DE102022108940B3

DE102022108940B3 - Automatisierungseinrichtung, Prozessventilbaueinheit und Verfahren

Info

Publication number: DE102022108940B3
Application number: DE102022108940.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Joachimsthaler; Rainer Nitsche
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2042-04-13
Also published as: KR20230146466A; CN116906657A; US20230324857A1; FI20235365A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Automatisierungseinrichtung (1) für die Industrieautomatisierung, zur Regelung und/oder Diagnose eines pneumatischen Aktors (2) mit einem Aktorglied (3), wobei die Automatisierungseinrichtung (1) über ein insbesondere nichtlineares Modell (15) des pneumatisches Aktors (2) verfügt, das wenigstens einen Modellparameter aufweist, über den das Modell (15) an verschiedene Varianten des pneumatischen Aktors (2) anpassbar ist, und wobei die Automatisierungseinrichtung (1) ausgebildet ist, unter Verwendung des Modells (15) eine Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors (2) durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Automatisierungseinrichtung für die Prozessautomatisierung, zur Regelung und/oder Diagnose eines pneumatischen Aktors mit einem Aktorglied.
Bei der Automatisierungseinrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Regler- und/oder Diagnoseeinrichtung für ein Prozessventil. Beispielsweise ist die Automatisierungseinrichtung ein Positioner. Der pneumatische Aktor ist insbesondere ein Prozessventil. Das Prozessventil umfasst beispielsweise einen Antrieb und eine durch den Antrieb betätigbare Armatur.
Der pneumatische Aktor kann in einer von mehreren möglichen Varianten vorliegen. Die Varianten können sich z.B. in ihrer Kinematik unterscheiden. Beispielsweise gibt es wenigstens eine lineare Variante mit einem Kolben und/oder eine lineare Variante mit einer Membran und/oder eine rotative Variante mit einem Zahnstangenritzel und/oder eine rotative Variante mit einem Scotch-Yoke. Ferner können sich die Varianten in ihrer Dimensionierung, insbesondere ihrer Größe, unterscheiden. Beispielsweise gibt es wenigstens eine Variante in einer ersten Größe und/oder eine zweite Variante in einer von der ersten Größe verschiedenen zweiten Größe. Ferner können sich die Varianten in ihren Lasten unterscheiden. Die Last wird beispielsweise durch die Armatur und/oder ein von dem Prozessventil zu beeinflussendes Prozessmedium bestimmt.
Es gibt den Ansatz, für die Regelung eines pneumatischen Aktors einen PID-Regler einzusetzen. Ein PID-Regler kann in der Regel einfach implementiert werden und verfügt über eine geringe Anzahl an einzustellenden Parametern. Da ein pneumatischer Aktor normalerweise starke Nichtlinearitäten aufweist (aufgrund der kompressiblen Luft), lässt sich mit einem PID-Regler jedoch typischerweise keine optimale Regelgüte bei der Regelung eines pneumatischen Aktors erzielen. Dies gilt auch insbesondere für den Fall, in dem es verschiedene Varianten des pneumatischen Aktors gibt und der PID-Regler für die verschiedenen Varianten eingesetzt werden soll.
Die DE 10 2020 119 379 A1 betrifft ein Stellgerät für eine prozesstechnische Anlage, wie eine Chemieanlage, ein Kraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage, oder dergleichen, umfassend ein Stellventil zum Einstellen einer Prozessfluidströmung der prozesstechnischen Anlage, einen insbesondere pneumatischen Aktuator zum Betätigen des Stellventils, und eine Stellgeräteelektronik zum Bereitstellen eines insbesondere pneumatischen Steuersignals für den Aktuator in Abhängigkeit von einer Stellgröße, wobei die Stellgerätelektronik eine Signalempfangsschnittstelle zum Empfangen der Stellgröße aufweist. Es ist vorgesehen, dass die Stellgeräteelektronik eine Rechenvorrichtung umfasst, die zum Bestimmen wenigstens eines Simulationsparameters eingerichtet ist, der eine Signalantwort des Stellgeräts auf eine empfangene Stellgröße charakterisiert, und dass die Stellgeräteelektronik eine Signalausgabeschnittstelle zum Abgeben des wenigstens einen Simulationsparameters aufweist.
Die DE 11 2015 003 733 T5 beschreibt, dass eine Regelungsroutine mit mehreren Ein-/Ausgängen in Form einer modellprädiktiven Regelungsroutine mit drahtlosen oder anderen Sensoren arbeitet, die aperiodische, sporadische oder anderweitig verzögerte Messsignale für Prozessgrößen mit einer effektiven Rate liefern, die niedriger ist als die Abtast- oder Ausführungsrate des MPC-Reglers. Die drahtlose MPC-Routine arbeitet selbst dann normal, wenn die Messabtastzeit für die geregelten Prozessgrößen wesentlich länger als die Betriebsabtastzeit der MPC-Steuer- bzw. Regelungsroutine ist und liefert Steuersignale, die eine robuste und tragfähige Regelung des Prozesses gewährleisten. Während des Betriebs verwendet die MPC-Routine ein internes Prozessmodell, um einen oder mehrere gemessene Prozessparameterwerte zu simulieren, ohne die Modellfehlerkorrektur während der Scan-Perioden durchzuführen, bei denen keine neuen Prozessparameter-Messwerte an den Regler gesendet werden. Wenn ein neuer Messwert für eine bestimmte Prozessgröße am Regler verfügbar ist, werden die Modellvorhersage und die simulierten Parameterwerte mit einer Modellfehlerkorrektur auf Grundlage des neuen Messwerts gemäß traditionellen MPC-Techniken aktualisiert.
Die DE 10 2016 107 407 A1 betrifft eine elektronische Ausführungseinheit zur Steuerung und Regelung einer pneumatischen Ventilanordnung für eine pneumatische Bewegungsaufgabe. Auf der elektronischen Ausführungseinheit ist eine Applikation zur Steuerung und Regelung der Ventilanordnung ausführbar geladen oder ladbar, um die pneumatische Bewegungsaufgabe auf der pneumatischen Ventilanordnung auszuführen.
Die DE 10 2013 111 052 A1 betrifft ein System zum flexiblen Betreiben einer Automatisierungsanlage mit zumindest einem Rechner und einer Vielzahl von Feldgeräten zur Bestimmung und/oder Überwachung von physikalischen oder chemischen Prozessgrößen, wobei der zumindest eine Rechner und die Feldgeräte netzwerkfähig ausgestaltet und über ein Netzwerk miteinander verbunden bzw. verbindbar sind, wobei jedem Rechner und jedem Feldgerät eine eindeutige Adresse in dem Netzwerk zugeordnet bzw. zuordenbar und wobei die Kommunikation über ein definiertes Netzwerkprotokoll erfolgt, wobei dem netzwerkfähigen Rechner bzw. den netzwerkfähigen Rechnern zumindest ein Anlagemodell zugeordnet ist, das die Anlagetopologie, die Anlagefunktion und das Zusammenwirken der Feldgeräte untereinander und mit dem zumindest einen Rechner virtuell abbildet, wobei das Anlagemodell so ausgestaltet ist, dass es flexibel an unterschiedliche Anlagetopologien, unterschiedliche Anlage-funktionen und/oder ein unterschiedliches Zusammenwirken der Feldgeräte untereinander und mit dem zumindest einen Rechner adaptierbar ist, und wobei der zumindest eine Rechner über das Anlagemodell die Automatisierungsanlage entsprechend der aktuellen Anlagetopologie, der aktuellen Anlagefunktion und/oder dem aktuellen Zusammenwirken der Feldgeräte untereinander und mit dem zumindest einen Rechner steuert.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine flexibel einsetzbare Automatisierungseinrichtung bereitzustellen, mit der eine einfach zu implementierende und genaue Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors möglich ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Automatisierungseinrichtung nach Anspruch 1. Die Automatisierungseinrichtung verfügt über ein insbesondere nichtlineares Modell des pneumatischen Aktors. Das Modell weist wenigstens einen Modellparameter auf, über den das Modell an verschiedene Varianten des pneumatischen Aktors anpassbar ist. Die Automatisierungseinrichtung ist ausgebildet, unter Verwendung des Modells eine Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors durchzuführen.
Durch die Verwendung eines insbesondere nichtlinearen Modells ist eine genaue Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors möglich. Dadurch, dass das Modell über den wenigstens einen Modellparameter an verschiedene Varianten des pneumatischen Aktors anpassbar ist, kann die Automatisierungseinrichtung mit den verschiedenen Varianten des pneumatischen Aktors verwendet werden und ist somit flexibel einsetzbar.
Das Modell kann auch als generalisiertes Modell bezeichnet werden. Zweckmäßigerweise sind alle Varianten des pneumatischen Aktors, insbesondere alle Größen und Kinematiken des pneumatischen Aktors, mit dem Modell beschreibbar. Zweckmäßigerweise verfügt das Modell über eine (gegenüber konventionellen Modellen) reduzierte Anzahl an anpassbaren Modellparametern, beispielsweise maximal vier oder genau vier anpassbare Modellparameter, oder maximal fünf oder genau fünf anpassbare Modellparameter.
