DE3726885C2 - Stellgerät - Google Patents

Description

In verfahrenstechnischen Anlagen werden Stellgeräte, bestehend aus je einem Stellantrieb, z. B. einem Getriebe­ motor, und einem Stellglied, z. B. einem Ventil oder Schieber, ein­ gesetzt. Im Betrieb benötigt der Stellantrieb Informati­ onen über die Endlagen des Stellweges, d. h. die Anschläge des Stellgliedes. Diese Informationen sind notwendig, da­ mit bei Erreichen der Endlagen der Stellantrieb auto­ matisch abgeschaltet werden kann. Das Erreichen der End­ lagen wird im allgemeinen von Weg-Endschaltern gemeldet. Da nach dem Einbau von Stellglied und Antrieb in eine Anlage die absolute Lage der Anschläge bzw. die Endlage, bezogen auf die momentane Stellung des Antriebes, nicht bekannt ist, muß bei der erstmaligen Inbetriebnahme diese fehlende Information dem Stellantrieb bereitgestellt werden. Hierzu wird der Antrieb von Hand in die Endlage gefahren und der jeweilige Weg-Endschalter so lange justiert, bis er exakt in dem Augenblick anspricht, in dem das Stellglied den Anschlag, das ist die Endlage des Stell­ weges, erreicht.

Aus der Zeitschrift "Elektronik", Heft 6, 1987, Seite 185, ist ein Stellantrieb mit einem Inkremental-Winkelgeber und einem Lageregler bekannt. Eine Einrichtung zum Erkennen der Endlagen eines Stellgliedes ist nicht angegeben.

In der Druckschrift "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 26, No. 4, Sept. 1983, Seiten 1818 bis 1821, ist ein Verfahren zum Kalibrieren von Stellantrieben beschrieben, bei dem der Stellantrieb zunächst in die Nähe einer End­ lage und dann in kleinen Schritten in Richtung der Endlage bewegt wird, wobei nach jedem Schritt eine so lange Pause eingelegt wird, daß er sich auf die neue Position voll­ ständig einregeln kann und sich nicht mehr bewegt. Nach jedem Schritt werden Soll- und Istwert erfaßt und mit­ einander verglichen, indem die Regelabweichung in ein Diagramm eingetragen wird. Diese steigt stark an, wenn die Endlage erreicht ist. Mit einer aufwendigen Rechnung wird daraus die Endlage und der zugehörige Sollwert bestimmt. Dieses Verfahren wird für beide Endlagen durchgeführt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stellgerät zu schaffen, mit dem die Endlagen von Stellgliedern einfach und ohne Einjustieren von Endlagen- Schaltern ermittelt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in den Merkmalen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Positionsgeber kann ein Potentiometer oder ein Zähler sein, der die Impulse eines mit dem Stellgerät verbundenen Drehpulsgebers, je nach Drehrichtung, addiert oder subtra­ hiert. Zum Feststellen des Stillstandes des Stellgerätes wird die zeitliche Änderung des Ausgangswertes des Posi­ tionsgebers ermittelt. Ist diese Änderung Null, wird Stillstand gemeldet.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden die Erfindung und weitere Ausgestaltungen näher beschrieben und erläutert.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer Anordnung zur Durch­ führung des neuen Verfahrens dargestellt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den prinzipiellen Aufbau eines für das neue Verfahren geeigneten Drehpulsgebers.

In Fig. 1 ist mit VT ein Ventil bezeichnet, das in eine Leitung L geschaltet ist. Die Stellachse des Ventils VT ist mit der Abtriebsachse eines Stellantriebes STA verbunden. Ein Um­ schalter US, der von einer Steuereinheit SL betätigt wird, schaltet in einer ersten Stellung eine Betriebsspannung UB auf einen ersten Eingang Z des Stellantriebes STA. In diesem Falle wird das Ventil VT geschlossen. Schaltet der Umschalter US die Betriebsspannung U_B auf einen zweiten Eingang A, wird das Ven­ til VT geöffnet. In einer dritten Stellung des Umschalters US ist der Stellantrieb STA von der Betriebsspannung U_B getrennt; das Ventil VT wird nicht verstellt.

