DE2200203A1

DE2200203A1 - Prozessregeleinrichtung

Info

Publication number: DE2200203A1
Application number: DE19722200203
Authority: DE
Inventors: Riester Hubert A; Jan Futamura
Original assignee: Fischer and Porter GmbH
Current assignee: Fischer and Porter GmbH
Priority date: 1971-01-06
Filing date: 1972-01-04
Publication date: 1972-07-27
Also published as: US3688176A

Description

FP 72/1

Anm.: FISCHER & PORTER GMBH₉ 3401 Groß Ellershausen

Prozeßregeleinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Prozeßregeleinrichtung sum Betrieb eines reversiblen elektrischen Stellmotors für ein Stellglied einer Prozeßanlage„

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfache Stellglieder ohne Stellungsrückmelder verwenden zu können, die bei Ausfall der Stromversorgung des Stellmotors in ihrer jeweiligen Stellung verharren.

Die Lösung der Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß durch einen elektronischen Prozeß-Regler mit einem von der veränderlichen Prozeßgröße und einem Sollwert beaufschlagten Differentialverstärker (Hauptverstärker), dessen Ausgang zusammen mit einem Bezugsgrößenerseuger jeweils mit den beiden Eingängen eines Zweikanalvergleiehers verbunden ist, dessen getrennte beide Ausgänge jeweils einzeln abhängig von der Richtung und Größe der Differenz aus Prozeßgröße und Sollwert über elektronische steuerbare Schaltmittel zeitmodulierte Ausgangsimpulse aur Steuerung des Stellmotors abgeben.

Die zu regelnde Prozeßgröße kann eine beliebige physikalische Größes wie Durchflußmenge, Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Viskosität _f Flüssigkeitsstand usw. sein_? die in einem Umformer in eine entsprechende Istwertspannung umgewandelt wird. Beispielsweise kann das Meßsignal eines Durchflußmessers die

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dem Eingang des Prozeß-Reglers zugeführte Prozeßgröße sein, das nach Vergleich mit der Sollwertspannung bezüglich einer dreieckförmigen Bezugsspannung konstanter Frequenz eine Reglerausgangsgröße bildet, die den Stellmotor eines Durchflußregelventils steuert, so daß dieses entsprechend den Befehlen des Prozeß-Reglers öffnet, schließt oder eine Zwischenstellung einnimmt.

Als elektronische steuerbare Schaltmittel im Regelkreis des Stellmotors sind vorzugsweise Triacs vorgesehen. Solange die Prozeßgröße unter dem Sollwert bleibt, liefert die erste Kanalstufe des Zweikanalvergleichers Rechteckimpulse, deren Anzahl von der Bezugsspannungsfrequenz und deren Bauer von der Größe der Abweichung der Prozeßgröße vom Sollwert proportional abhängt. Liegt die Prozeßgröße dagegen über dem Sollwert, gibt die zweite Kanalstufe entsprechende Rechteckimpulse ab. Jede Rechteckimpulsfolge steuert einen Triac im Regelkreis des Stellmotors und bewirkt abhängig davon, welcher Triac arbeitet, eine Drehung des Stellmotors in der einen oder anderen Stellrichtung. Das Stellglied wird dadurch nach Richtung und Größe solange verstellt, bis die Prozeßgröße gleich dem Sollwert ist. Sobald dies erreicht ist, treten keine Rechteckimpulsfolgen am Reglerausgang auf.

Je nach der Bemessung der steuerbaren Schaltmittel im Prozeß-Regler können Stellmotoren entsprechender Leistung direkt geschaltet werden.

Bei einer Fernregelung über entsprechend lange Verbindungsleitungen treten aber nachteilige Verluste in diesen auf, die mit zunehmender Motorleistung größer werden und den einwandfreien Betrieb in Frage stellen können.