Über den einen oder die mehreren Modelparameter wird das Modell jeweils an den vorliegenden pneumatischen Aktor angepasst. Als vorliegender pneumatischer Aktor soll derjenige pneumatische Aktor bezeichnet werden, der mit der Automatisierungseinrichtung geregelt und/oder diagnostiziert werden soll, also insbesondere derjenige pneumatische Aktor, der an der Automatisierungseinrichtung angeschlossen ist. Die jeweilige Variante des vorliegenden pneumatischen Aktors soll auch als vorliegende Variante bezeichnet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft ferner eine Prozessventilbaueinheit, umfassend die Automatisierungseinrichtung sowie den pneumatischen Aktor, wobei der pneumatische Aktor als Prozessventil ausgeführt ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben der Automatisierungseinrichtung oder einer Prozessventilbaueinheit, umfassend den Schritt: Durchführen der Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors unter Verwendung des Modells.
Bevorzugt ist das Verfahren in Entsprechung zu einer vorstehend und/oder nachstehend erläuterten Ausgestaltung der Automatisierungseinrichtung oder der Prozessventilbaueinheit weitergebildet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Systems, das mehrere Anordnungen aus einer jeweiligen Automatisierungseinrichtung und einem der jeweiligen Automatisierungseinrichtung zugeordneten jeweiligen pneumatischen Aktor umfasst, wobei jede Automatisierungseinrichtung gemäß der vorgenannten Automatisierungseinrichtung ausgeführt ist und über ein jeweiliges Modell verfügt, um eine Diagnose und/oder Regelung des jeweils zugeordneten pneumatischen Aktors durchzuführen, wobei sich die Modelle der Automatisierungseinrichtungen untereinander nicht unterscheiden, und wobei sich wenigstens zwei der pneumatischen Aktoren in ihrer Variante voneinander unterscheiden, wobei das Verfahren den Schritt umfasst: Anpassen wenigstens eines Modellparameters jedes Modells, um das jeweilige Modell an eine vorliegende Variante des jeweils zugeordneten pneumatischen Aktors anzupassen.
Bevorzugt ist das Verfahren in Entsprechung zu einer vorstehend und/oder nachstehend erläuterten Ausgestaltung der Automatisierungseinrichtung oder der Prozessventilbaueinheit weitergebildet.
Weitere exemplarische Details sowie beispielhafte Ausführungsformen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Automatisierungseinrichtung und einem einfachwirkenden pneumatischen Aktor,
2 eine schematische Darstellung eines doppeltwirkenden pneumatischen Aktors,
3 ein Flussdiagram einer Parameter-Anpassungsprozedur.
4 ein Blockdiagramm einer mit der Automatisierungseinrichtung durchgeführten Regelung und/oder Diagnose,
5 eine schematische Darstellung einer Prozessventilbaueinheit mit einer Automatisierungseinrichtung und einem einfachwirkenden pneumatischen Antrieb,
6 einen doppeltwirkenden pneumatischen Antrieb, und
7 ein System mit mehreren Anordnungen.

Die 1 zeigt eine Anordnung 10, die eine Automatisierungseinrichtung 1 und einen pneumatischen Aktor 2 umfasst. Die Anordnung 10 stellt eine exemplarische Anwendungsumgebung für die Automatisierungseinrichtung 1 dar. Die Automatisierungseinrichtung 1 kann auch für sich genommen - also insbesondere ohne den pneumatischen Aktor 2 - bereitgestellt sein.
Die Automatisierungseinrichtung 1 dient für den Einsatz in der Industrieautomatisierung, insbesondere in der Prozessautomatisierung. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist zur Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors 2 ausgebildet.
Der pneumatische Aktor 2 verfügt über ein Aktorglied 3. Rein exemplarisch ist der pneumatische Aktor 2 als Antriebszylinder ausgeführt. Der pneumatische Aktor 2 verfügt über eine Kolbenanordnung 4, die zweckmäßigerweise einen Kolben 5 und vorzugsweise eine mit dem Kolben 5 gekoppelte Kolbenstange 6 umfasst. Exemplarisch bildet die Kolbenanordnung 4 das Aktorglied 3. Der pneumatische Aktor 2 verfügt über eine erste Druckkammer 7. Die erste Druckkammer 7 wird durch die Kolbenanordnung 4 begrenzt. Durch Beaufschlagung der ersten Druckkammer 7 mit Druckluft kann die Position des Aktorglieds 3 geändert werden.
Rein exemplarisch ist der pneumatische Aktor 2 als einfachwirkender Aktor ausgeführt. Der einfachwirkende Aktor 2 umfasst ein Federelement 8, das eine auf die Kolbenanordnung 4 wirkende Federkraft bereitstellt. Wenn die erste Druckkammer 7 nicht belüftet ist, bewirkt die Federkraft, dass sich die Kolbenanordnung 4 in eine erste Endlage bewegt. Die erste Endlage ist exemplarisch eine eingefahrene Endlage der Kolbenanordnung 4. Wenn die erste Druckkammer 7 belüftet ist, wird die Kolbenanordnung 4 durch den in der ersten Druckkammer 7 herrschenden Druck in eine zweite Endlage bewegt (entgegen der Federkraft). Die zweite Endlage ist exemplarisch eine ausgefahrene Endlage.
Exemplarisch verfügt die Anordnung 10 über eine Positionssensoreinrichtung 9, die exemplarisch an dem pneumatischen Aktor 2 angeordnet ist. Die Positionssensoreinrichtung 9 dient zur Erfassung der aktuellen Position des Aktorglieds 3. Zweckmäßigerweise kann mittels der Positionssensoreinrichtung 9 die aktuelle Position des Aktorglieds 3 über den gesamten Bewegungsweg des Aktorglieds 3 - also von der ersten Endlage bis zur zweiten Endlage - erfasst werden. Die Positionssensoreinrichtung 9 stellt ein Positionssignal bereit, das die aktuelle Position des Aktorglieds 3 abbildet.
Exemplarisch verfügt die Anordnung 10 über eine Drucksensoreinrichtung 11, die zweckmäßigerweise Teil der Automatisierungseinrichtung 1 ist. Die Drucksensoreinrichtung 11 dient zur Erfassung des aktuellen Drucks der ersten Druckkammer 7. Dieser aktuelle Druck der ersten Druckkammer 7 soll auch als aktueller erster Druck bezeichnet werden. Die Drucksensoreinrichtung 11 stellt ein erstes Drucksignal bereit, das den aktuellen ersten Druck der ersten Druckkammer 7 abbildet.
Rein exemplarisch verfügt die Automatisierungseinrichtung 1 über eine Ventileinrichtung 12, mittels der die Automatisierungseinrichtung 1 die erste Druckkammer 7 belüften und/oder entlüften kann. Die Ventileinrichtung 12 ist beispielsweise als I/P-Wandler - also als Strom-Druck-Wandler - ausgeführt.
Optional verfügt die Automatisierungseinrichtung 1 über eine Eingabeeinheit 17, mittels der ein Benutzer eine Eingabe in die Automatisierungseinrichtung 1 vornehmen kann.
Bevorzugt verfügt die Automatisierungseinrichtung 1 über eine Steuereinheit 14, die beispielsweise als Microcontroller ausgeführt ist. Die Steuereinheit 14 empfängt zweckmäßigerweise das erste Drucksignal und/oder das Positionssignal. Vorzugsweise steuert die Steuereinheit 14 die Ventileinrichtung 12 an.
Optional verfügt die Automatisierungseinrichtung 1 über eine Kommunikationsschnittstelle 36, die insbesondere zur Kommunikation mit einer übergeordneten Steuerung dient, beispielsweise, um einen Sollwert zu empfangen, insbesondere für eine Regelung der Position des Aktorglieds 3.
Wie eingangs bereits erläutert, kann der pneumatische Aktor 2 in einer von mehreren möglichen Varianten vorliegen. Die Varianten unterscheiden sich beispielsweise in ihrer Kinematik, ihrer Dimensionierung und/oder ihrer Last.
Die Automatisierungseinrichtung 1 verfügt über ein Modell 15 des pneumatischen Aktors 2. Das Modell 15 ist insbesondere ein nichtlineares Modell des pneumatischen Aktors 2. Das Modell 15 weist wenigstens einen Modellparameter auf, über den das Modell an verschiedene Varianten des pneumatischen Aktors 2 anpassbar ist. Das Modell 15 ist zweckmäßigerweise in der Steuereinheit 14 gespeichert, insbesondere in einem nicht-flüchtigen Speicher. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, unter Verwendung des Modells 15 eine Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors 2 durchzuführen.
Zweckmäßigerweise umfasst das Modell 15 ein erstes Modell, das insbesondere für die Regelung und/oder Diagnose eines einfachwirkenden pneumatischen Aktors 2 ausgeführt ist.