Auf der Verbindungsachse zwischen dem Stellantrieb STA und dem Ventil VT sitzt ein Drehpulsgeber DPG, an den zwei Eingänge T, VR eines Zweirichtungszählers VRZ angeschlossen sind. Dem Ein­ gang T werden Impulse zugeführt, deren Frequenz zur Drehzahl der Achse proportional ist bzw. die jeweils einer Drehung der Stellachse oder, da die Stellachse und die Achse des betreffenden Motors starr miteinander gekoppelt sind, der Motorachse um einen bestimmten Winkel entsprechen. Anstatt den Drehpulsgeber an die Stellachse anzuschließen, kann man ihn auch im Stellantrieb anordnen, und zwar vor oder nach einem in der Regel vorhandenen Untersetzungsgetriebe. Der Anschluß direkt an den Motor bringt im Falle eines Untersetzungsgetriebes den Vorteil einer größe­ ren Auflösung. Das Signal am Eingang VR des Zählers VRZ zeigt die Drehrichtung an und schaltet den Zähler je nach Drehrich­ tung auf Vorwärts- oder Rückwärtszählung. Der Zählerstand wird über einen Ausgang Y der Steuereinheit SL zugeführt, welche die zeitliche Änderung des Zählerstandes erfaßt und durch Differenz­ bildung die Drehgeschwindigkeit der Abtriebsachse des Steuer­ antriebs STA bzw. der Stellachse ermittelt.

Vor der ersten Inbetriebnahme befindet sich das Ventil VT in einer beliebigen Stellung, so daß eine definierte Zuordnung zwischen Zählerstand und Ventilstellung nicht besteht. Zum Her­ stellen dieser Zuordnung bringt die Steuereinheit SL den Um­ schalter US zunächst in die mittlere Stellung, in der das Ventil VT geöffnet wird. Dieses dreht sich so lange, bis es voll aufgesteuert ist und den einen Endanschlag erreicht. Stellt daher die Steuereinheit SL bei angesteuertem Antrieb fest, daß der Stand des Zählers VRZ sich nicht mehr ändert, wird dies als Erreichen der einen Endlage interpretiert. Der Zähler VRZ wird darauf mit einem Impuls auf seinen Maximalwert gesetzt und der Umschalter US in die untere Stellung gebracht, in welcher das Ventil geschlossen wird. Auch hier gilt die Endlage als erreicht, wenn sich der Zählerstand nicht mehr ändert. Die Steuereinheit SL berechnet aus dem dann erreichten Zählerstand und dem Maximalwert die Zählerstanddifferenz, die der Länge des Stellweges entspricht, und normiert diese auf 100%. Der Zähler VRZ wird mit einem Impuls auf den Eingang R auf Null zurückgesetzt. Damit ist die Zuordnung zwischen Stell­ weg und Zählerstand hergestellt, und das Stellgerät ist für den Betrieb vorbereitet.

Anstatt das Ventil zunächst zum Ermitteln der einen Endlage aufzusteuern, kann es auch geschlossen werden, indem der Um­ schalter US zunächst in die untere Stellung gebracht wird, in welcher die Betriebsspannung U_B dem Eingang Z des Stellantrie­ bes STA zugeführt ist. Stellt die Steuereinheit SL dann fest, daß sich der Zählerstand nicht mehr ändert, wird angenommen, daß das Ventil zu ist, und der Zähler VRZ wird auf Null zurück­ gesetzt. Danach wird die Drehrichtung des Stellantriebs STA durch Einstellen des Umschalters US in die mittlere Stellung umgekehrt, bis die Steuereinheit abermals Stillstand der Ab­ triebsachse des Stellantriebes STA feststellt. Der erreichte Zählerstand entspricht dem gesamten Stellweg und wird auf 100% normiert. Danach ist das Stellgerät betriebsbereit.

Während des Betriebes überwacht die Steuereinheit SL ständig, ob eine der Stellungen 0% oder 100% erreicht wird. Ist dies der Fall, wird der Schalter US in die obere Stellung gebracht und der Stellantrieb abgeschaltet. In manchen Fällen ist eine Verschiebung einer Endlage möglich, z. B. durch eine Ausweitung des Ventilsitzes. Dies kann jedoch bewirken, daß das Ventil nicht mehr dicht geschlossen wird, wenn das Ventil auf 0% gesteuert wird. Es ist in solchen Fällen vorteilhaft, während des Betriebes die Endlagen in der oben beschriebenen Weise zu korrigieren. Es kann selbstverständlich auch so vorgegangen werden, daß der Antrieb das Ventil zusteuert, bis der Anschlag erreicht ist und die Steuereinheit SL Stillstand feststellt.