Es ist daher gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil, die Ausgangsgröße des Prozeß-Reglers klein zu halten und über entsprechend gering dimensionierbare Verbin-

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dungsleitungen einen Stromverstärker zu steuern, der in der Nähe des Stellmotors angeordnet und mit diesem durch, entsprechend stärker dimensionierte kurze Verbindungsleitungen verbunden ist, wobei jedem Schaltmittel im Prozeß-Regler ein entsprechendes steuerbares Schaltmittel im Stromverstärker zugeordnet ist. Somit lassen sich auch starke Stellmotoren für große Stellglieder (z.B. Regelventile von 1/2 bis über 100 cm Durchmesser) einwandfrei mit kleinen Prozeß-Reglern auch über große Entfernungen betreiben.

Ohne Stromverstärker lassen sich so z.B. kleine Wechselstrommotoren für 120 V bis zu 1 A (Spaltpolmotoren, Einphasen-Kondensatormotoren) und mit Stromverstärker größere Wechselstrommotoren von beispielsweise 240 V und mehreren Ampdre Stromaufnahme sowie durch gleichrichtende Dioden im Stromverstärker auch Gleichstrommotoren betreiben. Die Stromverstärker sind vorzugsweise in integrierter Schaltung aufgebaut und enthalten vorzugsweise Haupttriacs größerer Leistung, die direkt im Regelkreis des Stellmotors angeordnet sind. Die Zeitdauer der Zündung der Haupttriacs bestimmt dann die Einschaltdauer des Stellmotors.

Damit unabhängig vom Regelprozeß das Stellglied in eine Endlage gebracht werden kann, ist durch einen Wahlschalter der Stromverstärker vom Prozeß-Regler abschaltbar und an gegenseitig verriegelte Taster anschaltbar, die das Steuern des Stellmotors von Hand in eine gewünschte Position erlauben. Damit die Endlage angezeigt wird, ist der Stellmotor mit einem Endschalter gekoppelt, dessen Kontakte Kontrollampen schalten und den Motorkreis in der jeweiligen Verstellrichtung unterbrechen.

Weitere Einzelheiten sind anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele von Prozeß-Regelsystemen nach der Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen

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Pig. 1 ein solches System als Blockschaltbild,

Fig. 2 schematisch einen Teil eines Regelsystems für einen Gleichstrom-Stellmotor,

Fig. 3 eine vereinfachte Ausführungsform eines Stromverstärkers für einen Einphasen-Kondensator-Einheits-Stellmotor,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform eines Stromverstärkers für einen leistungsstärkeren Stellmotor.

Der Prozeß-Regler 10 enthält einen als Differentialverstärker arbeitenden Hauptverstärker 11, dessen negativem Eingang eine der Prozeßgröße PV analoge Signalspannung von ein bis fünf Volt Gleichspannung aus einem Umformer 15 und dessen positivem Eingang eine Sollwertspannung SP zugeführt wird. Der integrierende elektronische Prozeß-Regler 10 betreibt gemäß Fig. 1 über einen Stromverstärker 19 einen umsteuerbaren elektrischen Stellmotor 12 für ein Stellglied 13, das in Form eines Ventils eine Prozeßanlage 14 beeinflußt.

Die Ausgangsgröße des Hauptverstärkers 11 stellt eine Funktion der Differenz aus Sollwertspannung SP und Prozeßgröße PV bezüglich einer freien Bezugsgröße dar. Der Hauptverstärker 11 registriert also die Abweichung der Prozeßgröße PV von der Sollwertspannung SP. Diese Differenzspannung wird in eine Impulsfolge umgesetzt mit Hilfe zweier Kanalstufen A, B eines Zweikanalvergleichers und eines Sägezahngenerators 16 als Bezugsspannungserzeuger.