Rein exemplarisch definiert das Modell 15, insbesondere das erste Modell, die nachfolgend wiedergegebenen, durch die Gleichungen (1), (2) und/oder (3) beschriebenen Zusammenhänge. Vorzugsweise umfasst das Modell 15 die Gleichungen (1), (2) und/oder (3), und/oder beruht auf der Gleichung (1), (2) und/oder (3): ${\dot{x}}_{1} = \dot{x} = x_{2}$
${\dot{x}}_{2} = \ddot{x} = a [(p_{1} - p_{u}) - F (x_{1} - x_{F})]$
${\dot{x}}_{3} = {\dot{p}}_{1} = \frac{κ}{V_{01} + Δ V x_{1}} (R t u_{1} (t) = Δ V x_{2} p_{1})$
x ist die aktuelle Position des Aktorglieds 3. x ist gleich x₁. Exemplarisch hat x die Einheit %. x₂ ist die zeitliche Ableitung von x.
a ist vorzugsweise gleich 1 und hat exemplarisch die Einheit $\frac{% m}{k g} .$
a soll auch als Druckterm-Koeffizient, insbesondere als erster Druckterm-Koeffizient, bezeichnet werden.
p₁ ist der aktuelle erste Druck in der ersten Druckkammer 7 und hat zweckmäßigerweise die Einheit $\frac{k g}{s^{2} m} .$
p_u ist der Umgebungsdruck des pneumatischen Aktors 2 und hat zweckmäßigerweise die Einheit $\frac{k g}{s^{2} m} .$
Beispielsweise ist p_u der Atmosphärendruck.
F ist ein anpassbarer Modellparameter und soll als Positionsterm-Koeffizient bezeichnet werden. Die Einheit von F ist zweckmäßigerweise $\frac{k g}{s^{2} %m} .$
x_F ist ein anpassbarer Modellparameter und soll als Federvorspannungsweg-Parameter bezeichnet werden. Die Einheit von x_F ist zweckmäßigerweise %.
κ ist der Isentropenexponent, insbesondere von Luft.
V₀₁ ist ein anpassbarer Modellparameter und soll als erster Totvolumen-Parameter bezeichnet werden. Die Einheit von V₀₁ ist zweckmäßigerweise m³.
ΔV ist ein anpassbarer Modellparameter und soll als Volumenänderungsrate-Parameter bezeichnet werden. Die Einheit von ΔV ist zweckmäßigerweise $\frac{m^{3}}{%} .$
R ist die allgemeine Gaskonstante.
T ist die Temperatur.
u₁(t) soll auch als erste Belüftungsgröße bezeichnet werden und ist exemplarisch der aktuelle erste Massenfluss von Druckluft in die erste Druckkammer 7 oder aus der ersten Druckkammer 7. Zweckmäßigerweise berechnet die Automatisierungseinrichtung 1 die erste Belüftungsgröße auf Basis eines (insbesondere mit der Drucksensoreinrichtung 11) erfassten Drucks, einer erfassten Position und/oder auf Basis einer Ansteuerung der Ventileinrichtung 12.
Die nachstehenden Erläuterungen beziehen sich zweckmäßigerweise auf das erste Modell.
Exemplarisch umfasst das Modell 15, insbesondere das erste Modell, eine erste Zustandsgröße x₁, eine zweite Zustandsgröße x₂ und/oder eine dritte Zustandsgröße x₃.
Zweckmäßigerweise umfasst das Modell 15, insbesondere das erste Modell, als Zustandsgröße, insbesondere als erste Zustandsgröße x₁, die aktuelle Position x des Aktorglieds 3. Die aktuelle Position x des Aktorglieds 3 wird zweckmäßigerweise mit der Positionssensoreinrichtung 9 gemessen. Insbesondere wird x durch den aktuellen Signalwert des Positionssignals abgebildet. Die aktuelle Position x - und damit die erste Zustandsgröße x₁ - ist vorzugsweise als relative Größe in dem Modell 15 definiert. Das bedeutet insbesondere, dass die aktuelle Position x als Verhältnis zu einer maximalen Position - also insbesondere einer Endlage - und/oder einem maximalen Verfahrweg des Aktorglieds 3 in dem Modell 15 definiert ist. Beispielsweise entspricht in dem Modell 15 eine aktuelle Position mit dem Positionswert 0 der ersten Endlage des Aktorglieds 3 und/oder eine aktuelle Position mit dem Positionswert 1 der zweiten Endlage des Aktorglieds 3. Optional ist die aktuelle Position x in dem Modell 15 als Prozentzahl definiert. Insbesondere weist die aktuelle Position x in dem Modell 15 keine physikalische Einheit, insbesondere keine physikalische Längeneinheit und/oder keine Winkeleinheit, auf. Vorzugsweise ist die Position x in dem Modell 15 eine dimensionslose Größe.
x₁ ist die zeitliche Ableitung der ersten Zustandsgröße x₁. ẋ ist die zeitliche Ableitung der aktuellen Position x.
Zweckmäßigerweise umfasst das Modell 15, insbesondere das erste Modell, als Zustandsgröße, insbesondere als zweite Zustandsgröße x₂, die aktuelle Geschwindigkeit des Aktorglieds 3 - also die zeitliche Ableitung der ersten Zustandsgröße x₁. Optional ist die aktuelle Geschwindigkeit des Aktorglieds 3 in der Einheit Prozent/Sekunde in dem Modell 15 definiert. ẋ₂ ist die zeitliche Ableitung der zweiten Zustandsgröße x₂ und bildet die aktuelle Beschleunigung des Aktorglieds 3 ab.
Zweckmäßigerweise umfasst das Modell 15, insbesondere das erste Modell, als Zustandsgröße, insbesondere als dritte Zustandsgröße x₃, den aktuellen ersten Druck p₁ der ersten Druckkammer 7. Zweckmäßigerweise wird p₁ mit der Drucksensoreinrichtung 11 gemessen. Insbesondere wird p₁ durch den aktuellen Signalwert des ersten Drucksignals abgebildet. ẋ₃ ist die zeitliche Ableitung der dritten Zustandsgröße x₃ und bildet die aktuelle Änderungsrate des ersten Drucks p₁ ab.
Das Modell 15, insbesondere das erste Modell, definiert einen Zusammenhang zwischen den Zustandsgrößen x₁,x₂,x₃ und der ersten Belüftungsgröße u₁(t), die die Belüftung und/oder Entlüftung der ersten Druckkammer 7 beschreibt. Exemplarisch ist die erste Belüftungsgröße u₁(t) der aktuelle Massenfluss, mit dem die erste Druckkammer 7 belüftet und/oder entlüftet wird, beispielsweise von der Automatisierungseinrichtung 1 mittels der Ventileinrichtung 12.
Wie vorstehend bereits erwähnt, umfasst das Modell 15, insbesondere das erste Modell, wenigstens einen anpassbaren Modellparameter. Exemplarisch umfasst das Modell 15 mehrere anpassbare Modellparameter. Vorzugsweise umfasst das Modell 15 maximal vier, insbesondere genau vier, anpassbare Modellparameter. Optional umfasst das Modell 15 maximal fünf, insbesondere genau fünf, anpassbare Modellparameter. Über die Modellparameter ist in dem Modell 15 der Zusammenhang zwischen den Zustandsgrößen x₁,x₂,x₃ und der ersten Belüftungsgröße u₁(t) anpassbar, insbesondere an die vorliegende Variante des pneumatischen Aktors 2.
Exemplarisch umfasst das Modell 15, insbesondere das erste Modell, als die Modellparameter, insbesondere als anpassbare Modellparameter, den Positionsterm-Koeffizienten F, den Federvorspannungsweg-Parameter x_F, den ersten Totvolumen-Parameter V₀₁, und/oder den Volumenänderungsrate-Parameter ΔV. Bevorzugt umfasst das Modell 15, insbesondere das erste Modell, ausschließlich diese vier Parameter als anpassbare Modellparameter. Optional umfasst das Modell 15, insbesondere das erste Modell, den Druckterm-Koeffizienten a als Modellparameter.
Bevorzugt umfasst der wenigstens eine Modellparameter den Positionsterm-Koeffizienten F. Zweckmäßigerweise definiert das Modell 15, insbesondere das erste Modell, einen Zusammenhang zwischen der aktuellen Beschleunigung ẋ₂ des Aktorglieds 3 und einer Differenz aus einem Druckterm und einem Produkt aus dem Positionsterm-Koeffizienten F und einem Positionsterm. Dies geht exemplarisch aus der zweiten Gleichung (2) hervor. Der Druckterm ist exemplarisch p₁- p_u, also die Differenz zwischen dem ersten Druck p₁ und dem Umgebungsdruck p_u. Der Positionsterm ist exemplarisch x₁- x_F, also die Differenz zwischen der aktuellen Position x₁ des Aktorglieds und dem Federvorspannungsweg-Parameter x_F.