Der Drehpulsgeber nach Fig. 2 weist eine Magnetscheibe MS auf, die mit der Motorachse des Stellantriebes verbunden ist. Sie enthält vier Magnetpole, die, wenn der Motor sich dreht, an zwei Hallsonden HS1, HS2 vorbeigeführt werden, die bezüglich der Magnetscheibe um 45° gegeneinander versetzt sind. Zweck­ mäßig sind die Hallsonden in dem Luftspalt zwischen Magnet­ scheibe und Motor angeordnet, da das Motorgehäuse als Rück­ schluß für das Magnetfeld wirkt. Der Luftspalt sollte mög­ lichst klein sein. Sind die Hallsonden über der Magnetscheibe angeordnet, ist ein gesondertes Rückschlußblech vorzusehen, so daß die Hallsonden in einem Luftspalt liegen. Die von den Hall­ sonden erzeugten Impulse werden einer Auswerteschaltung AWS zu­ geführt. Diese bildet daraus die Impulsfolge, die dem Eingang T des Zweirichtungszählers VRZ (Fig. 1) zugeführt wird und von der jeder Impuls einer Drehung des Motors um 45° entspricht. Die Auswerteschaltung erzeugt ferner das die Drehrichtung an­ gebende Signal, das dem Eingang VR des Zweirichtungszählers zugeführt ist.

In Fig. 3 ist mit MO der Antriebsmotor bezeichnet, mit dessen Welle ein Getriebe GT verbunden ist. An dessen Abtriebswelle ist das Stellglied angeschlossen. Die Magnetscheibe MS sitzt auf dem dem Getriebe GT abgewandten Ende der Motorwelle. Da­ durch wird eine höhere Auflösung erzielt, als wenn der Dreh­ pulsgeber mit der Abtriebswelle des Untersetzungsgetriebes GT verbunden wäre.

Claims (7)

1. Stellgerät mit einem Stellantrieb (STA), einem Endlagen aufweisenden Stellglied (VT), einem Positionsgeber (DPG, VRZ), der ein der jeweiligen Position des Stellgliedes (VT) entsprechendes Signal abgibt, und mit einer Steuer­ einheit (SL), die zum Einstellen des Stellgerätes das Stellglied in beide Richtungen bis in die Endlagen ver­ stellt und aus den Signalen des Positionsgebers die End­ lagen erkennt, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuereinheit (SL) beim Verstellen des Stellgliedes (VT) die zeitlichen Änderungen der Ausgangs­ signale des Positionsgebers (DPG, VRZ) ermittelt und, wenn die zeitliche Änderung Null ist, Stillstand des Stell­ gliedes (VT, VRZ) erkennt und das dabei auftretende Aus­ gangssignal des Positionsgebers als Endlagensignal aus­ wertet.

2. Stellgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Positionsgeber ein mit dem Stellglied gekoppeltes Potentiometer ist und daß die Steuereinheit die zeitliche Änderung der Spannung am Potentiometerabgriff ermittelt.

3. Stellgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit der Achse des Stell­ gliedes (VT) ein Drehpulsgeber (DPG) verbunden ist, dessen Ausgangsimpulse einem Zweirichtungszähler (VRZ) zugeführt werden, dessen Zählrichtung durch die Drehrichtung der Stellgliedachse bestimmt ist.

4. Stellgerät nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zähler (VRZ) bei Erreichen einer Endlagenstellung auf Null oder den maximalen Zählwert eingestellt wird.

5. Stellgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpulsgeber (DPG) eine Magnetscheibe (MS) mit mindestens zwei Magnetpolen (N, S) mit gleichen Winkelabständen bezüglich der Drehachse und ein Paar Hallsonden (HS1, HS2) enthält, die bezüglich der Magnetscheibe (MS) ortsfest im Bereich des Magnetfeldes der Magnetscheibe (MS) angeordnet sind und dessen Winkel­ abstand gleich dem halben Winkelabstand der Magnetpole (N, S) ist.

6. Stellgerät nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit dem einen Wellenende des Antriebsmotors (MO) ein Getriebe (GT) verbunden ist und auf dem anderen Ende die Magnetscheibe (MS) sitzt.

7. Stellgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallsonden (HS1, HS2) zwischen Motor (MO) und Magnetscheibe (MS) angeordnet sind.