und/oder zweiten Kammerdruck in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung, in Kombination mit dem im zweiten Schritt ermittelten Soll-Differenzdruck. Die Erfindung beruht unter anderem auf der überraschenden Erkenntnis, dass ein Differenzdruck in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung, der beispielsweise aus dem ersten und zweiten Kammerdruck ermittelbar ist, eine hinreichend präzise Größe für ein genaues Anfahren einer vorgegebenen Ventilstellung darstellt. Insbesondere sind Aufbauten für mechanische Wegaufnehmer am Anker entbehrlich, die, bezogen auf die Fluidleitung, in Radialrichtung erheblich Abmessungen aufweisen. Das beanspruchte Betriebsverfahren erlaubt die Verwendung von Ventilsystemen, die eine reduzierte Anzahl an Komponenten aufweisen, was wiederum ein erhöhtes Maß an Robustheit bietet. Darüber hinaus erfordert eine Verbindung zwischen dem Anker und der pneumatischen Betätigungsvorrichtung gegenüber bekannten Lösungen ein reduziertes Maß an Montagegenauigkeit.
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Dies wiederum erlaubt es, die pneumatische Betätigungsvorrichtung und den Anker in einfacher Weise zu bauen. Insbesondere wird so der Grad an konstruktiver Freiheit für das Ventilsystem gesteigert.
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Des Weiteren kann im beanspruchten Betriebsverfahren die anzufahrende Ventilstellung zwischen den zwei Endstellungen des Ankers liegen, die im Wesentlichen einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung entsprechen. Eine zwischen den Endstellungen liegende anzufahrende Ventilsteuerungen erlaubt es, einen Durchfluss des Mediums in der Fluidleitung kontinuierlich zu regulieren. Mittels des beanspruchten Betriebsverfahrens ist beispielsweise bei einer Verwendung eines entsprechenden Ventilsystems in einer Automatisierungsanlage ein präziser geregelter Betrieb möglich, in dem das Medium zu dosieren ist. Das beanspruchte Betriebsverfahren erlaubt es, in überraschend genauer Weise nicht nur Endstellungen des Ankers, also des Ventilsystems, anzufahren, sondern auch jegliche Zwischenstellung. Hierdurch wird das mögliche Einsatzspektrum eines korrespondierenden Ventilsystems erweitert.
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Der Differenzdruck kann basierend auf dem ersten und/oder zweiten Kammerdruck gebildet werden, die in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung vorliegen. Der erste und/oder zweite Kammerdruck stellen jeweils die Drücke in zwei von einer Membran getrennten Bereichen der pneumatischen Betätigungsvorrichtung dar, durch die eine Bewegung des Ankers hervorrufbar ist. Durch eine pneumatische Betätigungsvorrichtung, die nur anhand ersten oder zweiten Kammerdrucks betätigbar ist, wird eine sogenannte einfachwirkende pneumatische Betätigungsvorrichtung verwirklicht. Der vorliegende Differenzdruck ergibt sich hierbei aus der Differenz zwischen dem ersten bzw. zweiten Kammerdruck und beispielsweise einer Federkraft. Bei Nutzung des ersten und zweiten Kammerdrucks handelt es sich um eine sogenannte zweifachwirkende pneumatische Betätigungsvorrichtung. Der Differenzdruck ergibt sich darin aus der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Kammerdruck. In einer weiteren Ausführungsform des beanspruchten Betriebsverfahrens wird der erste und/oder zweite Kammerdruck an einer ersten bzw. zweiten Druckleitung des Ventils erfasst. Der erste Kammerdruck wird über die erste Druckleitung bereitgestellt, der zweite Kammerdruck über die zweite Druckleitung. Ein geeigneter Drucksensor kann folglich an im Wesentlichen jeglicher Stelle der ersten bzw. zweiten Druckleitung angebracht sein. Insbesondere können der ersten und/oder zweite Kammerdruck räumlich getrennt vom Ventil erfasst werden. Durch eine derartige räumliche Trennung ein Ventilsystem, das zum Ausführen des beanspruchten Betriebsverfahrens ausgebildet ist, auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Komponenten, wie Drucksensoren oder auch eine Steuereinheit, die elektrische Entladungen hervorrufen können, sind separat von der pneumatischen Betätigungsvorrichtung positionierbar. Das Erfassen des ersten und zweiten Kammerdrucks an der ersten bzw. zweiten Druckleitung dient folglich einer Steigerung des Explosionsschutzes. Am Ventilsystem ist dadurch Bauraum für zumindest einen Drucksensor entbehrlich, was eine weitere Miniaturisierung des Ventilsystems ermöglicht. Darüber hinaus kann gegenüber bekannten Lösungen der Anschlussaufwand, insbesondere der Umfang einer sogenannten Druckverrohrung am Ventilsystem verringert werden. Ferner ist ein Drucksensor zum Erfassen des ersten bzw. zweiten Kammerdrucks an einer einfach zugänglichen Position anbringbar, was eine beschleunigte Wartung des Ventilsystems erlaubt.