Bevorzugt umfasst der wenigstens eine Modellparameter den Federvorspannungsweg-Parameter x_F. Der Federvorspannungsweg-Parameter x_F bildet einen Federvorspannungsweg des Federelements 8 des Aktors 2 ab. Das Modell 15 definiert zweckmäßigerweise einen Zusammenhang zwischen der Beschleunigung ẋ₂ des Aktorglieds 3 und einer Differenz aus der Position x₁ des Aktorglieds 3 und dem Federvorspannungsweg-Parameter x_F.
Bevorzugt umfasst der wenigstens eine Modellparameter den ersten Totvolumen-Parameter V₀₁, der ein ersten Totvolumen V01 des pneumatischen Aktors 2 abbildet. Das erste Totvolumen V01 ist insbesondere das minimale Volumen der ersten Druckkammer 7 - also insbesondere dasjenige Volumen der ersten Druckkammer 7, das in derjenigen Endlage des Aktorglieds 3 übrig bleibt, in der das Volumen der ersten Druckkammer 7 minimal ist.
Bevorzugt umfasst der wenigstens eine Modellparameter den Volumenänderungsrate-Parameter ΔV. Der Volumenänderungsrate-Parameter ΔV bildet ein Verhältnis einer Volumenänderung der ersten Druckkammer 7 des Aktors 2 zu einer Positionsänderung des Aktorglieds 3 des Aktors 2 ab.
Wie vorstehend bereits erwähnt, kann der Druckterm-Koeffizient a zweckmäßigerweise konstant auf den Wert 1 gesetzt werden und stellt dann zweckmäßigerweise keinen anpassbaren Modellparameter dar. Alternativ kann der wenigstens eine Modellparameter den Druckterm-Koeffizienten a umfassen.
Der Druckterm-Koeffizient a wird insbesondere dann zu 1 gesetzt, wenn die Beschleunigung entweder messtechnisch nicht erfasst werden kann oder nicht in ausreichender Qualität aus dem Positionssignal berechnet werden kann. Falls das Signal vorhanden ist, kann es über die Gleichung (2) bzw. (4) bestimmt werden. Hierzu kann das System von einer Endlage in die andere fahren. Die Gleichung kann in mehreren Punkten ausgewertet werden. Ausgewertet werden vorzugsweise nur Punkte, bei denen die Beschleunigung ungleich null ist. Das Ergebnis mehrerer Punkte kann gemittelt werden, um die Qualität der Identifikation zu verbessen. Zweckmäßigerweise wird der Druckterm-Koeffizient ermittelt, nachdem F und x_F bzw. G ermittelt wurden.
In der 2 ist der pneumatische Aktor 2 als doppeltwirkender pneumatischer Aktor ausgeführt. Die vorstehenden, auf den pneumatischen Aktor 2 bezogenen Erläuterungen gelten zweckmäßigerweise in Entsprechung für den doppeltwirkenden pneumatischen Aktor 2. Der doppeltwirkende pneumatische Aktor 2 umfasst eine zweite Druckkammer 16. Die zweite Druckkammer 16 wird durch die Kolbenanordnung 4 begrenzt. Durch Beaufschlagung der zweiten Druckkammer 16 mit Druckluft kann die Position des Aktorglieds 3 geändert werden. Durch Belüften der zweiten Druckkammer 16 wird die Kolbenanordnung 4 in Richtung hin zu der ersten Endlage betätigt. Durch Belüften der ersten Druckkammer 7 wird die Kolbenanordnung 4 in Richtung hin zu der zweiten Endlage betätigt.
Optional wird in der Anordnung 10 als der pneumatische Aktor 2 der doppeltwirkende pneumatische Aktor 2 verwendet - insbesondere anstelle des einfachwirkenden pneumatischen Aktors 2.
Exemplarisch dient die Drucksensoreinrichtung 11 der Anordnung 10 ferner zur Erfassung des aktuellen Drucks der zweiten Druckkammer 16. Dieser aktuelle Druck der zweiten Druckkammer 16 soll auch als aktueller zweiter Druck bezeichnet werden. Die Drucksensoreinrichtung 11 stellt ein zweites Drucksignal bereit, das den aktuellen zweiten Druck der zweiten Druckkammer 16 abbildet.
Zweckmäßigerweise umfasst das Modell 15 ein zweites Modell, das insbesondere für die Regelung und/oder Diagnose des doppeltwirkenden pneumatischen Aktors 2 ausgeführt ist.
Rein exemplarisch definiert das Modell 15, insbesondere das zweite Modell, die nachfolgend wiedergegebenen, durch die Gleichungen (1), (4), (5) und/oder (6) beschriebenen Zusammenhänge. Vorzugsweise umfasst das Modell 15 die Gleichungen (1), (4), (5) und/oder (6), und/oder beruht auf der Gleichung (1), (4), (5) und/oder (6): ${\dot{x}}_{1} = \dot{x} = x_{2}$
${\dot{x}}_{2} = \ddot{x} = a [(p_{1} - p_{u}) - G (p_{2} - p_{u})]$
${\dot{x}}_{3} = {\dot{p}}_{1} = \frac{κ}{V_{01} + Δ V x_{1}} (R T u_{1} (t) - Δ V x_{2} p_{1})$
${\dot{x}}_{4} = {\dot{p}}_{2} = \frac{κ}{V_{02} + Δ V (100 %- x_{1})} (R t u_{2} (t) + Δ V x_{2} p_{2})$
Für diejenigen Größen der Gleichungen (4), (5) und (6), die bereits in den vorstehend diskutierten Gleichungen (1), (2) und (3) enthalten sind, gelten die diesbezüglichen vorstehenden Erläuterungen.
p₂ ist der aktuelle zweite Druck in der zweiten Druckkammer 16 und hat zweckmäßigerweise die Einheit $\frac{k g}{s^{2} m} .$
G ist ein anpassbarer Modellparameter und soll als Druckterm-Koeffizient, insbesondere als zweiter Druckterm-Koeffizient, bezeichnet werden. G ist vorzugsweise dimensionslos.
V₀₂ ist ein anpassbarer Modellparameter und soll als zweiter Totvolumen-Parameter bezeichnet werden. Die Einheit von V₀₂ ist zweckmäßigerweise m³.
u₂(t) soll auch als zweite Belüftungsgröße bezeichnet werden und ist exemplarisch der aktuelle zweite Massenfluss von Druckluft in die zweite Druckkammer 16 oder aus der zweiten Druckkammer 16. Zweckmäßigerweise berechnet die Automatisierungseinrichtung 1 die zweite Belüftungsgröße auf Basis eines (insbesondere mit der Drucksensoreinrichtung 11) erfassten Drucks und/oder auf Basis einer Ansteuerung der Ventileinrichtung 12.
Die nachstehenden Erläuterungen beziehen sich zweckmäßigerweise auf das zweite Modell.
Bevorzugt umfasst das Modell 15, insbesondere das zweite Modell, die erste Zustandsgröße x₁, die zweite Zustandsgröße x₂ die dritte Zustandsgröße x₃ und/oder eine vierte Zustandsgröße x₄. In Bezug auf die erste, zweite und dritte Zustandsgröße sei auf die (insbesondere im Zusammenhang mit dem ersten Modell dargelegten) vorstehenden Erläuterungen verwiesen.
Zweckmäßigerweise umfasst das Modell 15, insbesondere das zweite Modell, als Zustandsgröße, insbesondere als vierte Zustandsgröße x₄, den aktuellen zweiten Druck p₂ der zweiten Druckkammer 16. Zweckmäßigerweise wird p₂ mit der Drucksensoreinrichtung 11 gemessen. Insbesondere wird p₂ durch den aktuellen Signalwert des zweiten Drucksignals abgebildet. ẋ₄ ist die zeitliche Ableitung der vierten Zustandsgröße x₄ und bildet die aktuelle Änderungsrate des zweiten Drucks p₂ ab.
Das Modell 15, insbesondere das zweite Modell, umfasst wenigstens einen Modellparameter. Exemplarisch umfasst das Modell 15, insbesondere das zweite Modell, mehrere Modellparameter. Vorzugsweise umfasst das Modell 15, insbesondere das zweite Modell, maximal vier, insbesondere genau vier, Modellparameter. Optional umfasst das Modell 15, insbesondere das zweite Modell, maximal fünf, insbesondere genau fünf, anpassbare Modellparameter. Über die Modellparameter ist in dem Modell 15 der Zusammenhang zwischen den Zustandsgrößen x₁,x₂,x₃,x₄ und der ersten Belüftungsgröße u₁(t) und der zweiten Belüftungsgröße u₂(t) anpassbar, insbesondere an die vorliegende Variante des pneumatischen Aktors 2.
Exemplarisch umfasst das Modell 15, insbesondere das zweite Modell, als die Modellparameter, insbesondere als anpassbare Modellparameter, den Druckterm-Koeffizienten G, den ersten Totvolumen-Parameter V₀₁, den zweiten Totvolumen-Parameter V₀₂ und/oder den Volumenänderungsrate-Parameter ΔV. Bevorzugt umfasst das Modell 15, insbesondere das zweite Modell, ausschließlich diese vier Parameter als anpassbare Modellparameter. Optional umfasst das Modell 15, insbesondere das erste Modell, den Druckterm-Koeffizienten a als Modellparameter.
