DE19954361A1 - Elektronische Druckregeleinrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine elektronische Druckregeleinrichtung mit einem elektrisch ansteuerbaren Drucksteller (11) zum Aussteuern eines Ausgangsdrucks, mit einem Druckmesser (12) zur Messung des Ausgangsdrucks und mit einem elektronischen Regler (13) angegeben, der das am Ausgang des Druckmessers (12) abnehmbare elektrische Istwert-Signal (I) mit einem den Sollwert des Ausgangsdrucks vorgebenden elektrischen Sollwert-Signal (S) vergleicht und den Drucksteller (11) in Abhängigkeit von der Regeldifferenz einstellt. Zur Verkürzung der Reaktionszeit und Verringerung der bleibenden Regelabweichung ist dem elektronischen Regler (13) das Sollwert- und das Istwert-Signal (S, I) jeweils mit mindestens zwei unterschiedlichen Verstärkungen zuführbar und die Auswahl der Verstärkungen erfolgt synchron für Sollwert- und Istwert-Signal (S, I) in Abhängigkeit vom Über- und Unterschreiten mindestens eines vorgebbaren Schwellwerts durch das Sollwert-Signal (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Druckregeleinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Solche elektronischen Druckregeleinrichtungen dienen z. B. zum Regeln von Luftdrücken bei pneumatischen Steuerungen oder zum Regeln der Drücke von Schneidgasen, wie Propan, Wasserstoff, Stickstoff oder Sauerstoff. Der elektronische Regler enthält dabei einen als P- oder PI-Regler ausgebildeten Regelverstärker. Im ersten Fall kann die P-Verstärkung nicht beliebig hoch gewählt werden, da dies zur Instabilität der Druckregeleinrichtung führt. Die Folge der reduzierten Verstärkung ist eine größere bleibende Regelabweichung, die besonders störend bei kleine Sollwertsprüngen ist. Bei Verwendung eines PI-Reglers ist zwar die Regelabweichung gering, doch da aus Stabilitätsgründen bei der Druckregeleinrichtung eine Totzone vorgesehen werden muß, damit der Drucksteller nicht dauernd regelt und somit nicht dauernd Ausgangsdruckschwankungen auftreten, führt dies zu einem verzögerten Ausregeln der Regeldifferenz, insbesondere bei kleinen Sollwertsprüngen von z. B. typisch 1%.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer elektronischen Druckregeleinrichtung der eingangs genannten Art die Genauigkeit der Regeleinrichtung und insbesondere die Reaktionszeit bei kleinen Sollwertänderungen zu verbessern.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße elektronische Druckregeleinrichtung hat den Vorteil, daß durch die Änderung der Verstärkung in bestimmten Druckregelbereichen des Ausgangsdrucks, z. B. im Bereich von 0-10% von dessen Endwert, die Reaktionszeit bei kleinen Sollwertänderungen erhöht wird und die Regelgenauigkeit zunimmt. Dabei wird unterhalb des Schwellwerts die große. Verstärkung verwendet, was zu kürzerer Reaktionszeit führt, und oberhalb des Schwellwerts die normale Verstärkung eingesetzt, da die große Verstärkung zu Instabilitäten und damit Ausgangsdruckschwankungen führen würde. In Fig. 2 ist der Verlauf der Istwert-Signals mit und ohne Umschaltung der Verstärkung in bestimmten Druckregelbereichen bei einem Sollwertsprung dargestellt. Deutlich ist zu sehen, daß bei der erfindungsgemäßen Druckregeleinrichtung mit Umschaltung der Verstärkung (Kurve a in Fig. 2) die Reaktionszeit zur Ausregelung der Regeldifferenz kürzer und die bleibende Regelabweichung kleiner ist als bei herkömmlichen Druckregeleinrichtungen ohne Verstärkungsumschaltung (Kurve b in Fig. 2).

Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Druckregeleinrichtung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Der Schwellwert, bei dem die Umschaltung der Verstärkung erfolgt, liegt typischerweise bei 10-50% vom Sollwert. Der Sollwert bildet dabei eine bevorzugte Bezugsbasis, da er stabil anliegt. Denkbar wäre auch den Istwert als Basis heranzuziehen, doch unterliegt dieser ständigen Schwankungen.

Die jeweils wirksame Verstärkung ist für das Sollwert- und das Istwertsignal gleich groß und nur bei einem vom Einstellbereich des Sollwert-Signals abweichenden Regelbereich des Istwert-Signals sind die jeweils wirksamen Verstärkungen unterschiedlich für Sollwert- und Istwert- Signal so ausgelegt, daß die Bereichsabweichungen kompensiert werden. Der Sollwert kann fest oder variabel vorgegeben werden, wobei im letzteren Fall der Sollwert ferneingestellt oder programmiert wird, so daß er oberhalb und unterhalb des Schwellwerts je nach Anwendung variiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der elektronische Regler einen Differenzverstärker, dem das Sollwert- und das Istwert-Signal zugeführt sind, und einen diesem nachgeschalteten Regelverstärker auf, der als PID- Regler oder digitaler Mehrpunktregler ausgebildet ist und dessen Ausgangssignal an dem Steuereingang des Druckstellers liegt. Der an sich bekannte PID-Regler kommt vor allem bei Druckstellern mit Proportionalmagneten zum Einsatz. Digitale Mehrpunktregler sind vorteilhaft in Verbindung mit vorgesteuerten Ventilen, z. B. getakteten Pilotventilen, die eine Membrankammer steuern.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer elektronischen Druckregeleinrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm der Regelkurven der Druckregeleinrichtung in Fig. 1 (Kurve a) und einer herkömmlichen Druckregeleinrichtung (Kurve b).

Die in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte elektronische Druckregeleinrichtung weist einen elektrisch ansteuerbaren Drucksteller 11, der einen Ausgangsdruck eines Mediums, z. B. Gas, Druckluft oder Flüssigkeit, in Abhängigkeit von einer elektrischen Stellgröße aussteuert, einen Druckmesser 12, zur Messung des Ausgangsdrucks und Umwandlung in ein elektrisches Istwert-Signal I und einen elektronischen Regler 13 auf, der das elektrische Istwert-Signal I mit einem den Sollwert des Ausgangsdrucks vorgegebenden elektrischen Sollwert-Signal S vergleicht und die Stellgröße in Abhängigkeit der Regeldifferenz einstellt. Im einzelnen besteht der Drucksteller 11 aus einem elektromagnetischen Mehrwegeventil 14, das von einem Proportionalmagneten 15 betätigt wird. Das im Ausführungsbeispiel als 3/2-Wegemagnetventil ausgebildete Mehrwegeventil 14 ist an einer Versorgungsquelle 16 bzw. Druckluftquelle, angeschlossen und weist einen Entlüftungsausgang 17 und einen Arbeitsausgang 18 auf, an dem der Ausgangsdruck ausgesteuert wird. Zum Messen des Ausgangsdrucks ist der Druckmesser 12 eingangsseitig an dem Arbeitsausgang 18 angeschlossen. Das am Ausgang des Druckmessers 12 anstehende elektrische Istwert-Signal I wird ebenso wie das an der Klemme 19 anliegende, vorgegebene elektrische Sollwert-Signal S. das den gewünschten Sollwertdruck am Arbeitsausgang 18 vorgibt, dem elektronischen Regler 13 zugeführt. Der elektronische Regler 13 besteht aus einem Differenzverstärker 20, an dessen Eingängen das Istwert-Signal I und das Sollwert-Signal S liegen, und einem dem Differenzverstärker 20 nachgeschalteten Regelverstärker 21, der im Ausführungsbeispiel als PID-Regler ausgebildet ist. Der Ausgang des Regelverstärkers 21 ist an dem Steuereingang des Druckstellers 11, genauer an dem Proportionalmagneten 15, angeschlossen.

