DE3838353A1 - Elektrischer verstaerker zum ansteuern von ventilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Verstärker zum An­ steuern von fluidtechnischen Ventilen gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Zum Ansteuern von Ventilen, insbesondere Proportional­ ventilen dienen Verstärker bzw. Regelverstärker, die aus einzelnen Komponenten aufgebaut werden. Die Ströme zum Erregen der Magnetwicklungen werden durch eine Endstufe gesteuert, die von einem Netzteil versorgt wird. Ferner werden dem Verstärker Sollwerte zur Einstellung bestimmter Größen, wie Ventilkolbenpositionen, Volumen­ ströme oder Drücke zugeführt oder werden im Verstärker an Potentiometern eingestellte Sollwerte über Schalt­ glieder abgerufen. Die Sollwerte für die Kolbenposition des Ventils oder die Höhe des Drucks werden analog gebildet. Ein wesentlicher Bestandteil jedes Verstärkers ist auch die Ansteuerelektronik, die zwischen der Soll­ werteingabe und der Endstufe vorgesehen ist und in der Stellgrößen für die Steuer- bzw. Ausgangskennlinie des Ventils nach ventilspezifischen Regeln, z.B. abhängig von seiner Funktion und Nennweite erzeugt werden. Bei­ spielsweise seien in diesem Zusammenhang direkt betätigte oder vorgesteuerte Proportional-Wegeventile mit und ohne Rückführung, direkt betätigte oder vorgesteuerte Druck­ ventile, wie Druckbegrenzungsventile oder Druckreduzier­ ventile genannt, ferner Stromventile, Servo-Wegeventile oder Servo-Druckventile, die alle von der Funktion des Ventils her einen bestimmten Algorithmus zum Erzeugen der Stellgröße des Verstärkers erfordern, nämlich eine vorbestimmte Abhängigkeit zwischen Sollwertvorgabe und Ausgangsstrom der Endstufe. Zusätzlich muß die Nenngröße des Ventils und damit auch der Hub sowie die Geometrie des Ventilkolbens berücksichtigt werden.

Die Ansteuerelektronik und damit der Verstärker ist deshalb ventilspezifisch ausgeführt, so daß für jede Ventiltype bzw. mindestens für jede Ventilfamilie ein eigener Verstärker notwendig ist.

Darüber hinaus kann die Ansteuerelektronik nach dem Stand der Technik weitere Komponenten umfassen, die bei­ spielsweise bei einer sprunghaften Änderung des Sollwerts mit Hilfe von Rampengliedern einen allmählichen Übergang auf den neuen Wert ermöglichen. Ferner können Schaltungs­ komponenten zur Fehlererkennung beispielsweise eines Kabelbruchs vorgesehen sein. Wie erwähnt kann der Ver­ stärker auch als Regelverstärker ausgebildet sein, so daß auch Eingänge für die Rückführung von Istwerten vorgesehen sind. Dabei handelt es sich insbesondere um die Istwerte des in den Magnetspulen fließenden Stroms und/oder auch Rückführungen der Istwerte der Ventilkolbenposition oder von am Ventil auftretenden bzw. vom Ventil ausgehenden Drücken. Auch wird die End­ stufe von einem Pulsbreitensignal angesteuert und liefert einen getakteten Strom, der eine feste oder frei wählbare Frequenz aufweist. Die Aufzählung der einzelnen Kompo­ nenten eines Ventilverstärkers ist nicht erschöpfend. Weitere Einzelheiten finden sich beispielsweise in "Hydraulik- und Elektronikkomponenten für Proportional- und Servo-Systeme" Mannesmann Rexroth RD 29 003/3.88.

Hieraus ist ersichtlich, daß für die auf Trägerplatinen aufgebauten Verstärker unterschiedliche Unterbringungs­ möglichkeiten vorhanden sind. Handelt es sich um einfach aufgebaute Verstärker, für die eine begrenzte Anzahl von Anschlüssen ausreicht und an denen keine weiteren Einstellungen beispielsweise für Sollwertvor­ gaben vorgenommen werden müssen, so kann der Verstärker in einem als Modul bezeichneten Gehäuse untergebracht sein. Bei Verstärkern mit größerem Aufwand, nämlich mit Zugriffsmöglichkeiten zur Einstellung von ventil- und verstärkerspezifischen Parametern, wie Sollwerte, Rampenzeiten usw. werden die Trägerplatinen mit Front- Platten benutzt, die Raum für den Einbau der Schalter, Taster oder Anzeigen bieten, und in Kartenmagazinen montiert werden. Module und Kartenmagazine werden in einem Schaltschrank eingebaut. Es ist aber auch möglich, den Verstärker am Ventil zu integrieren, also unmittel­ bar am Ventilgehäuse oder in einer Ventilzwischenplatte zu befestigen.

Ein erheblicher Nachteil der bekannten Bauweise von Ventilverstärkern liegt darin, daß für die verschiede­ nen Ventiltypen und Nenngrößen eine sehr große Viel­ falt von unterschiedlichen Verstärkern auf Vorrat ge­ halten werden muß, um bei Bedarf für ein bestimmtes Ventil den richtigen Verstärker in der gewünschten Bauausführung zur Verfügung zu haben. Es müssen also für die einzelnen Ventiltypen sowie deren Nenngrößen mehrere Bauausführungen, nämlich für die integrierte Ventilelektronik, die Modulbauweise oder zur Aufnahme in Kartenmagazinen geeignete Verstärker hergestellt und bevorratet werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe liegt des­ halb darin, die geschilderte Typenvielfalt zu ver­ meiden und die Herstellung und Bevorratung zu verein­ fachen.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der grundsätzliche Gedanke der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß die Ansteuerelektronik von einem pro­ grammierbaren Baustein gebildet wird, in dem alle für jeden Ventiltyp erforderlichen Funktionen durchgeführt und die Stellgröße erzeugt wird, und an den ein Festwert­ speicher angeschlossen ist, in den die variablen und konstanten Werte der einzelnen Ventiltypen sowie das ablauffähige Programm abgespeichert werden. Jeder Ver­ stärker besteht somit aus einer Endstufe, dem entspre­ chenden Netzteil für das zugehörige Ventil und aus dem programmierbaren Baustein mit der Schnittstelle und mit dem Festwertspeicher, in dem die verstärker- und ventil­ spezifischen Daten und Programme geladen sind.