Bevorzugt umfasst der wenigstens eine Modellparameter den Druckterm-Koeffizienten G. Zweckmäßigerweise definiert das Modell 15, insbesondere das zweite Modell, einen Zusammenhang zwischen der aktuellen Beschleunigung ẋ₂ des Aktorglieds 3 und einer Differenz aus einem ersten Druckterm und einem Produkt aus dem Druckterm-Koeffizienten G und einem zweiten Druckterm. Dies geht exemplarisch aus der vierten Gleichung (4) hervor. Der erste Druckterm ist exemplarisch p₁- p_u also die Differenz zwischen dem ersten Druck p₁ und dem Umgebungsdruck p_u. Der zweite Druckterm ist exemplarisch p₂-p_u, also die Differenz zwischen dem zweiten Druck p₂ und dem Umgebungsdruck p_u.
Bevorzugt umfasst der wenigstens eine Modellparameter den zweiten Totvolumen-Parameter V₀₂, der ein zweites Totvolumen V02 des pneumatischen Aktors 2 abbildet. Das zweite Totvolumen V02 ist insbesondere das minimale Volumen der zweiten Druckkammer 16 - also insbesondere dasjenige Volumen der zweiten Druckkammer 16, das in derjenigen Endlage des Aktorglieds 3 übrig bleibt, in der das Volumen der zweiten Druckkammer 16 minimal ist.
Bevorzugt ist die Automatisierungseinrichtung 1 ausgebildet, unter pneumatischer Betätigung des pneumatischen Aktors 2 eine Parameter-Anpassungsprozedur 20 durchzuführen, und im Rahmen der Parameter-Anpassungsprozedur 20 den wenigstens einen Modellparameter an eine vorliegende Variante des pneumatischen Aktors 2 anzupassen.
Insbesondere ist die Automatisierungseinrichtung 1 ausgebildet, im Rahmen der Parameter-Anpassungsprozedur 20 mehrere oder sämtliche (insbesondere vorstehend erläuterte) Modellparameter des Modells 15 an die vorliegende Variante des pneumatischen Aktors 2 anzupassen.
Die 3 zeigt ein Flussdiagram einer exemplarischen Ausgestaltung der Parameter-Anpassungsprozedur 20.
Optional umfasst die Parameter-Anpassungsprozedur 20 einen ersten Schritt S1, in dem bestimmt wird, ob der vorliegende pneumatische Aktor 2 ein einfachwirkender pneumatische Aktor oder ein doppeltwirkender pneumatische Aktor ist. Die Bestimmung erfolgt beispielsweise dadurch, dass ein Benutzer in die Automatisierungseinrichtung 1 eine Wirkprinzip-Information eingibt, die anzeigt, ob es sich bei dem vorliegenden pneumatischen Aktor 2 um einen einfachwirkend pneumatischen Aktor oder einen doppeltwirkenden pneumatischen Aktor handelt. Optional wird die Wirkprinzip-Information über ein automatisiertes Verfahren unter Verwendung von Druck- und Positionsinformation ermittelt. Auf Basis der Wirkprinzip-Information fährt die Automatisierungseinrichtung 1 wahlweise mit einer ersten Unterprozedur 21 (für einen einfachwirkenden pneumatischen Aktor) oder einer zweiten Unterprozedur 22 (für einen doppeltwirkenden pneumatischen Aktor) fort. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist insbesondere ausgebildet, zu bestimmen, ob für die Parameter-Anpassungsprozedur 20 das erste Modell oder das zweite Modell verwendet werden soll.
Die Parameter-Anpassungsprozedur 20, insbesondere die erste Unterprozedur 21, umfasst zweckmäßigerweise einen ersten Totvolumen-Parameter-Anpassungsschritt AS11 zur Anpassung des ersten Totvolumen-Parameters V₀₁. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, zur Anpassung des ersten Totvolumen-Parameters V₀₁ die erste Druckkammer 7 mehrfach nacheinander zu belüften und zu entlüften und währenddessen den ersten Druck zu messen. Das mehrfache Belüften und Entlüften erfolgt vorzugsweise mit konstanten Massenflüssen. Vorzugsweise erfolgt das mehrfache Belüften und Entlüften in einem Zustand, in dem sich das Aktorglied 3 in einer entlüfteten Endlage - exemplarisch der ersten Endlage - befindet. Zweckmäßigerweise bewegt sich das Aktorglied 3 während des mehrfachen Belüftens und Entlüftens nicht. Beispielsweise ist das Aktorglied 3 während des mehrfachen Belüftens und Entlüftens fixiert, insbesondere in der ersten Endlage. Alternativ dazu wird eine Bewegung des Aktorglieds 3 dadurch verhindert, dass die Be- und Entlüftung in Druckbereichen durchgeführt wird, bei denen die pneumatische Kraft kleiner als die Federkraft ist und somit keine Positionsänderung stattfindet.
Die Automatisierungseinrichtung 1 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, auf Basis des gemessenen ersten Drucks den ersten Totvolumen-Parameter V₀₁ zu berechnen, insbesondere unter Verwendung der idealen Gasgleichung. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, den berechneten Totvolumen-Parameter V₀₁ in dem Modell 15, insbesondere dem ersten Modell, zu verwenden.
Die Parameter-Anpassungsprozedur 20, insbesondere die erste Unterprozedur 21, umfasst zweckmäßigerweise einen Positionsterm-Koeffizienten-Anpassungsschritt AS12 zur Anpassung des Positionsterm-Koeffizienten F. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, zur Anpassung des Positionsterm-Koeffizienten F den pneumatischen Aktor 2 zu belüften und zu entlüften, sodass sich das Aktorglied 3 zwischen den Endlagen bewegt und währenddessen einen zeitlichen Verlauf des ersten Drucks zu messen. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ferner ausgebildet, auf Basis des zeitlichen Verlaufs der Position x₁ des Aktorglieds 3 unter Verwendung des Positionsterm-Koeffizienten F, insbesondere unter Verwendung des Modells 15, einen zeitlichen Verlauf des ersten Drucks zu berechnen, und zwar insbesondere gemäß dem folgenden Zusammenhang (der sich aus der Gleichung (2) ergibt): $p_{1} = p_{u} + F x_{1}$
Die Automatisierungseinrichtung 1 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, einen Fehler zwischen dem gemessenen zeitlichen Verlauf des ersten Drucks und dem berechneten zeitlichen Verlauf des ersten Drucks zu berechnen und den (für die Berechnung des berechneten zeitlichen Verlaufs des ersten Drucks verwendeten) Positionsterm-Koeffizienten F auf Basis des berechneten Fehlers anzupassen, insbesondere derart, dass eine Summe des Fehlers während einer Belüftung des pneumatischen Aktors 2 gleich einer Summe des Fehlers während einer Entlüftung des pneumatischen Aktors 2 ist. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, den angepassten Positionsterm-Koeffizienten F in dem Modell 15, insbesondere dem ersten Modell, zu verwenden.
Die Parameter-Anpassungsprozedur 20, insbesondere die erste Unterprozedur 21, umfasst zweckmäßigerweise einen Federvorspannungsweg-Parameter-Anpassungsschritt AS13 zur Anpassung des Federvorspannungsweg-Parameters x_F. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, einen Losbrechdruck p_L des pneumatischen Aktors 2 zu messen und auf Basis des Losbrechdrucks p_L den Federvorspannungsweg-Parameter x_F zu berechnen, insbesondere unter Verwendung des (insbesondere bereits angepassten) Positionsterm-Koeffizienten F, beispielsweise gemäß dem folgenden Zusammenhang: $\begin{array}{l} x_{F} = p_{L} \frac{1}{F} \\ p_{L} = p_{1} - p_{u} \end{array}$
Der Losbrechdruck ist ein Druckwert der Differenz des ersten Drucks und des Umgebungsdrucks, bei welchem Druckwert sich das Aktorglied 3 beginnt zu bewegen. Beispielsweise ist die Automatisierungseinrichtung 1 ausgebildet, (in einem entlüfteten Zustand der ersten Druckkammer 7) den ersten Druck zu erhöhen und denjenigen Druckwert des ersten Drucks als einen Belüftungs-Losbrechdruck zu erfassen, bei dem das Aktorglied 3 beginnt, sich zu bewegen, insbesondere aus der ersten Endlage heraus. Optional ist die Automatisierungseinrichtung 1 ausgebildet, (in einem belüfteten Zustand der ersten Druckkammer 7) den ersten Druck zu verringern und denjenigen Druckwert des ersten Drucks als einen Entlüftungs-Losbrechdruck zu erfassen, bei dem das Aktorglied 3 beginnt, sich zu bewegen, insbesondere aus der zweiten Endlage heraus.