Dem elektronischen Regler 13 sind jeweils zwei Verstärkerstufen 22, 23 für das Sollwert-Signal 5 und zwei Verstärkerstufen 24, 25 für das Istwert-Signal vorgeschaltet. Die Verstärkungen in jedem Verstärkerstufenpaar sind unterschiedlich aber in beiden Verstärkerstufenpaaren jeweils gleich. Die zwei Verstärkerstufen 22, 23 bzw. 24, 25 jeweils eines Verstärkerstufenpaars sind über jeweils einen Umschalter 26 bzw. 27 synchron auf den Sollwerteingang "+" bzw. den Istwert-Eingang "-" des Differenzverstärkers 20 aufschaltbar. Die Umschalter 26, 27 werden von einem Komparator 28 gesteuert, an dessen einem Eingang das Sollwert-Signal S und an dessen anderem Eingang ein einstellbarer Schwellwert liegt. Zur Einstellung des Schwellwerts dient ein Potentiometer 29, von dem der Potentiometerabgriff an den einen Eingang des Komparators 28 gelegt ist. Die Verstärkerstufe 23 und 25 besitzen die gleiche Verstärkung, die wesentlich größer als die Verstärkung der beiden Verstärkerstufen 22 und 24 ist, wobei die Verstärkungen der beiden Verstärkerstufen 22,24 wiederum gleich sind. Beispielsweise ist der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufen 23,25 dreimal so groß wie der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufen 22,24. Die Umschaltung der Verstärkerstufen 22-25 ist so getroffen, daß unterhalb des Schwellwerts die größere Verstärkung und oberhalb des Schwellwerts die kleinere Verstärkung wirksam ist. Mit der größeren Verstärkung wird im unteren Druckregelbereich des Ausgangsdrucks die Reaktionszeit in der Ausregelung von Sollwertsprüngen wesentlich verkürzt, während durch die kleinere Verstärkung Instabilitäten des Druckstellers im oberen Druckregelbereich vermieden werden.

Das bessere Regelverhalten der Druckregeleinrichtung gemäß Fig. 1 gegenüber einer herkömmlichen Druckregeleinrichtung ist in dem Diagramm der Fig. 2 schematisch verdeutlicht. Die Kurve a gibt dabei das Regelverhalten der elektronischen Regeleinrichtung gemäß Fig. 1 und die Kurve b das Regelverhalten einer herkömmlichen Druckregeleinrichtung wieder. Der Sollwert ist strichliniert angedeutet. Deutlich ist zu sehen, daß bei einem Sollwertsprung die Reaktionszeit bei der elektronischen Druckregeleinrichtung gemäß Fig. 1 bis zur Ausregelung des neuen Ausgangsdrucks sehr viel kleiner ist als die einer herkömmlichen Druckregeleinrichtung. Ebenso ist zu erkennen, daß die bleibende Regelabweichung wesentlich kleiner ist.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So sind bei einem vom Einstellbereich des Sollwert-Signals abweichenden Regelbereich des Istwert-Signals die jeweils wirksamen Verstärkungen für Sollwert- und Istwert-Signal so ausgelegt, daß die Bereichsabweichungen kompensiert werden. Entsprechend sind die Verstärkerstufen 22-25 mit angepaßten, unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren ausgelegt. Eine solche Bereichsabweichung tritt beispielsweise dann ein, wenn z. B. der Sollwert 0-10 V beträgt, der Ausgangsdruck am Arbeitsausgang 18 aber von z. B. 2-8 bar geregelt wird, hierbei aber ein Standard-Druckmesser 12 verwendet wird, der von 0-10 bar ein Istwert-Ausgangssignal von 0-10 V liefert. In diesem Fall ist der Sollwert 0-10 V und der Istwert 2-8 V.