Wenn die in der einen Richtung von der Sollwertspannung SP abweichende Prozeßgröße PV eine Regelspannung am Ausgang des Hauptverstärkers 11 erzeugt, wird diese Regelspannung beiden Kanalstufen A, B zusammen mit der dreieckförmigen Bezugsspannung konstanter Frequenz eingespeist, wodurch die Kanalstufe A Rechteokausgangsimpulse erzeugt, deren Anzahl durch die Frequenz der Bezugsspannung bestimmt wird und deren Dauer eine Funktion der Größe dtr Regelspannung 1st· Wenn die

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Prozeßgröße PV von der Sollwertspannung SP in der anderen Richtung abweicht, erzeugt die Kanalstufe B entsprechende Rechteckimpulse. Die Rechteckimpulse der Kanalstufe A werden einem nicht dargestellten Trigger-Oszillator-Kreis zugeführt,' der über einen Transformator 17 mit einem Triac 18 gekoppelt ist, um die Wechselstromversorgung des Stellmotors 12 durch einen Stromverstärker 19 zu regeln und den Stellmotor 12 in der einen Drehrichtung zu "betreiben, bei der das Stellglied 13 beispielsweise öffnet. Die Rechteckimpulse der Kanalstufe B werden in einen ebenfalls nicht dargestellten Trigger-Oszillator-Kreis eingespeist, der über einen Transformator 20 mit einem Triac 21 verbunden ist, um die Wechselspannungsquelle 24 des Stellmotors 12 durch den Stromverstärker 19 zu regeln und den Stellmotor 12 in der entgegengesetzten Drehrichtung zu betreiben, bei der das Stellglied 15 schließt. Die Triacs 18 und 21 des Prozeß-Reglers 10 arbeiten hierbei als elektronische Schaltmittel. Da sie durch zeitmodulierte periodische Rechteckimpulse aus den Kanalstufen A und B gezündet werden, treten an ihnen zeitmodulierte periodische Ausgangssignale OB₁ und OB₂ auf, welche' die Richtung und Größe der Abweichung der Prozeßgröße PT von der Sollwertspannung SP wiedergeben. Wenn beide Größen PV und SP gleich sind, treten keine Ausgangssignale auf.

Die Triacs 18 und 21 haben ein Schaltvermögen von knapp ein Ampdre und sind in der Lage, einen Wechselstrommotor entsprechender Leistung unmittelbar zu regeln.

Die Vergrößerung der Leistungsfähigkeit des Prozeß-Reglers durch Parallelschaltung zusätzlicher Triacs 18 und 21 ist für den Fall, daß ein zu regelnder Stellmotor größerer Leistung vom Prozeß-Regler relativ weit entfernt ist und über entsprechend lange Versorgungsleitungen gespeist werden muß, nachteilig, da entsprechende stromabhängige Verluste in den Versorgungsleitungen auftreten.

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Damit durch einen Prozeß-Regler 10 von verhältnismäßig geringer Leistung nicht nur entsprechend kleine Stellmotoren, sondern auch Stellmotoren größerer Leistung betrieben werden können, ist ein gesonderter Stromverstärker 19 möglichst nahe dem Stellmotor vorgesehen. Der Stromverstärker 19 ist durch eine verhältnismäßig lange Verbindungsleitung BL₁ mit dem Prozeß-Regler 10 und durch eine verhältnismäßig kurze Verbindungsleitung BL₂ mit dem Stellmotor 12 sowie der Vechselspannungsquelle 24 verbunden. Der in Fig. 1 vereinfacht gezeigte Stromverstärker 19 besitzt ein Paar Regelkreise mit für hohe Strombelastung ausgelegten Haupttriacs 22 und 23. Der Stellmotor 12 läuft in der einen oder anderen Drehrichtung, je nachdem ob Haupttriac 22 oder Haupttriac 23 stromdurchlässig gesteuert ist. Die Verbindungsleitungen BLg sind Hochleistungskabel zum verlustfreien Transport hoher Ströme aus der Vechselspannungsquelle 24. Die Ausgangssignale OB^ des Triacs 18 im Prozeß-Regler 10 zünden den Haupttriac 22, während die Ausgangssignale OBp des Triacs 21 den Haupttriac 23 des Stromverstärkers 19 zünden. Der Stellmotor 12 läuft dementsprechend und bestimmt die Stellung des Stellgliedes in der Veise, daß die Prozeßgröße PV mit der Sollwertspannung SP in Übereinstimmung gelangt.