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Ferner können der erste und/oder zweite Kammerdruck mittels eines Drucksensors ermittelt werden, der eine Messgenauigkeit von bis zu +/- 1,0 %, insbesondere von bis zu +/- 0,5 %, bevorzugt von bis zu +/- 0,1 %, besonders bevorzugt von bis zu 0,01 % aufweist. Der Differenzdruck ist dadurch mit einer Messgenauigkeit von bis zu +/- 10 mbar, insbesondere von bis zu +/- 5 mbar, bevorzugt von bis zu +/- 1 mbar, besonders bevorzugt von bis zu 0,1 mbar erfassbar. Drucksensoren mit einer derartigen Messgenauigkeit sind einfach und kosteneffizient verfügbar. Die Erfindung beruht unter anderem auf der überraschenden Erkenntnis, dass bereits mit Drucksensoren mit einer derartigen Messgenauigkeit ein präzises Anfahren einer vorgegebenen Ventilstellung umsetzbar ist. Beispielsweise ist bereits mit einem Drucksensor, der für den Differenzdruck nur +/- 10 mbar Messgenauigkeit bietet, überraschenderweise bereits eine hinreichende Genauigkeit im beanspruchten Betriebsverfahren erzielbar. Bei einer Messgenauigkeit von bis zu +/- 0,1 mbar stellt sich ein Sättigungseffekt ein, bei dem der Zugewinn an Betätigungsgenauigkeit durch Verbesserung der Messgenauigkeit stagniert. Darüber hinaus kann der Drucksensor für den ersten und/oder zweiten Kammerdruck als selbstkalibrierender Drucksensor ausgebildet sein. Folglich ist der Drucksensor im Betrieb des Ventilsystems selbsttätig nachkalibrierbar. Hierdurch ist eine sogenannte Sensordrift im Betrieb ausgleichbar. Das beanspruchte Betriebsverfahren ist infolgedessen ausgehend von einfachen Drucksensoren dauerhaft mit einer gesteigerten Präzision durchführbar.
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In einer weiteren Ausführungsform des beanspruchten Betriebsverfahrens beträgt der Schwellenwert, bei dessen betragsmäßigem Unterschreiten der vierte Schritt durchgeführt wird, 0,1 % bis 3,0 % einer Hublänge des Ankers des Ventils entspricht. Unter der Hublänge ist hierbei der Abstand zwischen den Endstellungen des Ankers zu verstehen. Durch den Schwellenwert ist folglich eine erzielbare Betätigungsgenauigkeit im beanspruchten Betriebsverfahren vorgegeben. Aus der Betätigungsgenauigkeit wiederum ergibt sich, mit welcher Genauigkeit ein Durchfluss an Medium durch die Fluidleitung einstellbar ist. Das beanspruchte Betriebsverfahren beruht mit dem Erfassen des Differenzdrucks zum Einstellen einer anzufahrenden Ventilsteuerung auf einem indirekten Funktionsprinzip. Insbesondere in Verbindung mit den skizzierten Drucksensoren wird in vorteilhafter Weise wird eine gesteigerte Betätigungsgenauigkeit bei reduzierter Bauteilanzahl und reduziertem Platzbedarf erzielt.
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Darüber hinaus kann im zweiten Schritt der mit der anzufahrenden Ventilstellung korrespondierende Soll-Differenzdruck unter Berücksichtigung einer Hysterese ermittelt werden. Insbesondere kann hierbei eine Pfadabhängigkeit bei der Betätigung des Ankers, berücksichtigt werden, beispielsweise eine Betätigungsrichtung des Ankers. Eine derartige Hysterese kann in einer Steuereinheit eines Ventilsystems gespeichert sein. Ebenso kann die Hysterese im beanspruchten Betriebsverfahren durch eine selbsttätige Kalibrierung ermittelt werden. Durch die Berücksichtigung der Hysterese ist die erzielbare Betätigungsgenauigkeit weiter steigerbar.
