DE3712481A1 - Ventilanordnung mit sicherheitsfunktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung mit Sicherheitsfunktion, mit einem Proportional-Wegeventil für flüssige Medien, wie z.B. Öl, insbesondere zur Steuerung und Regelung großer Volumenströme, mit einem Servoventil zur Vorsteuerung des Wegeventils, einem mit dem Wegeventil gekoppelten Wegaufnehmer, der an eine Steuerelektronik angeschlossen ist, durch welche das Servoventil ansteuerbar ist.

Proportional-Wegeventile werden gewöhnlich über Proportional -Druckventile vorgesteuert. Hier wirkt der proportionale Fluiddruck einseitig auf die stirnseitige Kolbenfläche gegen eine Feder. Die Gleichgewichtsbedingung zwischen Fluiddruck und Federkraft bestimmt das Maß der Auslenkung. Auch die Vorsteuerung der Proportional-Wegeventile mittels Servo-Ventilen im geschlossenen Lageregelkreis ist schon vorgeschlagen worden.

Bei Störungen, z.B. durch Kabelbruch oder Ausfall der Versorgungs­ spannung, kann es jedoch bei diesen Ventilen zu undefinierten Aus­ lenkungen des Ventilkolbens des Wegeventils kommen, wodurch das Be­ dienungspersonal der der durch das Wegeventil betätigten Vorrichtungen gefährdet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung der vorgenannten Art so weiterzubilden, daß das Proportional-Wegeventil bei einer solchen Störung eine neutrale Mittellage einnimmt.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß mit dem Wegeventil ein Freischaltventil gekoppelt ist, durch welches das Wegeventil bei einer Störung in eine neutrale Mittelstellung schaltbar ist.

Vorzugsweise ist hierbei das Freischaltventil auf beiden Seiten des Wege­ ventils an dessen Druckräume oder Steuerräume, über welche die Stirn­ flächen des Ventilkolbens beaufschlagt werden, angeschlossen.

Hierdurch wird erreicht, daß bei einer Störung diese Druckräume durch das Freischaltventil kurzgeschlossen werden.

Vorzugsweise wird das Freischaltventil in der Stellung "Ein" und in der Stellung "Aus" des Wegeventils durch die Steuerelektronik angesteuert und gesperrt, während es bei einer Störung entregt wird und durch eine Feder auf "Durchgang" geschaltet wird.

Vorteilhafterweise wird der Ventilkolben des Wegeventils bei einer Fehl­ schaltung oder Störung durch Federn in seine neutrale Mittelstellung ge­ führt.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch eine Ventilanordnung nach der Erfindung in der Stellung "Aus" zeigt.

Fig. 2 zeigt schematisch die Ventilanordnung nach Fig. 1 in der Stellung "Ein".

Fig. 3 zeigt schematisch die Ventilanordnung nach den Fig. 1 und 2 bei einer Fehlschaltung.

Fig. 4 zeigt schematisch ein Schaltbild der Steuerelektronik für die Ventilanordnung nach den Fig. 1-3.

Fig. 1 zeigt eine Ventilanordnung 10 in schematischer Darstellung, die ein Proportional-Wegeventil 12 aufweist, das über ein Servoventil 14 vorgesteuert ist.

Das Wegeventil 12 hat einen Zulaufanschluß P, einen Tankanschluß T und zwei Verbraucheranschlüsse B und A. Es wird durch Federn 18 in seiner in Fig. 1 dargestellten neutralen Mittellage gehalten.

Das Servoventil 14 wird mittels einer in Fig. 4 dargestellten Steuer­ elektronik über Elektromagneten 20 angesteuert.

Das Wegeventil 12 ist mit einem Wegaufnehmer 26 gekoppelt, dessen Aus­ gang 46 an die Steuerelektronik 44 nach Fig. 4 gelegt ist, wie im einzelnen noch beschrieben wird.

Vom Zulaufanschluß P des Wegeventils 12 zweigt eine Leitung 32 ab zum Servoventil 14, das andererseits über eine Leitung 34 mit dem einen Druckraum bzw. der einen Steuerseite 28 des Wegeventils 12 verbunden ist. Der andere Druckraum bzw. die andere Steuerseite 30 des Wege­ ventils 12 ist über eine Leitung 36 mit dem Servoventil 14 verbunden, das ferner über eine Leitung 38 mit dem Tankanschluß T verbunden ist.

In der in Fig. 1 dargestellten Stellung ist das Servoventil erregt, aber entsprechend der Sollwertvorgabe "Null" steuert es den Ventil­ kolben des Wegeventils 12 in die neutrale Mittelstellung. Die Ver­ bindung von der Leitung 32 zur Leitung 34 sowie die Verbindung von der Leitung 36 zur Leitung 38 ist, wie Fig. 1 zeigt, unter­ brochen.

Das Wegeventil 12 befindet sich damit ebenfalls in der Stellung "Aus", d.h. die Verbindung vom Zulaufanschluß P zum Verbraucher A ist unter­ brochen, und ebenso ist die Verbindung vom Verbraucher B zum Tankan­ schluß T unterbrochen. Mit dem Wegeventil 12 ist nun ein Sicherheits­ ventil oder Freischaltventil 16 gekoppelt, das über eine Leitung 40 an die Leitung 34 und über eine Leitung 42 an die Leitung 38 angeschlossen ist.