Der Stellmotor 12 wird also mit periodischen Vechselspannungsimpulsen entsprechender Größe beaufschlagt, deren Periodizität durch die Frequenz der dreieckförmigen Bezugsspannung im Prozeß-Regler 10 bestimmt wird. Diese Vechselspannungsimpulse werden in der Gesamtheit als Punktion der Abweichung der Prozeßgröße PV reguliert. Somit variiert die Einschaltdauer des Stellmotors in Form eines Einphasen-Kondensatormotors als eine Funktion dieser Abweichung, d.h. je größer die Abweichung, desto länger sind die Vechselspannungsimpulse.

Zur Regelung eines Gleichstrom-Stellmotors 25 gemäß Pig. 2 kann der gleiche Prozeß-Regler 10 wie bei der Stellung nach Fig. 1 benutzt werden. Dagegen weist die Stromverstärker 26

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zusätzliche Dioden 27 und 28 in den Ausgängen der Haupttriacs

22 "bzw. 23 auf. In dem Kreis des Gleichstrom-Stellmotors 25 ist ferner eine Diode 29 enthalten, um die Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 24 gleichzurichten.

In Pig. 3 ist schematisch das Schaltbild einer praktischen Ausführungsform eines Stromverstärkers 19 gemäß Pig. 1 gezeigt. Er enthält Haupttriacs oder Zweiwegthyristoren 22 und

23 zur Regelung eines Einphasen-Kondensator-Stellmotors 12, der über einen Schutzschalter 30 an die Wechselspannungsquelle 24· angeschlossen ist.

Die Ausgangssignale der Triacs 18 und 21 des Prozeß-Reglers 10 werden über lange Zuleitungen BL- Schaltdioden 31 und 32 des Stromverstärkers 19 zugeführt, die ihrerseits die Haupttriacs 22 und 23 zünden. Während des Betriebes fließt bei stromdurchlässig gesteuertem Triac 18 ein entsprechend großer Strom durch die Schaltdiode 31 und durch das Tor des Haupttriacs 22 und bringt ihn in den stromdurchlässigen Zustand. Der ihn durchfließende Strom wird durch die am Haupttriac selbst anliegende Spannung verursacht, so daß der Strom fließen kann, solange der Haupttriac 22 eingasehaltet ist. Auf diese Weise wird ein sicheres Schalten erreicht raid das Tor vor Überlastung geschützt. Eine entsprechende Abhängigkeit besteht zwischen dem Triac 21, der Schaltdiode 32 und dem Haupttriac 23. Die Schaltdioden 31 und 32 arbeiten in beiden Stromrichtungen als Schwellwertglied und bewahren die Haupttriacs 22, 23 vor ungewolltem Einschalten durch Störströme im Torkreis.

Ein Wahlschalter 33 ermöglicht eine wahlweise manuelle oder automatische Regelung. Wenn der Wählschalter 33 auf Stellung "H" steht, kann der Stellmotor 12 durch die Taster 54 und in der einen oder anderen Richtimg betrieben werden«, Weim der Wahlschalter 33 Jedoch auf Stellung ⁿk^m liegt, wird des Stellmotor 12 in Abhäogig&sit το© J??®zefi~Regl@r' 10 feetrlabea«

Stellmotor 12 ist mit einem Endschalter 38 gekuppelt, der Hauptkontakte LM^ und LM, sowie Hilfskontakte LM₂, LM. aufweist. Über die Hilfskontakte LM₀, LM. werden Relais K₁ und K₂ zum Schalten von Kontrollampen 36 und 37 betätigt. Die Kontrollampe 37 wird durch den Kontakt k^ ^ an Spannung gelegt, wenn das Relais K₁ abfällt; die Kontrollampe 37 wird durch den Kontakt k₂₁ an Spannung gelegt, wenn das Relais Kp abfällt. Die Kontakte k.j₂ und k₂₂ schalten bei abgefallenem Relais K-, K₂ den Stromverstärker aus.