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Ferner können im beanspruchten Betriebsverfahren zumindest der zweite und dritte Schritt wiederholt durchgeführt werden und ein vorgebbares Verfahrprofil des Ankers abzufahren. Das Verfahrprofil umfasst eine Mehrzahl an Ventilstellungen und kann durch einen Benutzer und/oder einen Algorithmus vorgegeben werden. Insbesondere kann das abzufahrende Verfahrprofil im ersten Schritt vorgegeben werden. Das beanspruchte Betriebsverfahren ist auch mit reduzierter Rechenleistung schnell durchführbar, so dass auch eine wiederholte Durchführung des zweiten und dritten Schritts nicht reduziertem Mehraufwand möglich ist. Dadurch, dass die pneumatische Betätigungsvorrichtung durch die Kompressibilität der verwendeten Druckluft eine gewisse Elastizität aufweist, ist das beanspruchten Betriebsverfahren dazu geeignet, verkettet eine Mehrzahl an Ventilstellungen anzufahren. Unstetige Übergänge beim Abfahren der Mehrzahl anzufahrender Ventilstellungen werden dadurch vermieden. Dies erlaubt eine gezielte Betätigung des Ventilsystems, beispielsweise ein kontinuierliches verzögertes Öffnen des Ventils. Dadurch weist das beanspruchte Betriebsverfahren ein breites mögliches Einsatzspektrum auf.
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In einer weiteren Ausführungsform des beanspruchten Betriebsverfahrens erfolgt zumindest einer der Schritte, also der erste, zweite, dritte oder vierte Schritt, unter Berücksichtigung einer Montageorientierung des Ventilsystems, von Trägheitskräften auf bewegliche Komponenten des Ventilsystems und/oder von im Ventilsystem vorliegenden Reibungskräften. Durch die Montageorientierung ergibt sich eine Kraftkomponente entlang einer Betätigungsrichtung des Ventils, die aus dem Eigengewicht des Ankers resultiert. Dementsprechend beeinflusst die Montageorientierung das Betätigungsverhalten des Ventilsystems im beanspruchten Betriebsverfahren. Die Montageorientierung kann durch einen Benutzer und/oder einen Algorithmus an der Steuereinheit des Ventilsystems vorgegeben werden. Ferner sind Trägheitskräfte, die sich beispielsweise aus der Masse und Geschwindigkeit der beweglichen Komponenten ergeben, in einfacher Weise berechenbar. Insbesondere ist so bei der Betätigung der pneumatischen Betätigungsvorrichtung ein sogenanntes Überschwingen vermeidbar. Die gilt gleichermaßen für die Reibungskräfte, die auf die beweglichen Komponenten einwirken und geschwindigkeitsabhängig sind. Alternativ oder ergänzend können die Montageorientierung, die Trägheitskräfte und/oder die Reibungskräfte durch eine entsprechende Kalibrierung des Ventilsystems berücksichtigt werden. Je genauer die Montageorientierung, die Trägheitskräfte der beweglichen Komponenten und/oder die Reibungskräfte des Ventilsystems, insbesondere des Ankers, bekannt sind, umso genauer ist dieser entlang der Betätigungsrichtung positionierbar.
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Des Weiteren kann das beanspruchte Betriebsverfahren ein Selbstkalibrieren umfassen, das vor dem ersten Schritt durchführbar ist. Das Selbstkalibrieren umfasst ein Anfahren der beiden Endstellungen des Ventilsystems, wobei eine Druck-Zeit-Kennlinie aufgenommen wird. Bei Erreichen einer Endstellung kann die pneumatische Betätigungsvorrichtung im Wesentlichen vollständig entlüftet bzw. belüftet werden. Insbesondere ist dadurch eine erste Ableitung der Druck-Zeit-Kennlinie ermittelbar, anhand der das Erreichen der Endstellungen erkennbar ist. Anhand der Druck-Zeit-Kennlinie ist der vorgegebenen Differenzdruck mit erhöhter Präzision anfahrbar. Ferner kann das Selbstkalibrieren selbsttätig in einem Dauerbetrieb des Betriebsverfahrens durchgeführt werden und so ein Driften des Ventilsystems, insbesondere der pneumatischen Betätigungsvorrichtung, ausgeglichen werden. Ein solches Driften kann beispielsweise durch Abrasion am Ventilsitz eintreten. Ein Verschleiß des Ventilsystems ist dadurch erkennbar.