Das Freischaltventil 16 wird durch die Steuerelektronik nach Fig. 4 über einen Elektromagneten 22 angesteuert. In der in Fig. 1 dargestellten Position der Ventilanordnung 10 ist das Freischaltventil 16 angesteuert und gegen die Kraft einer Feder 24 in die gesperrte Stellung geschaltet, in der, wie die Figur zeigt, die Verbindung von der Leitung 40 zur Leitung 42 unterbrochen ist.

Fig. 2 zeigt die Stellung "Ein" der Ventilanordnung 10, in der ent­ sprechend der Sollwert-Vorgabe das Servoventil 14 den Kolben des Wegeventils 12 in die entsprechende vorgegebene Lage einsteuert.

Wie Fig. 2 zeigt, ist in dieser Stellung "Ein" der Zulaufanschluß P mit dem Verbraucheranschluß A verbunden, während der Verbraucheran­ schluß B mit dem Tankanschluß T verbunden ist.

Das Freischaltventil 16 ist ebenfalls angesteuert und nach wie vor gesperrt. Fig. 3 zeigt die Ventilanordnung 10 bei einer Störung oder Fehlschaltung.

Eine solche Störung kann, wie oben bereits erwähnt, beispielsweise durch einen Kabelbruch oder den Ausfall der Versorgungsspannung hervorgerufen worden sein.

Eine Störung liegt auch dann vor, wenn der Regelkreis des Wegeventils 12 nicht abgeglichen ist oder der Kolben des Wegeventils 12 innerhalb einer vorgegebenen Zeit nicht richtig positioniert worden ist, d.h. mit anderen Worten, wenn der Istwert der Kolbenstellung innerhalb einer bestimmten vorgebbaren Zeit nicht mit dem Sollwert in Überein­ stimmung gebracht worden ist.

In diesem Fall schaltet, wie noch erläutert wird, die Steuerelektronik 44 nach Fig. 4 das Servoventil 14 und das Freischaltventil 16 ab, d.h. deren Magnete 20 und 26 werden entregt. Die Feder 24 schaltet dann den Ventil­ kolben des Freischaltventils 16, wie in Fig. 3 gezeigt, in die Durch­ gangsstellung, in welcher die Leitungen 40 und 42 miteinander verbunden sind.

Damit sind die Druckräume oder Steuerseiten 28 und 30 des Wegeventils 12 über das Freischaltventil 16 miteinander verbunden und damit kurzge­ schlossen, so daß sich der Druck in den Druckräumen vor den Stirnflächen des Ventilkolbens des Wegeventils ausgleichen kann. Durch die Feder 18 wird dann der Ventilkolben des Wegeventils 12 in die in Fig. 3 gezeigte neutrale Mittellage eingestellt bzw. geschaltet.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild der Steuerelektronik für die Ventilanordnung nach den Fig. 1-3.

Über eine Leitung 48 wird der Sollwert für die Stellung des Ventil­ kolbens des Wegeventils 12 eingegeben, der dann über eine Sollwert- Anpassung 50 an einen Komparator 54 gelegt wird. Der Ausgang 46 des Wegaufnehmers 26 wird über eine Istwert-Anpaßstufe 52 ebenfalls an den Komparator 54 gelegt, in welchem die beiden Werte, wie an sich bekannt, verglichen werden.

Der Ausgang des Komparators 54 wird an einen P-Regler 56 gelegt und dessen Ausgang wird an eine Endstufe 58 gelegt. Der Ausgang der End­ stufe 58 ist das Ansteuersignal für das Servoventil 14, und dieses Signal wird über den in Fig. 4 geschlossenen Schaltkontakt 60 und eine Leitung 76 an die Elektromagnete 20 des Vorsteuerventils 14 gelegt.

Zwischen dem Komparator 54 und dem P-Regler 56 zweigt von der Leitung 48 eine Leitung 64 ab, die zu einem Überwachungsglied 66 führt, in welchem die Differenz zwischen Istwert und Sollwert der Position des Ventil­ kolbens des Wegeventils 12 überwacht wird.

Wenn diese Differenz einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt und länger als eine vorgegebene Zeit ansteht, wird dies als Störung betrachtet und das Überwachungsglied 66 gibt ein Signal an einen Schalter 62, der den Schaltkontakt 60 und einen weiteren Schaltkontakt 68 öffnet.

Die Steuerelektronik 44 ist mit einem Spannungswandler 72 versehen, der die von einer Spannungsquelle über eine Leitung 70 angelegte Spannung von z.B. +24V in eine Spannung von z.B. ±15 V bei einem Strom von z.B. 100 mA umformt.

Diese am Ausgang 80 des Spannungswandlers 72 anliegende Spannung ist die Speisespannung für die Steuerelektronik.