Der Schwellwert ist bei dem Ausführungsbeispiel der Druckregeleinrichtung gemäß Fig. 1 fest vorgegeben und beträgt typischerweise zwischen 10-50% des Sollwerts. Der Schwellwert kann jedoch auch variabel gehalten werden und dabei entweder durch Ferneinstellung oder Programmierung verändert werden. Die Verstärkung oberhalb und unterhalb des Schwellwerts ist dann je nach Anwendung über z. B. Datenkommunikation oder Programmeinstellung einstellbar.

Weiterhin können mehr als zwei Verstärkerstufen mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren für Sollwert- und Istwertsignal vorgesehen werden, die in Abhängigkeit von Über- und Unterschreiten mehrerer Schwellwerte umgeschaltet werden.

Anstelle des Sollwert-Signals kann dem Komparator 28 auch das Istwert-Signal zugeführt und mit dem vom Potentiometer 29 abgegriffenen Schwellwert verglichen werden. Bevorzugt wird jedoch das Sollwert-Signal herangezogen, da das Istwert- Signal ständigen Schwankungen unterliegen kann.

In dem elektronischen Regler 13 kann der Regelverstärker 21 als digitaler Mehrpunktregler ausgeführt sein. Dieser hat Vorteile bei der Ansteuerung von vorgesteuerten Ventilen, z. B. von getakteten Pilotventilen.

Claims (8)

1. Elektronische Druckregeleinrichtung, mit einem elektrisch ansteuerbaren Drucksteller (11), der einen Ausgangsdruck in Abhängigkeit von einer elektrischen Stellgröße aussteuert, mit einem Druckmesser (12) zur Messung des Ausgangsdrucks und Umwandlung in ein elektrisches Istwert- Signal (I) und mit einem elektronischen Regler (13), der das elektrische Istwert-Signal (I) mit einem den Sollwert des Ausgangsdrucks vorgebenden elektrischen Sollwert- Signal (S) vergleicht und die Stellgröße in Abhängigkeit von der Regeldifferenz einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektronischen Regler (13) das Sollwert- und das Istwertsignal (S, I) jeweils mit mindestens zwei unterschiedlichen Verstärkungen zuführbar ist und daß die Auswahl der Verstärkungen synchron für Sollwert- und Istwertsignal (S, I) in Abhängigkeit vom Über- und Unterschreiten mindestens eines vorgegebbaren Schwellwerts durch eines der Signale, vorzugsweise durch das Sollwert- Signal (S), erfolgt.

2. Druckregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl der Verstärkungen so getroffen ist, daß unterhalb des mindestens einen Schwellwerts die größere Verstärkung und oberhalb des Schwellwerts die kleinere Verstärkung wirksam ist.

3. Druckregeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils wirksamen Verstärkungen für Sollwert- und Istwertsignal (S, I) gleich groß sind.

4. Druckregeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vom Einstellbereich des Sollwert-Signals (S) abweichenden Regelbereich des Istwert-Signals (I) die jeweils wirksamen Verstärkungen für Sollwert- und Istwertsignal (S, I) so ausgelegt sind, daß die Bereichsabweichungen kompensiert werden.

5. Druckregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert fest vorgegeben ist.

6. Druckregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert variabel und ferneinstell- oder programmierbar ist.

7. Druckregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektronischen Regler (13) jeweils mindestens zwei Verstärkerstufen (22, 23, 24, 25) mit unterschiedlichen Verstärkungen für das Sollwert-Signal (S) und für das Istwert-Signal (I) vorgeschaltet sind, die jeweils über einen Umschalter (26 bzw. 27) mit dem Regler (13) verbindbar sind, und daß die Umschalter (26, 27) synchron von einem Komparator (28) gesteuert sind, an dessen Eingängen der Schwellwert und eines der Signale, vorzugsweise das Sollwert-Signal (S) liegen.

8. Druckregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Regler (13) einen Differenzverstärker (20) und einen diesem nachgeschalteten Regelverstärker (21) aufweist, der als PID-Regler oder digitaler Mehrpunktregler ausgebildet ist und dessen Ausgangssignal an dem Steuereingang des Druckstellers (11) liegt.