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Die zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Ventilsystem gelöst, das ein Ventil und eine pneumatische Betätigungsvorrichtung umfasst. Die pneumatische Betätigungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, dass an diesem ein Differenzdruck vorgebbar ist, durch das ein Anker des Ventils beweglich ist. Die pneumatische Betätigungsvorrichtung kann dazu lösbar mit dem Anker des Ventils verbunden sein. Das Ventilsystem ist an einer Fluidleitung montierbar, durch die ein Medium, beispielsweise ein Gas, ein Dampf, eine Flüssigkeit, eine Suspension, ein Gemisch hieraus, oder ein Dickstoff, beispielsweise eine Paste, fließen kann. Durch die Fluidleitung ist eine Axialrichtung entlang der Fluidleitung und bezogen hierauf eine Radialrichtung definiert. Erfindungsgemäß ist eine vorgebbare Ventilstellung allein über den Differenzdruck als Eingangsgröße, beispielsweise in einem Regelkreis, einstellbar. Die vorgegebene Ventilstellung ist im Betrieb des Ventilsystems anzufahren. Durch das Anfahren der vorgegebenen Ventilstellung allein über den Differenzdruck als Eingangsgröße macht zusätzliche Mittel zum Erfassen einer Ventilstellung des Ankers, beispielsweise mechanische, elektromechanisch oder optische Wegaufnehmer, entbehrlich. Dementsprechend ist Bauraum zwischen dem Ventil und der pneumatischen Betätigungsvorrichtung reduzierbar. Deshalb dient die alleinige Nutzung des Differenzdrucks zum Einstellen, also Anfahren, der vorgegebenen Ventilstellung einer Baumraumersparnis in Radialrichtung.
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Das erfindungsgemäße Ventilsystem ist folglich besonders kompakt ausbildbar, was wiederum eine Montage des Ventilsystems in vorhandenen Automatisierungsanlagen bei beengten Platzverhältnissen erlaubt. Durch das Einsparen zusätzlicher Wegaufnehmer wird die Bauteilanzahl reduziert und eine gesteigerte Kosteneffizienz erzielt. Das erfindungsgemäße Ventilsystem bietet gleichzeitig ein gesteigertes Maß an Betätigungsgenauigkeit. Ebenso weist das erfindungsgemäße Ventilsystem einen vereinfachten Aufbau auf, bei dem Anbauvorrichtungen wie Bohrungen und Rippen minimiert sind. Insbesondere der Anker weist einen einfachen und kosteneffizienten Aufbau auf. Erfindungsgemäß ist das erfindungsgemäße Ventilsystem dazu ausgebildet sein, zumindest eines der oben skizzierten Betriebsverfahren durchzuführen.
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In einer Ausführungsform des beanspruchten Ventilsystems sind ein erster und/oder zweiter Kammerdruck in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung jeweils über eine Druckleitung einstellbar. Ausgehend vom ersten und zweiten Kammerdruck ergibt sich der Differenzdruck, über die die pneumatische Betätigungsvorrichtung den Anker bewegt. Der in der jeweiligen Druckleitung vorliegende Druck entspricht den ersten bzw. zweiten Kammerdruck. Die Druckleitungen können jeweils mit einem Drucksensor versehen sein, durch die der erste bzw. zweite Kammerdruck an im Wesentlichen jeglicher Position an der entsprechenden Druckleitung erfassbar ist. Die Drucksensoren können folglich an leicht zugänglichen Positionen an der Druckleitung angebracht werden. Zusätzlicher Bauraum am Ventilsystem selbst ist für die Drucksensoren entbehrlich. Zusätzlich wird durch das Bereitstellen des ersten bzw. zweiten Kammerdrucks über je eine Druckleitung der Verrohrungsaufwand am Ventilsystem selbst reduziert. Ferner ist über Druckleitungen, beispielsweise mit Druckluft, der erste bzw. zweite Kammerdruck zuverlässig und genau einstellbar. Dadurch ist das beanspruchte Ventilsystem robust und zuverlässig. Alternativ oder ergänzend kann zumindest ein Drucksensor an oder in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung angeordnet sein.
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Des Weiteren kann das beanspruchte Ventilsystem über eine Steuereinheit verfügen, die dazu ausgebildet ist, das Ventilsystem zu steuern. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, den vorliegenden Differenzdruck in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung zu erfassen und mit dem vorgegebenen Soll-Differenzdruck zu vergleichen. Ebenso ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, den Differenzdruck zu verändern. Die Steuereinheit ist dazu geeignet, von einem Benutzer und/oder einem Algorithmus, beispielsweise von einer übergeordneten Steuereinheit, eine anzufahrende Ventilstellung und/oder einen Schwellenwert zu empfangen, der bei einem Abgleichen des vorliegenden Differenzdrucks mit dem Soll-Differenzdruck zu berücksichtigen ist. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, zumindest eines der oben skizzierten Betriebsverfahren durchzuführen. Dazu kann die Steuereinheit über ein Computerprogrammprodukt verfügen, das auf der Steuereinheit ausführbar gespeichert ist.