Das Relais K₁ wird angezogen, wenn der Stellmotor 12 die Offenstellung seines Stellgliedes erreicht, und das Relais K₂ wird angezogen, wenn der Stellmotor die Schließstellung seines Stellgliedes erreicht. Der Hauptkontakt LM.. (offen) und der Hauptkontakt LM, (geschlossen) sollen den Stellmotor schützen, wenn der Stromverstärker 19 ausfällt. Der Endschalter 38 ist so justiert, daß die Hilfskontakte LM₂ und LM. vor den Hauptkontakten LM^ und LM, öffnen, um die Unterbrechung eines hohen Stromes durch die langsamen mechanischen Kontakte zu vermeiden.

Die Anordnung nach Fig. 3 reicht zur Regelung eines üblichen Einheits-Stellmotors (117 V, 10 A) aus. Für stärkere Stellmotoren (220 V, 25 A) ist der Stromverstärker nach Fig. 4 vorteilhaft.

In Fig. 4 sind zwei Impulstransformatoren 39 und 40 vorgesehen, um den Ausgangskreis des Stromverstärkers 49 von seinem Eingangskreis zu isolieren. Der Ausgangskreis des nicht dargestellten Prozeß-Reglers wird durch eine intermittierende 24 V Gleichspannung erregt, die von einem Brückengleichrichter 41 mit Zenerdiode 42 des Stromverstärkers 49 geliefert wird.

FxIi den Fall eines Stellmotors 12 mit höherer Spannung als de:; : - zugeordneten Prozeß-Reglers 1st es erforderlich, den Stromverstärker-Eingangskreis von seinem Ausgangekreie

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galvanisch, zu trennen und den Eingangskreis mit einer dem Prozeß-Regler entsprechenden niedrigeren Spannung als die Haupttriacs 22, 23 zu betreiben, wozu die Impulstransformatoren 39 und 40 zwischen Eingangs- und Ausgangskreis des Stromverstärkers 49 dienen.

Die an den Triacs im Ausgang des Prozeß-Reglers angelegte Spannung muß nicht dem zugelassenen Maximalwert entsprechen. So kann man schon bei ungefährlichen 20 V kilometerlange Übertragungsentfernung erreichen. Für den Prozeß-Reglerausgangskreis ist keine Wechselspannung nötig, jedoch muß der Strom zum Abschalten der Triacs unter den untersten Haltestrom abfallen. Deshalb ist die Anwendung einer intermittierenden Gleichspannung für diesen Zweck hauptsächlich eine Frage der Schaltungstechnik.

Ein Sperrschwinger 43 bzw. 44 ist im Eingangskreis des Stromverstärkers 49 zwischen dem ersten bzw. zweiten Signalkreis des Prozeß-Reglers und die ausgangsseitig® Schaltdiode 31 bzw. 32 des Haupttriacs 22 bzw. 23 geschaltet. Die Ausgangsimpulse der Sperrschwinger beaufschlagen die Schaltdioden jeweils durch eine Tertiärwicklung der Impul3transformatoren 39 bzw. 40. Damit der Stromverstärker 49 an eine Wechselspannungsquelle 24 von unterschiedlicher Spannung angeschlossen werden kann, ist ein Haupttransformator 45 vorgesehen, der eine bestimmte Wechselspannung für den Brückengleichrichter 41 liefert und hierzu eine Primärwicklung mit Anzapfung enthält. Durch Anklemmen der Wechselspannungsquelle 24 entweder an den Mittel- oder an den Endabgriff der Primärwicklung wird die Spannung auf die benötigte Größe reduziert. Der Vorteil dieser Ausführung ist die isolierte Erregung des Prozeß-Reglers mit ungefährlicher Niederspannung.