Von der Leitung 70 zweigt jedoch eine Leitung 74 ab, die zum Schaltkontakt 68 führt.Vom Schaltkontakt 68 führt eine Leitung 78 zum Elektromagnet 22 des Freischaltventils 16. Das letztere wird somit mit einer Spannung von +24V angesteuert.

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung arbeitet wie folgt.

In der Stellung der Ventilanordnung nach Fig. 1 sind das Servoventil 14 und das Freischaltventil 16 durch die Steuerelektronik 44 nach Fig. 4 angesteuert, d.h. der Schalter 62 ist geschlossen.

Das Freischaltventil 16 ist gesperrt und das Servoventil 14 positioniert entsprechend der Sollwertvorgabe "Null" den Ventilkolben des Wegeventils 12 in die neutrale Mittelstellung, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Die Ventilanordnung 10 befindet sich somit in Fig. 1 in der Stellung "Aus".

Fig. 2 zeigt die Ventilanordnung in der Stellung "Ein".

Der Schalter 62 der Steuerelektronik nach Fig. 4 ist ebenfalls geschlossen, d.h. beide Schaltkontakte 60 und 68 sind geschlossen, womit das Freischalt­ ventil 16 und das Servoventil 14 auch in dieser Stellung durch die Steuer­ elektronik 44 nach Fig. 4 angesteuert sind.

Das Freischaltventil 16 ist weiterhin gesperrt, wie Fig. 2 zeigt, und das Servoventil 14 steuert den Ventilkolben des Wegeventils 12 in die durch den Sollwert vorgegebene Position. Das Servoventil 14 sebst wird, wie bereits ausgeführt, durch die Steuerelektronik 44 über deren Ausgangs­ leitung 76, die an die Elektromagnete 20 des Servoventils 14 angeschlossen ist, angesteuert.

Der Schalter 62 und seine Schaltkontakte 60 und 68 bleiben somit sowohl in der Stellung "Aus" nach Fig. 1, als auch in der Stellung "Ein" nach Fig. 2 geschlossen.

Wenn nun, wie bereits ausgeführt, die Differenz zwischen Istwert und Sollwert der Stellung des Kolbens des Wegeventils 12 einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt und/oder länger als eine vorgegebene Zeit ansteht, so gibt das Überwachungsglied 66 ein entsprechendes Signal an den Schalter 62. Der Schalter 62 schaltet um und öffnet die Schaltkontakte 60 und 68, wodurch die Stromzuführung zum Freischaltventil 16 und zum Servoventil 14 unter­ brochen wird.

Da nunmehr das Freischaltventil 16 entregt ist, wird sein Kolben durch die Feder 24 in die in Fig. 3 gezeigte Durchgangsstellung umgeschaltet, in der die Leitungen 40 und 42 miteinander verbunden sind.

Über die Leitungen 34 und 36 sowie die Leitungen 40, 42 und das Frei­ schaltventil 16 sind damit die Druckräume bzw. Steuerseiten 28 und 30 des Wegeventils 12 miteinander verbunden und kurzgeschlossen. Die Drücke in diesen Druckräumen auf den Steuerseiten 28 und 30 des Wegeventils 12 können sich damit über das Freischaltventil 16 ausgleichen.

Durch die Federn 18 wird daraufhin der Ventilkolben des Wegeventils 12 in die in Fig. 3 gezeigte neutrale oder sichere Mittelstellung ver­ schoben bzw. geschaltet, in welcher die Verbindung von P nach A und die Verbindung von B nach T unterbrochen ist und damit Gefahren für das Bedienungspersonal der Vorrichtungen A und B vermieden werden.

Dieselbe Folge tritt auch bei anderen Störungen, z.B. bei einem Kabel­ bruch oder bei einem Ausfall der Versorgungsspannung ein.

Claims (5)

1. Ventilanordnung mit Sicherheitsfunktion, mit einem Proportional- Wegeventil für flüssige Medien, wie z.B. Öl, insbesondere zur Steuerung und Regelung großer Volumenströme, mit einem Servo­ ventil zur Vorsteuerung des Wegeventils und einem mit dem Wege­ ventil gekoppelten Wegaufnehmer, der an eine Steuerelektronik angeschlossen ist, durch die das Servoventil ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Wegeventil (12) ein Frei­ schaltventil (16) gekoppelt ist, durch welches das Wegeventil (12) bei einer Störung oder Fehlschaltung in eine neutrale Mittel­ stellung schaltbar ist.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Freischaltventil (16) auf beiden Steuerseiten (28, 30) des Wegeventils (12) an dessen Druckräume angeschlossen ist.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Freischaltventil (16) in der Ein-Stellung und in der Aus-Stellung des Wegeventils (12) durch die Steuerelektronik (44) angesteuert und gesperrt ist, während es bei einer Störung oder Fehlschaltung entregt wird und durch eine Feder (24) auf Durch­ gang schaltbar ist.

4. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben des Wegeventils (12) bei einer Störung oder Fehlschaltung durch Federn (18) in seine neutrale Mittelstellung schaltbar ist.

5. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Freischaltventil (16) über Leitungen (40, 42) an Leitungen (34, 36) angeschlossen ist, die von den Steuerseiten (28, 30) des Wegeventils (12) zum Steuerventil (14) führen.