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Ebenso wird die eingangs umrissene Aufgabenstellung durch eine erfindungsgemäße Steuereinheit gelöst. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet einen Anker in einem Ventilsystem zu betätigen. Das Ventilsystem ist an einer Fluidleitung montierbar um den Durchfluss eines Mediums durch die Fluidleitung zu regulieren. Der Anker ist mit einer pneumatischen Betätigungsvorrichtung gekoppelt, die auch zum Ventilsystem gehört. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, Messsignale für einen vorliegenden ersten und/oder zweiten Kammerdruck in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung zu empfangen. Gleichermaßen ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, Steuersignale zum Einstellen des ersten und/oder zweiten Kammerdrucks auszugeben. Hierdurch ist insgesamt ein Differenzdruck in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung erfassbar und veränderbar. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dazu ausgebildet zumindest eines der oben skizzierten Betriebsverfahren durchzuführen. Die Steuereinheit kann hierzu mit einem entsprechenden Computerprogrammprodukt ausgestattet sein. Die Steuereinheit kann als lokale Steuereinheit ausgebildet sein, die mit dem Ventilsystem verbunden ist, oder als übergeordnete Steuereinheit, die über eine kommunikative Datenverbindung mit dem Ventilsystem verbunden ist, beispielsweise einer Netzwerkverbindung, einer Internetverbindung oder einer Mobilfunkverbindung. Die übergeordnete Steuereinheit kann beispielsweise als Leitrechner, Webserver oder Computer-Cloud ausgebildet sein. Insbesondere kann die übergeordnete Steuereinheit dazu ausgebildet sein, eine Automatisierungsanlage zu steuern. Weiter alternativ kann die Steuereinheit auch als Kombination einer lokalen und einer übergeordneten Steuereinheit ausgebildet sein.
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Ferner wird die Aufgabenstellung durch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt gelöst, das zu einem Simulieren eines Betriebsverhaltens eines Ventilsystems ausgebildet ist, das mit einer Fluidleitung verbindbar ist. Insbesondere kann das Computerprogrammprodukt dazu ausgebildet sein, das Betriebsverhalten des Ventilsystems zu simulieren, indem der Aufbau des Ventilsystems darin fest vorgegeben ist. Erfindungsgemäß ist das über das Computerprogrammprodukt simulierbare Ventilsystem nach zumindest einer der oben skizzierten Ausführungsformen ausgebildet. Hierzu kann ein Abbild des Ventilsystems im Computerprogrammprodukt gespeichert sein. Alternativ oder ergänzend kann das Ventilsystem in seiner Funktionsweise als rechnerisches Modell hinterlegt sein. Das Computerprogrammprodukt weist ein Physik-Modul auf, mit dem ein Verhalten des Ventilsystems auf veränderliche Betriebsbedingungen simulierbar ist. Zu den veränderlichen Betriebsbedingungen gehört beispielsweise eine Dichte des Mediums in der Fluidleitung, dessen Temperatur, dessen Fließgeschwindigkeit und/oder dessen Viskosität. Ebenso kann ein veränderlicher erster und/oder zweiter Kammerdruck in einer pneumatischen Betätigungsvorrichtung gehören, durch die ein Anker des Ventilsystems beweglich ist. Ferner gehört ein Durchfluss des Mediums in der Fluidleitung zum Betriebsverhalten, der sich in Abhängigkeit einer vorliegenden Ventilstellung des Ventilsystems, also dessen Ankers, ergibt. Hierzu kann das Computerprogrammprodukt eine geeignete Datenschnittstelle verfügen, über die entsprechende Daten über eine Benutzereingabe und/oder andere simulationsgerichtete Computerprogrammprodukte vorgebbar sind. Das Computerprogrammprodukt kann auch über eine Datenschnittstelle zum Ausgeben von Simulationsresultaten an einen Benutzer und/oder andere simulationsgerichtete Computerprogrammprodukte verfügen. Mittels des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts sind werden Messsignale, die von einem Drucksensor an eine Steuereinheit gesendet werden, auf Plausibilität überprüft. Hierdurch kann beispielsweise ein defekter Drucksensor identifiziert werden. Das Computerprogrammprodukt kann als sogenannter Digitaler Zwilling ausgebildet sein, wie beispielsweise in der Druckschrift
US 2017/286572 A1 näher beschrieben. Der Offenbarungsgehalt von
US 2017/286572 A1 wird durch Verweisung in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen. Das Computerprogrammprodukt kann monolithisch ausgebildet sein, also vollständig auf einer Hardwareplattform ausführbar. Alternativ kann das Computerprogrammprodukt modular ausgebildet sein und eine Mehrzahl an Teilprogrammen umfassen, die auf separaten Hardwareplattformen ausführbar sind und über eine kommunikative Datenverbindung zusammenwirken. Ferner kann das Computerprogrammprodukt zu einer Steuerung einer Automatisierungsanlage gehören. Mittels des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt sind zudem Ventilsysteme und/oder auf diesen auszuführende Betriebsverfahren erprobbar und/oder optimierbar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Ausführungsform in Figuren näher erläutert. Die Figuren sind insoweit in gegenseitiger Ergänzung zu lesen, dass gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren die gleiche technische Bedeutung haben. Die Merkmale der Ausführungsform sind mit den oben skizzierten Merkmalen kombinierbar. Es zeigen im Einzelnen:
- 1 schematisch einen Aufbau einer ersten Ausführungsform beanspruchten Ventilsystems;
- 2 ein Diagramm einer ersten Ausführungsform des beanspruchten Betriebsverfahrens;
- 3 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform des beanspruchten Betriebsverfahrens.