Zur Erhöhung der Stromaufnahmefähigkeit des Stromverstärkers können dessen Haupttriacs weitere solcher Eriaos parallel« geschaltet sein.

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Claims

Patentansprüche

Prozeßregeleinrichtung zum Betrieb eines reversiblen elektrischen Stellmotors für ein Stellglied einer Prozeßanlage, gekennzeichnet durch einen elektronischen Prozeß-Regler (10) mit einem von der veränderlichen Prozeßgröße (PV) und einem Sollwert (SP) beaufschlagten Differentialverstärker (Hauptverstärker 11), dessen Ausgang zusammen mit einem Bezugsgrößenerzeuger (16) jeweils mit den beiden Eingängen eines Zweikanalvergleichers (A, B) verbunden ist, dessen getrennte beide Ausgänge jeweils einzeln abhängig von der Richtung und Größe der Differenz aus Prozeßgröße und Sollwert über elektronische steuerbare Schaltmittel (18, 21) zeitmodulierte Ausgangs impulse (OB.,, OBp) zur Steuerung dee Stellmotors (12) abgeben.
2. Prozeßregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen steuerbaren Schaltmittel (18, 21) des Prozeß»-Reglers (10) über Verbindungsleitungen (BL₁) steuerbare elektronische Schaltmittel (22, 23, 31, 32) eines Stromverstärkers (19, 25) steuern, die ihrerseits über Verbindungsleitungen (BL₂) mit dem Stellmotor (12, 25) verbunden sind.
3· Prozeßregeleinriohtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanalstufe (A, B) des Zweikanalvergleichers ein von je einem Trigger-Oszillator-Kreis gesteuerter Triac (18, 21) zur Erzeugung einer lusgangslmpulefolge (OB₁, OB₂) zugeordnet ist und der Stromverstärker (19) für jede Ausgangsimpulsfolge (OB₁, OB₂) einen gesonderten Haupttriao (22, 23) aufweist.
4. Prozeßregeleinrichtung nach Anspruch 3 für einen Gleichstrom-Stellmotor, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jedem Haupttriao (22, 23) eine Diode (27, 28) geschaltet ist.

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5. Prozeßregeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Haupttriac (22, 23) eine von einer Ausgangsimpulsfolge gesteuerte Schaltdiode (31, 32) vorgeschaltet ist.
6. Prozeßregeleinrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Haupttriac (22, 23) ein von einer Ausgangsimpulsfolge gesteuerter Sperrschwinger (43, 44) vorgeordnet ist und jeder Sperrschwinger transformatorisch (39, 40) mit seinem nachgeordneten Ausgangskreis (31, 22, 32, 23) des Stromverstärkers (49) gekoppelt ist.
7. Prozeßregeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (OB-) durch einen Wahlschalter (33) vom Prozeß-Regler (10) auf zwei gegeneinander verriegelte Taster (33, 34) zum Handsteuern des Stellmotors (12) umschaltbar ist.
8. Prozeßregeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet_s daß eier Stellmotor (12) mit einem Endschalter (38) gekoppelt Isi_s dessen Hauptkontakte (LM.J, LM.,) im Motorstromkreis liegen vm& dessen Hilfskontakte (LM₂, LSL) bei Endlage des Stellgliedes (13) jeweils ein Relais (K₁, K₂) im Stromkreis einer Wechselspannungsquelle (24) für den Stellmotor (12) entregen, die über Ruhekontakte (k-,^, kg..) Kontrollampen (36? 37) einschalten und über Ruhekontakte (k-i?» ^22^ ^^en ^3-¹¹S³¹¹S⁸-kreis des Stromverstärkers (19, 49) vom Proseß-Regler (10) trennen.