Vorzugsweise ist die Automatisierungseinrichtung 1 ausgebildet, jeweils auf Basis des Belüftungs-Losbrechdrucks und des Entlüftungs-Losbrechdrucks einen jeweiligen Federvorspannungsweg-Parameter zu berechnen, insbesondere unter Verwendung der Gleichung (8), und auf Basis der auf diese Weise berechneten beiden Federvorspannungsweg-Parameter einen angepassten Federvorspannungsweg-Parameter zu berechnen, beispielsweise als Mittelwert der beiden Federvorspannungsweg-Parameter x_F. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, den angepassten Federvorspannungsweg-Parameter x_F in dem Modell 15, insbesondere dem ersten Modell, zu verwenden.
Die Parameter-Anpassungsprozedur 20, insbesondere die erste Unterprozedur 21, umfasst zweckmäßigerweise einen Volumenänderungsrate-Parameter-Anpassungsschritt AS14 zur Anpassung des Volumenänderungsrate-Parameters ΔV. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist insbesondere ausgebildet, zur Anpassung des Volumenänderungsrate-Parameters ΔV eine Positions-Steuerung des Aktorglieds 3 gemäß einer vorgegebenen Positions-Trajektorie, beispielsweise einer Rampenfunktion oder Treppenfunktion, durchzuführen und währenddessen einen zeitlichen Verlauf der Position des Aktorglieds 3 zu messen, insbesondere mit der Positionssensoreinrichtung 9. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, auf Basis des Modells 15, insbesondere unter Verwendung von invertierten Modellgleichungen des Modells 15, einen zeitlichen Verlauf der Position des Aktorglieds 1 zu berechnen. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, auf Basis des gemessenen zeitlichen Verlaufs und des berechneten zeitlichen Verlaufs den Volumenänderungsrate-Parameter V_Rel anzupassen, insbesondere derart, dass ein Fehler, insbesondere eine aufsummierte Differenz, zwischen dem gemessenen zeitlichen Verlauf und dem berechneten zeitlichen Verlauf minimal ist. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, den angepassten Volumenänderungsrate-Parameter ΔV in dem Modell 15, insbesondere dem ersten Modell, zu verwenden.
Im Folgenden soll insbesondere auf die zweite Unterprozedur 22 eingegangen werden.
Die Parameter-Anpassungsprozedur 20, insbesondere die zweite Unterprozedur 22, umfasst zweckmäßigerweise einen ersten Totvolumen-Parameter-Anpassungsschritt AS21 zur Anpassung des ersten Totvolumen-Parameters V₀₁. Der erste Totvolumen-Parameter-Anpassungsschritt AS21 ist zweckmäßigerweise gleich dem vorstehend erläuterten ersten Totvolumen-Parameter-Anpassungsschritt AS11, so dass die diesbezüglichen Erläuterungen auch für den ersten Totvolumen-Parameter-Anpassungsschritt AS21 gelten. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, den berechneten Totvolumen-Parameter V₀₁ in dem Modell 15, insbesondere dem zweiten Modell, zu verwenden.
Die Parameter-Anpassungsprozedur 20, insbesondere die zweite Unterprozedur 22, umfasst zweckmäßigerweise einen zweiten Totvolumen-Parameter-Anpassungsschritt AS22 zur Anpassung des zweiten Totvolumen-Parameters V₀₂. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, zur Anpassung des zweiten Totvolumen-Parameters V₀₂ die zweite Druckkammer 16 mehrfach nacheinander zu belüften und zu entlüften und währenddessen den zweiten Druck zu messen. Das mehrfache Belüften und Entlüften erfolgt vorzugsweise mit konstanten Massenflüssen. Vorzugsweise erfolgt das mehrfache Belüften und Entlüften in einem Zustand, in dem sich das Aktorglied 3 in einer entlüfteten Endlage - exemplarisch der zweiten Endlage - befindet. Zweckmäßigerweise bewegt sich das Aktorglied 3 während des mehrfachen Belüftens und Entlüftens nicht. Beispielsweise ist das Aktorglied 3 während des mehrfachen Belüftens und Entlüftens fixiert, insbesondere in der zweiten Endlage. Alternativ dazu wird das Aktorglied 3 dadurch in der Endlage gehalten, dass die Druckkammern 7, 16 derart belüftet werden, dass die zweite Druckkammer 16 immer eine größere Kraft verursacht als die erste Druckkammer 7.
Die Automatisierungseinrichtung 1 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, auf Basis des gemessenen zweiten Drucks den zweiten Totvolumen-Parameter V₀₂ zu berechnen, insbesondere unter Verwendung der idealen Gasgleichung. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, den berechneten Totvolumen-Parameter V₀₂ in dem Modell 15, insbesondere dem zweiten Modell, zu verwenden.
Die Parameter-Anpassungsprozedur 20, insbesondere die zweite Unterprozedur 22, umfasst zweckmäßigerweise einen Druckterm-Koeffizienten-Anpassungsschritt AS22 zur Anpassung des Druckterm-Koeffizienten G. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, zur Anpassung des Druckterm-Koeffizienten G den pneumatischen Aktor 2 zu belüften und zu entlüften, sodass sich das Aktorglied 3 zwischen den Endlagen bewegt, und währenddessen einen zeitlichen Verlauf des ersten Drucks zu messen. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ferner ausgebildet, auf Basis des zeitlichen Verlaufs des zweiten Drucks p₂ des Aktorglieds 3 unter Verwendung des Druckterm-Koeffizienten G (beispielsweise eines Initialwerts des Druckterm-Koeffizienten), insbesondere unter Verwendung des Modells 15, einen zeitlichen Verlauf des ersten Drucks zu berechnen, und zwar insbesondere gemäß dem folgenden Zusammenhang (der sich aus der Gleichung (4) ergibt): $p_{1} = G (p_{u} - p_{2}) + p_{u}$
Die Automatisierungseinrichtung 1 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, einen Fehler zwischen dem gemessenen zeitlichen Verlauf des ersten Drucks und dem berechneten zeitlichen Verlauf des ersten Drucks zu berechnen und den (für die Berechnung des berechneten zeitlichen Verlaufs des ersten Drucks verwendeten) Positionsterm-Koeffizienten G auf Basis des berechneten Fehlers anzupassen, insbesondere derart, dass eine Summe des Fehlers während einer Belüftung des pneumatischen Aktors 2 gleich einer Summe des Fehlers während einer Entlüftung des pneumatischen Aktors 2 ist. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, den angepassten Druckterm-Koeffizienten G in dem Modell 15, insbesondere dem zweiten Modell, zu verwenden.
Die Parameter-Anpassungsprozedur 20, insbesondere die zweite Unterprozedur 22, umfasst zweckmäßigerweise einen Volumenänderungsrate-Parameter-Anpassungsschritt AS24 zur Anpassung des Volumenänderungsrate-Parameters ΔV. Der Volumenänderungsrate-Parameter-Anpassungsschritt AS24 ist zweckmäßigerweise gleich dem vorstehend erläuterten Volumenänderungsrate-Parameter-Anpassungsschritt AS14, so dass die diesbezüglichen Erläuterungen auch für den Volumenänderungsrate-Parameter-Anpassungsschritt AS24 gelten. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, den berechneten Volumenänderungsrate-Parameters ΔV in dem Modell 15, insbesondere dem zweiten Modell, zu verwenden.
Die Automatisierungseinrichtung 1 ist ausgebildet, unter Verwendung des Modells 15, insbesondere unter Verwendung des ersten Modells und/oder des zweite Modells, eine Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors 2 durchzuführen. Die Regelung ist eine modellbasierte Regelung und/oder die Diagnose ist eine modellbasierte Diagnose.
Die Regelung ist beispielsweise eine Positionsregelung des Aktorglieds 3. Ferner kann die Regelung eine Druckregelung und/oder eine Steifigkeitsregelung umfassen. Zweckmäßigerweise ist die Automatisierungseinrichtung 1 ausgebildet, unter Verwendung des Modells 15, insbesondere des ersten Modells und/oder des zweiten Modells, ein oder mehrere Stellsignale zur Ansteuerung der Ventileinrichtung 12 zu berechnen, insbesondere auf Basis eines Sollwerts und/oder eines Istwerts, um die Regelung, insbesondere die Positionsregelung, durchzuführen.
Ferner kann es sich bei der Regelung um eine Mehrgrößenregelung handeln. Durch das Modell sind auch Mehrgrößenregelungen (insbesondere bei doppeltwirkenden Antrieben) möglich. Hierbei wird vorzugsweise die Position und das Druckniveau unabhängig geregelt. Hierdurch sind zusätzlich zur Positionsregelung auch z.B. eine Regelung der Steifigkeit oder Energieoptimierung möglich.
Bei der Durchführung der Diagnose erzeugt die Automatisierungseinrichtung 1 zweckmäßigerweise eine Diagnoseinformation. Die Diagnoseinformation umfasst beispielsweise eine Fehlerinformation, die einen Fehler den pneumatischen Aktors 2 anzeigt, und/oder eine Verschleißinformation, die einen Verschleiß des pneumatischen Aktors 2 anzeigt. Zweckmäßigerweise berechnet die Automatisierungseinrichtung 1 die Diagnoseinformation unter Verwendung des Modells 15, insbesondere des ersten Modells und/oder des zweiten Modells, auf Basis eines oder mehrerer im Rahmen einer Regelung, insbesondere der vorstehend erläuterten Regelung, berechneter Stellsignale und/oder eines Sollwerts und/oder eines Istwerts.