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Ein Aufbau einer ersten Ausführungsform des beanspruchten Ventilsystems 30 ist in 1 schematisch dargestellt. Das Ventilsystem 30 umfasst eine Ventil 10, das einen Anker 12 aufweist, der mittels einer pneumatischen Betätigungsvorrichtung 20 entlang einer Betätigungsrichtung 17 beweglich ist. Der Anker 12 ist zwischen zwei Endstellungen 27 beweglich, die durch einen Anschlag des Ankers 12 an einem Ventilgehäuse 11 und einen Ventilsitz 14 definiert sind. Das Ventil 10 ist mit einer Fluidleitung 16 verbunden, durch die eine Rohrachse 15 festgelegt ist. Das Ventil 10 ist dazu ausgebildet, einen Durchfluss an einem Medium 25 durch das Rohr 16 in Abhängigkeit von einer vorliegenden Ventilstellung 13, also einer Position des Ankers 12 entlang der Betätigungsrichtung 17, zu regulieren. Die pneumatische Betätigungsvorrichtung 20 umfasst eine Membran 23, durch die Bereiche mit einem ersten bzw. einem zweiten Kammerdruck 21, 22 getrennt sind. Der erste Kammerdruck 21 wird über eine Druckleitung 32 bereitgestellt. In Abhängigkeit vom ersten Kammerdruck 21 erfolgt ein Verformen der Membran 23, so dass der Anker 12 entlang der Betätigungsrichtung 17 beweglich ist. Ferner ist der erste Kammerdruck 21 an der Druckleitung 32 durch einen Drucksensor 34 erfassbar, der an im Wesentlichen jeglicher Position entlang der Druckleitung 32 positionierbar ist. Der Drucksensor 34 weist eine Messgenauigkeit von bis zu +/- 10 mbar auf. Dies ist in 1 durch die teilweise unterbrochen dargestellte Druckleitung 32 versinnbildlicht. Der vom Drucksensor 34 erfasste erste Kammerdruck 21 wird in Form von Messsignalen 33 an eine Steuereinheit 40 geleitet, die dem Ventilsystem 30, insbesondere der pneumatischen Betätigungsvorrichtung 20, zugeordnet ist. Die Steuereinheit 40 ist dazu geeignet, die Messsignale 33 zu empfangen und zu verarbeiten. Ebenso ist die Steuereinheit 40 dazu geeignet, den ersten Kammerdruck 21 mittels eines Steuersignals 35 einzustellen.
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Durch den ersten und zweiten Kammerdruck 21, 22 ergibt sich an der Membran 23 in Betätigungsrichtung 17 wirkender Differenzdruck 18, durch den der Anker 12 des Ventils 10 positionierbar ist. Insbesondere ergeben sich durch den ersten und zweiten Kammerdruck 21, 22 Druckkräfte 19. Das Ventilsystem 30 weist zwischen dem Ventil 10 und der pneumatischen Betätigungsvorrichtung 20 einen Radialabstand 26 auf. Der Begriff Radialabstand 26 ist dabei im Sinne einer Radialrichtung 36 aufzufassen, die in Bezug auf die Rohrachse 15 definiert ist. Der Radialabstand 26 zwischen dem Ventil 10 und der Betätigungsrichtung 20 ist minimiert. Insbesondere in der Radialabstand 26 derart bemessen, dass zwischen dem Ventil 10 und der pneumatischen Betätigungsvorrichtung 20 kein Wegaufnehmer anbringbar ist. Das Ventilsystem 30 ist frei von einem mechanischen, elektromechanischen oder optischen Wegaufnehmer ausgebildet. Dadurch ist das Ventilsystem 30 in Radialrichtung 36 kompakter ausgebildet.
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Das Ventilsystem 30 ist dazu geeignet, gemäß einem Betriebsverfahren 100 betrieben zu werden, das über die Steuereinheit 40 umsetzbar ist. Die Steuereinheit 40 ist als lokale Steuereinheit 42 ausgebildet, die unmittelbar mit dem Ventilsystem 30 verbunden ist. Das Betriebsverfahren 100 geht in einem ersten Schritt 110 von einem aktiven Betriebszustand des Ventilsystems 30 aus, in dem dieses montiert und einsatzfähig ist. Im ersten Schritt 110 erfolgt über eine Benutzereingabe 37 ein Vorgeben einer anzufahrenden Ventilstellung 24. Über die Steuereinheit 40 wird ein zweiter Schritt 120 durchgeführt, in dem ein Soll-Differenzdruck 28 ermittelt wird, der mit der anzufahrenden Ventilstellung 24 korrespondiert. Dies erfolgt mittels einer Wertetabelle, eines Algorithmus, einer Künstlichen Intelligenz und/oder einer in der Steuereinheit 40 hinterlegt Formel.
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Ebenso wird durch die Steuereinheit 40 ein dritter Schritt 130 durchgeführt, in dem der in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung 20 vorliegender Differenzdruck 18 erfasst wird. Hierzu werden von Drucksensor 34 Messsignale 33 empfangen, die den ersten Kammerdruck 21 wiedergeben. Gleichermaßen erfolgt im dritten Schritt 130 ein Einstellen des ersten Kammerdrucks 21 um den vorliegenden Differenzdruck 18 dem Soll-Differenzdruck 28 anzupassen. Dazu werden von der Steuereinheit 40 Steuersignale 35 ausgegeben, die auf die Zufuhr an Druckluft in der Druckleitung 35 einwirken. Hierbei wird eine Betätigungsrichtung des Ankers 12, insbesondere einer in der Steuereinheit 40 gespeicherten Hysterese, berücksichtigt. Durch das Bewegen des Ankers 12 stellt sich ein Verfahrprofil 43 für das Ventil 10, und damit auch für das Ventilsystem 30, ein.
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Des Weiteren umfasst das Betriebsverfahren 100 einen vierten Schritt 140, in dem der vorliegende Differenzdruck 18 mit dem Soll-Differenzdruck 28 abgeglichen werden, indem zwischen diesen eine Abweichung ermittelt wird. Wenn die Abweichung zwischen dem Soll-Differenzdruck 28 und dem vorliegenden Differenzdruck 18 einen einstellbaren Schwellenwert 29 unterschreitet, wird der vorliegende Differenzdruck 18 stabilisiert. Da der Soll-Differenzdruck 28 der anzufahrenden Ventilstellung 24 entspricht, erreicht der Anker 12 im vierten Schritt 140 die anzufahrende Ventilstellung 24. Der Anker 12, und damit das Ventil 10 und das Ventilsystem 30, erreichen infolgedessen eine gesteigerte Betätigungsgenauigkeit. Der Aufbau des Ventilsystems 30 in 1 in einem Computerprogrammprodukt 60 abgebildet, das dazu ausgebildet ist, das Betriebsverhalten des Ventilsystems 30 zu simulieren. Dazu ist das Computerprogrammprodukt 60 als Digitaler Zwilling ausgebildet.
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Eine erste Ausführungsform des beanspruchten Betriebsverfahrens 100 ist in 2 in einem Diagramm 50 dargestellt. Die in 2 dargestellten Aspekte des Betriebsverfahrens 100 sind auf das Betriebsverfahren 100 nach 1 übertragbar. Das Diagramm 50 weist eine horizontale Zeitachse 52 und eine vertikale Größenachse 54 auf. Das Betriebsverfahren 100 geht von einem aktiven Betriebszustand im ersten Schritt 110 aus, in dem ein Ventilsystem 30, das zum Ausführen des skizzierten Betriebsverfahrens 100 geeignet ist, funktionsfähig montiert ist. Währenddessen ist ein vorliegender Differenzdruck 18 in einer pneumatischen Betätigungsvorrichtung 20 des Ventilsystems 30 im Wesentlichen konstant. Am Ende des ersten Schritts 110 erfolgt eine Benutzereingabe 37, durch die eine anzufahrende Ventilstellung 24 vorgegeben wird.
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In einem zweiten Schritt 120 wird durch eine Steuereinheit 40 ein Soll-Differenzdruck 28 ermittelt, der der anzufahrenden Ventilstellung 24 entspricht. Dazu verfügt die Steuereinheit 40 über eine in 2 versinnbildlichte Wertetabelle. Es folgt ein dritter Schritt 130, der vorliegende Differenzdruck 18 in der nicht näher gezeigten pneumatischen Betätigungsvorrichtung 20 erhöht. Dazu wird ein erster Kammerdruck 21 ermittelt, der auch in der pneumatischen Betätigungsvorrichtung 20 vorliegt. Das Erhöhen des ersten Kammerdruck 21 führt dazu, dass sich eine vorliegende Ventilstellung 13 des Ankers 12, wie in 1 angedeutet, verändert. Die Messsignale 33 werden in einem Regelkreis 38 ausgewertet und korrespondierend Steuersignale 35 erzeugt zum Anpassen des vorliegenden Differenzdrucks 18.