Die 4 zeigt ein Blockdiagramm einer mit der Automatisierungseinrichtung 1 durchgeführten Regelung und/oder Diagnose.
Der Automatisierungseinrichtung 1 wird ein Sollwert 23 zugeführt. Der Sollwert 23 ist exemplarisch ein Sollwert für die Position des Aktorglieds 3.
Optional ist die Automatisierungseinrichtung 1 ausgebildet, eine Trajektorienplanung 24 auf Basis des Sollwerts 23 durchzuführen, um einen Trajektorien-Sollwert 25 zu berechnen.
Bevorzugt ist die Automatisierungseinrichtung 1 ausgebildet, eine modellbasierte Regelung 26 unter Verwendung des Modells 15, insbesondere des ersten Modells und/oder des zweiten Modells, durchzuführen, insbesondere auf Basis des Trajektorien-Sollwerts 25 oder (falls die Trajektorienplanung 24 nicht vorhanden ist) auf Basis des Sollwerts 23, sowie auf Basis eines Istwerts 27 und optional unter Berücksichtigung einer Fehlerinformation 28 von einer modellbasierten Diagnose 29. Der Istwert 27 ist exemplarisch ein Istwert für die Position des Aktorglieds 3. Die Automatisierungseinrichtung 1 berechnet im Rahmen der modellbasierten Regelung 26 ein oder mehrere Stellsignale 31 zur Ansteuerung eines pneumatischen Stellsystems 32. Das pneumatische Stellsystem 32 ist beispielsweise die Ventileinrichtung 12.
Das pneumatische Stellsystem 32 gibt gemäß dem einen oder den mehreren Stellsignalen 31 einen oder mehrere Massenflüsse 33 an ein pneumatisches Antriebssystem 34 aus. Das pneumatische Antriebssystem 34 ist beispielsweise der pneumatische Aktor 2 .
Der Istwert 27 des pneumatischen Antriebssystems 34 - beispielsweise die aktuelle Position des Aktorglieds 3 - wird erfasst und der modellbasierten Regelung 26 und/oder der modellbasierten Diagnose zugeführt.
Bevorzugt ist die Automatisierungseinrichtung 1 ausgebildet, eine modellbasierte Diagnose unter Verwendung des Modells 15, insbesondere des ersten Modells und/oder des zweiten Modells, durchzuführen, insbesondere auf Basis des Sollwerts 23 und/oder der einen oder mehreren Stellsignale 31 und/oder des Istwerts 27. Die Automatisierungseinrichtung 1 ist insbesondere ausgebildet, im Rahmen der modellbasierten Diagnose die Fehlerinformation 28 zu erzeugen. Zweckmäßigerweise ist die Automatisierungseinrichtung 1 ausgebildet, im Rahmen der modellbasierten Diagnose die Diagnoseinformation 35 zu erzeugen und zweckmäßigerweise an einen Anwender auszugeben.
Die Automatisierungseinrichtung 1 kann insbesondere gemäß einem Verfahren betrieben werden, das den Schritt umfasst: Durchführen der Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors 2 unter Verwendung des Modells 15. Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt (der insbesondere vor dem Schritt des Durchführens der Regelung und/oder Diagnose durchgeführt wird): Durchführen der Parameter-Anpassungsprozedur, und im Rahmen der Parameter-Anpassungsprozedur Anpassen des wenigstens einen Modellparameter an eine vorliegende Variante des pneumatischen Aktors 2. Bevorzugt werden im Rahmen der Parameter-Anpassungsprozedur mehrere Modellparameter, insbesondere die vorgenannten Modellparameter, beispielsweise genau vier Modellparameter, an die vorliegende Variante des pneumatischen Aktors 2 angepasst.
Die 5 zeigt eine Prozessventilbaueinheit 30. Die Prozessventilbaueinheit 30 ist eine exemplarische Ausführung der Anordnung 10. Die Prozessventilbaueinheit 30 umfasst die Automatisierungseinrichtung 1, sowie den pneumatischen Aktor 2. Der pneumatische Aktor 2 ist als Prozessventil ausgeführt.
Die Automatisierungseinrichtung 1 ist exemplarisch als Positioner ausgeführt. Die Automatisierungseinrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 37, in dem zweckmäßigerweise die Ventileinrichtung 12, die Steuereinheit 14 und/oder die Drucksensoreinrichtung 11 angeordnet sind. Exemplarisch sind im und/oder am Gehäuse 37 die Eingabeeinheit 17 und/oder die Kommunikationsschnittstelle 36 angeordnet.
Die (insbesondere als Positioner ausgeführte) Automatisierungseinrichtung 1 ist exemplarisch am pneumatischen Aktor 2 befestigt, insbesondere mit ihrem Gehäuse 37.
Der (exemplarisch als Prozessventil ausgeführte) pneumatische Aktor 2 umfasst einen Antrieb 38 und eine durch den Antrieb betätigbare Armatur 39. Die Armatur 39 umfasst ein Ventilglied 41, das über den Antrieb 38 betätigt wird.
Der Antrieb 38 ist beispielsweise als Drehantrieb ausgeführt. Der Antrieb 38 umfasst die Kolbenanordnung 4. Der Antrieb 38 verfügt über die erste Druckkammer 7. Die erste Druckkammer 7 wird durch die Kolbenanordnung 4 begrenzt. Exemplarisch ist der Antrieb 38 einfachwirkend ausgeführt. Der Antrieb 38 umfasst exemplarisch das Federelement 8, das die auf die Kolbenanordnung 4 wirkende Federkraft bereitstellt.
Der Antrieb 38 verfügt über ein Antriebselement 42, das über die Kolbenanordnung 4 antreibbar ist. Das Antriebselement 42 ist mit dem Ventilglied 41 gekoppelt, so dass das Ventilglied 41 über das Antriebselement 42 in seiner Position verändert werden kann.
Zweckmäßigerweise stellt die Kolbenanordnung 4, das Antriebselement 42 oder das Ventilglied 41 das Aktorglied 3 dar.
In der 6 ist eine alternative Ausgestaltung des Antriebs 38 gezeigt. Der Antrieb 38 ist hier doppeltwirkend ausgeführt. Antrieb 38 umfasst (zusätzlich zur ersten Druckkammer 7) die zweite Druckkammer 16. Die zweite Druckkammer 16 wird durch die Kolbenanordnung 4 begrenzt.
Optional wird in der Prozessventilbaueinheit 30 als der Antrieb 38 der doppeltwirkende Antrieb 38 verwendet - insbesondere anstelle des einfachwirkenden Antriebs 38.
Bei der Verwendung des einfachwirkenden Antriebs 38 setzt die Automatisierungseinrichtung 1 zur Regelung und/oder Diagnose das erste Modell ein. Bei der Verwendung des doppeltwirkenden Antriebs 38 setzt die Automatisierungseinrichtung 1 zur Regelung und/oder Diagnose das zweite Modell ein.
Die 7 zeigt ein System 40, das mehrere Anordnungen 10A, 10B aus einer jeweiligen Automatisierungseinrichtung 1A, 1B und einem der jeweiligen Automatisierungseinrichtung 1A, 1B zugeordneten jeweiligen pneumatischen Aktor 2A, 2B umfasst. Jede Automatisierungseinrichtung 1A, 1B ist wie eine vorstehend erläuterte Automatisierungseinrichtung 1 ausgeführt. Jeder pneumatischer Aktor 2A, 2B ist wie ein vorstehend erläuterter pneumatischer Aktor 2 ausgeführt. Exemplarisch umfasst das System 40 eine erste Anordnung 10A, die eine erste Automatisierungseinrichtung 1A und einen der ersten Automatisierungseinrichtung 1A zugeordneten ersten pneumatischen Aktor 2A umfasst. Exemplarisch umfasst das System 40 eine zweite Anordnung 10B, die eine zweite Automatisierungseinrichtung 1B und einen der zweiten Automatisierungseinrichtung 1B zugeordneten zweiten pneumatischen Aktor 2B umfasst.
Optional können mehr als zwei Anordnungen vorhanden sein. Beispielsweise können mehr als 5, mehr als 10 oder mehr als 20 Anordnungen vorhanden sein.
Jede Automatisierungseinrichtung 1A, 1B verfügt über ein jeweiliges Modell 15, um eine Diagnose und/oder Regelung des jeweils zugeordneten pneumatischen Aktors 2A, 2B durchzuführen. Jedes Modell 15 ist zweckmäßigerweise wie das vorstehend erläuterte Modell 15 ausgeführt und umfasst zweckmäßigerweise das erste Modell und/oder das zweite Modell.