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Am Ende des dritten Schritts 130 näher sich der vorliegende Differenzdruck 18 dem Soll-Differenzdruck 28 an. Um den Soll-Differenzdruck 28 liegt eine Toleranzspanne 31 vor, die im Wesentlichen durch zwei Schwellenwerte 29 definiert ist, die jeweils oberhalb bzw. unterhalb des Soll-Differenzdrucks 28 liegen. Das Erreichen der Toleranzspanne wird durch das Unterschreiten einer Abweichung zwischen dem vorliegenden Differenzdruck 18 und dem Soll-Differenzdruck 28 betragsmäßig unter einen der Schwellenwerte 29 erkannt. Die Schwellenwerte 29 sind beispielsweise durch einen Benutzer einstellbar. Durch die Toleranzspanne 31 wird ferner eine mit dem Ventilsystem 30 erzielbare Betätigungsgenauigkeit 39 festgelegt, also eine erzielbare Lagegenauigkeit des Ankers 12 nach einem Anfahren einer vorgegebenen Ventilstellung 24. Das skizzierte Erkennen der Toleranzspanne 31 durch den Differenzdruck 18 erfolgt in einem vierten Schritt 140. Im vierten Schritt 140 erfolgt auch ein Stabilisieren des vorliegenden Differenzdrucks 18, so dass sich auch die vorliegende Ventilstellung 13 im Bereich der vorgegeben Ventilstellung 24 stabilisiert. Die Funktionsweise des beschriebenen Betriebsverfahrens 100 ist in einem Ventilsystem 30, wie beispielsweise in 1 gezeigt, durch ein Computerprogrammprodukt 60 simulierbar. Das Computerprogrammprodukt 60 verfügt über Schnittstellen zum Eingeben und Ausgeben von Daten, die die in 2 skizzierte Funktionsweise wiedergeben. Das Computerprogrammprodukt 60 ist ferner als Digitaler Zwilling ausgebildet.
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Eine zweite Ausführungsform des beanspruchten Betriebsverfahrens 100 ist in 3 schematisch in ihrem Ablauf dargestellt. Das Betriebsverfahren 100 geht von einem ersten Schritt 110 aus, in ein Ventilsystem 30, wie beispielsweise in 1 dargestellt, in einem aktiven Betriebszustand bereitgestellt wird. Es erfolgt eine Benutzereingabe 37, durch die ein abzufahrendes Verfahrprofil 43 vorgegeben wird. Das Verfahrprofil 43 umfasst eine erste, eine zweite und eine dritte anzufahrende Ventilstellung 24.1, 24.2, 24.3, die miteinander verkettet sind. Darauf folgt ein zweiter Schritt 120, in dem zur ersten anzufahrenden Ventilstellung 24.1 einen korrespondierenden Soll-Differenzdruck 28 für eine nicht gezeigte pneumatische Betätigungsvorrichtung 20 des Ventilsystems 30 ermittelt wird. Darauf folgt ein dritter Schritt 130, in dem der Differenzdruck 18 über Messsignale 33 ermittelt wird und mit dem Soll-Differenzdruck 28 verglichen wird. Über Steuersignale 35 wird im dritten Schritt 130 der vorliegende Differenzdruck 18 angepasst. Dies erfolgt mittels eines Regelkreises 38 in einer Steuereinheit 40 des Ventilsystems 30.
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Darauf folgt ein vierter Schritt 140, in dem vorliegende Differenzdruck 18 mit dem Soll-Differenzdruck 28 verglichen wird. Wenn die Abweichung zwischen dem vorliegenden Differenzdruck 18 und dem Soll-Differenzdruck 28 einen einstellbaren Schwellenwert 29 zumindest betragsmäßig unterschreitet, erfolgt ein Stabilisieren des Differenzdrucks 18. Daran schließt sich eine erste Verzweigung 145 an, in der geprüft wird, ob bereits die letzte der anzufahrenden Ventilstellungen 24.1, 24.2, 24.3 erreicht ist. Wenn noch zumindest eine anzufahrende Ventilstellung 24.1, 24.2, 24.3 noch nicht erreicht ist, erfolgt eine Rückführung 150 zum zweiten Schritt 120. Der zweite, dritte und vierte Schritt 120, 130, 140 werden dann für die darauffolgende anzufahrende Ventilstellung 24.2, 24.3 erneut durchgeführt. Andernfalls führt die erste Verzweigung 145 zu einem Endzustand 200, in dem das Betriebsverfahren 100 endet. Das Betriebsverhalten des zugehörigen Ventilsystems 30 ist in einem Computerprogrammprodukt 60 simulierbar, das als Digitaler Zwilling ausgebildet ist.