Bevorzugt unterscheiden sich die Modelle 15 der Automatisierungseinrichtungen 1A, 1B untereinander nicht. Insbesondere verfügt jede Automatisierungseinrichtung 1A, 1B über das gleiche Modell 15, insbesondere über das gleiche erste Modell und/oder das gleiche zweite Modell.
Bevorzugt unterscheiden sich zwei der pneumatischen Aktoren 2A, 2B in ihrer Variante voneinander. Beispielsweise ist der erste pneumatische Aktor 2A gemäß einer ersten Variante ausgeführt und oder der zweite pneumatische Aktor 2B gemäß einer von der ersten Variante verschiedenen zweiten Variante ausgeführt. Die erste Variante und die zweite Variante können sich z.B., wie eingangs bereits erläutert, in ihrer Kinematik, Dimensionierung und/oder ihrer Last unterscheiden.
Bevorzugt wird das System 40 mit einem Verfahren betrieben, das den Schritt umfasst: Anpassen wenigstens eines Modellparameters jedes Modells 15, um das jeweilige Modell 15 an eine vorliegende Variante des jeweils zugeordneten pneumatischen Aktors 2A, 2B anzupassen. Exemplarisch wird das Modell 15 der ersten Automatisierungseinrichtung 1A an die vorliegende erste Variante des ersten pneumatischen Aktors 2A angepasst, insbesondere durch eine Anpassung wenigstens eines, vorzugsweise mehrerer, exemplarisch genau vier, Modellparameter des Modells 15, beispielsweise mittels einer Durchführung der vorstehend erläuterten Parameter-Anpassungsprozedur mit der ersten Anordnung 10A.
Exemplarisch wird das Modell 15 der zweiten Automatisierungseinrichtung 1B an die vorliegende zweite Variante des zweiten pneumatischen Aktors 2B angepasst, insbesondere durch eine Anpassung wenigstens eines, vorzugsweise mehrerer, exemplarisch genau vier, Modellparameter des Modells 15, beispielsweise mittels einer Durchführung der vorstehend erläuterten Parameter-Anpassungsprozedur mit der zweiten Anordnung 10B.
Beispielsweise sind die pneumatischen Aktoren 2A, 2B als einfachwirkende pneumatische Aktoren ausgeführt. Beispielsweise umfassen die erste Automatisierungseinrichtung 1A und die zweite Automatisierungseinrichtung 1B jeweils das erste Modell. In dem ersten Modell der ersten Automatisierungseinrichtung 1A werden der Positionsterm-Koeffizient F, der Federvorspannungsweg-Parameter x_F, der erste Totvolumen-Parameter V₀₁ und/oder der Volumenänderungsrate-Parameter ΔV (und zweckmäßigerweise kein weiterer Parameter) an die vorliegende erste Variante des ersten pneumatischen Aktors 2A angepasst. In dem ersten Modell der zweiten Automatisierungseinrichtung 1B werden der Positionsterm-Koeffizient F, der Federvorspannungsweg-Parameter x_F, der erste Totvolumen-Parameter V₀₁ und/oder der Volumenänderungsrate-Parameter ΔV (und zweckmäßigerweise kein weiterer Parameter) an die vorliegende zweite Variante des zweiten pneumatischen Aktors 2A angepasst.
Beispielsweise sind die pneumatischen Aktoren 2A, 2B als doppeltwirkende pneumatische Aktoren ausgeführt. Beispielsweise umfassen die erste Automatisierungseinrichtung 1A und die zweite Automatisierungseinrichtung 1B jeweils das zweite Modell. In dem zweiten Modell der ersten Automatisierungseinrichtung 1A werden der Druckterm-Koeffizient G, der erste Totvolumen-Parameter V₀₁, der zweite Totvolumen-Parameter V₀₂ und/oder der Volumenänderungsrate-Parameter ΔV (und zweckmäßigerweise kein weiterer Parameter) an die vorliegende erste Variante des ersten pneumatischen Aktors 2A angepasst. In dem zweiten Modell der zweiten Automatisierungseinrichtung 1B werden der Druckterm-Koeffizient G, der erste Totvolumen-Parameter V₀₁, der zweite Totvolumen-Parameter V₀₂ und/oder der Volumenänderungsrate-Parameter ΔV (und zweckmäßigerweise kein weiterer Parameter) an die vorliegende zweite Variante des zweiten pneumatischen Aktors 2B angepasst.

Claims

Automatisierungseinrichtung (1) für die Industrieautomatisierung, zur Regelung und/oder Diagnose eines pneumatischen Aktors (2) mit einem Aktorglied (3), wobei die Automatisierungseinrichtung (1) über ein insbesondere nichtlineares Modell (15) des pneumatischen Aktors (2) verfügt, das wenigstens einen Modellparameter aufweist, über den das Modell (15) an verschiedene Varianten des pneumatischen Aktors (2) anpassbar ist, und wobei die Automatisierungseinrichtung (1) ausgebildet ist, unter Verwendung des Modells (15) eine Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors (2) durchzuführen.
Automatisierungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Automatisierungseinrichtung (1) ausgebildet ist, unter pneumatischer Betätigung des pneumatischen Aktors (2) eine Parameter-Anpassungsprozedur durchzuführen, und im Rahmen der Parameter-Anpassungsprozedur den wenigstens einen Modellparameter an eine vorliegende Variante des pneumatischen Aktors (2) anzupassen.
Automatisierungseinrichtung (1) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei das Modell (15) als Zustandsgröße eine aktuelle Position des Aktorglieds (3) umfasst, wobei die aktuelle Position als relative Größe in dem Modell (15) definiert ist.
Automatisierungseinrichtung (1) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei der wenigstens eine Modellparameter einen Positionsterm-Koeffizienten umfasst, und das Modell (15) einen Zusammenhang zwischen einer aktuellen Beschleunigung des Aktorglieds (3) und einer Differenz aus einem Druckterm und einem Produkt aus dem Positionsterm-Koeffizienten und einem Positionsterm definiert.
Automatisierungseinrichtung (1) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei der wenigstens eine Modellparameter einen Federvorspannungsweg-Parameter umfasst, der einen Federvorspannungsweg eines Federelements (8) des pneumatischen Aktors (2) abbildet, wobei das Modell (15) einen Zusammenhang zwischen einer/der Beschleunigung des Aktorglieds (3) und einer Differenz aus einer/der Position des Aktorglieds (3) und dem Federvorspanungsweg-Parameter definiert.
Automatisierungseinrichtung (1) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei der wenigstens eine Modellparameter einen Totvolumen-Parameter umfasst, der ein Totvolumen des pneumatischen Aktors (2) abbildet.
Automatisierungseinrichtung (1) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei der wenigstens eine Modellparameter einen Volumenänderungsrate-Parameter umfasst, der ein Verhältnis einer Volumenänderung einer ersten Druckkammer (7) des Aktors (2) zu einer Positionsänderung des Aktorglieds (3) abbildet.
Automatisierungseinrichtung (1) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei der wenigstens eine Modellparameter einen Druckterm-Koeffizienten umfasst, und das Modell (15) einen Zusammenhang zwischen einer Beschleunigung des Aktorglieds (3) und einer Differenz aus einem ersten Druckterm und einem Produkt aus dem Druckterm-Koeffizienten und einem zweiten Druckterm definiert.
Prozessventilbaueinheit, umfassend eine Automatisierungseinrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, sowie den pneumatischen Aktor (2), wobei der pneumatische Aktor (2) als Prozessventil ausgeführt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Automatisierungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer Prozessventilbaueinheit (30) nach Anspruch 9, umfassend den Schritt: Durchführen der Regelung und/oder Diagnose des pneumatischen Aktors (2) unter Verwendung des Modells (15).
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend den Schritt: Durchführen einer/der Parameter-Anpassungsprozedur, und im Rahmen der Parameter-Anpassungsprozedur Anpassen des wenigstens einen Modellparameter an eine vorliegende Variante des pneumatischen Aktors (2).
Verfahren zum Betreiben eines Systems (40), das mehrere Anordnungen (10A, 10B) aus einer jeweiligen Automatisierungseinrichtung (1A, 1B) und einem der jeweiligen Automatisierungseinrichtung (1A, 1B) zugeordneten jeweiligen pneumatischen Aktor (2A, 2B) umfasst, wobei jede Automatisierungseinrichtung (1A, 1B) gemäß der Automatisierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt ist und über ein jeweiliges Modell (15) verfügt, um eine Diagnose und/oder Regelung des jeweils zugeordneten pneumatischen Aktors (2A, 2B) durchzuführen, wobei sich die Modelle (15) der Automatisierungseinrichtungen (1A, 1B) untereinander nicht unterscheiden, und wobei sich wenigstens zwei der pneumatischen Aktoren (2A, 2B) in ihrer Variante voneinander unterscheiden, wobei das Verfahren den Schritt umfasst: Anpassen wenigstens eines Modellparameters jedes Modells (15), um das jeweilige Modell (15) an eine vorliegende Variante des jeweils zugeordneten pneumatischen Aktors (2A, 2B) anzupassen.