Hierunter werden insbesondere die Daten verstanden, die die Funktion des Ventils bestimmen, seine Nenngröße sowie gegebenenfalls Fertigungstoleranzen berücksichtigen, sowie auch unterschiedliche Reglertypen und verschiedene Regler­ verstärkungen. Auch das allgemeine Betriebsprogramm für die Datenverarbeitung im programmierbaren Baustein wird in dem Festwertspeicher abgespeichert. Die im Festwert­ speicher geladenen Daten sind vorzugsweise veränderbar, indem über entsprechende Eingänge, insbesondere digitale Eingänge geänderte Werte eingegeben werden können. Dies kann insbesondere mit Hilfe einer Tastatur erfolgen. Die Daten können auch einer Anzeige zugeführt werden. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn beispielsweise anfäng­ lich gespeicherte Daten zum Zwecke der Optimierung des Ventilverhaltens von Hand geändert werden und dann die gespeicherten Daten über die Schnittstelle in einen über­ geordneten Rechner übertragen werden, um dort zur Pro­ grammierung entsprechender Ventile zur Verfügung zu stehen. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist somit ein bidirektionaler Datenaustausch vorgesehen.

In einer bestimmten Ausführungsform kann die Endstufe mit dem Netzteil auf einer Trägerplatine angeordnet sein, auf die der programmierbare Baustein mit dem Festwert­ speicher als sogenannte Tochter-Platine aufgelötet oder aufgesteckt wird. Diese Tochter-Platine ist für alle Ventiltypen gleich. Für die Endstufen sind noch einige unterschiedliche Ausführungen erforderlich, da schon entsprechend der Ventilgröße unterschiedliche Ausgangs­ stromstärken benötigt werden, doch wird insgesamt erfin­ dungsgemäß mit der Verwendung des programmierbaren Bau­ steins und des Festwertspeichers in Verbindung mit den nicht programmierbaren Bauteilen wie der Endstufe und dem Netzteil eine erhebliche Vereinfachung in der Lager­ haltung sowie auch bei der Herstellung erzielt.

So stellt es einen wesentlichen Vorteil dar, daß bei der Herstellung der Trägerplatine auf die einzelnen Ventiltypen keine Rücksicht genommen werden muß. Viel­ mehr werden sich vollständig gleichende Platinen ge­ fertigt, die sich untereinander nur durch die Ausführung der Endstufe unterscheiden. In der Regel wird man mit zwei oder drei unterschiedlichen Endstufen und damit Trägerplatinen auskommen, so daß sich die Fertigung und Lagerhaltung stark vereinfacht. Wird nun für eine bestimmte Ventiltype der zugehörige Verstärker gewünscht, so wird der Verstärker über die Schnittstelle an einen externen Rechner angeschlossen, von dem die gesamte Software, also die verstärker- und ventilspezifischen Daten und das Pro­ gramm in den Baustein und damit auch in den Festwert­ speicher geladen wird. Damit ist der Verstärker für eine bestimmte Ventiltype und Kenngröße programmiert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Über die Schnittstelle ist auch zwischen dem Verstärker und einem externen Rechner ein bidirektionaler Datentransfer möglich. So bietet sich der Einsatz einer zentralen Steuerung oder Regelung für die Prozeßlenkung an. Zur Optimierung des Prozesses kann der externe Rechner die vom Verstärker ge­ sendeten Daten verwenden.

Der programmierbare Baustein weist ferner digitale und analoge Eingänge auf. Die analogen Eingänge für Soll­ werte, sowie Istwert-Rückführungen von Drücken, Ventil­ kolbenpositionen und/oder Stromwerten der Magnetwicklungen werden über einen internen Multiplexer einem Analog­ digitalwandler zugeführt. Über digitale Eingänge können abgespeicherte Sollwerte abgerufen werden und können ferner andere Funktionen durchgeführt werden, beispielsweise können über eine angeschlossene Tastatur Änderungen der abgespeicherten Parameter wie beispielsweise Sollwerte erfolgen.

Von diesen zusätzlichen Funktionen hängt die Bauausführung der Verstärkerkarte ab. Sind nachträgliche Eingriffe nicht erforderlich, wie es bei einem im Ventil bzw. einer Ventilzwischenplatte integrierten Verstärker der Fall ist, so läßt sich die Verstärkerkarte in einem Gehäuse mit wenigen Anschlüssen einbauen. Werden zusätzliche Eingänge benötigt, um extern gesteuerte bestimmte Funktionen des Ventils durchzuführen, so wird die Verstärkerkarte in einem Modulgehäuse eingebaut. Sind schließlich weitere Eingänge erwünscht, so wie der Anschluß einer Tastatur und einer entsprechenden Anzeige zur Parameteränderung, so wird eine Trägerplatine mit einer Frontplatte vorge­ sehen, die mit der Tastatur und der Anzeige bestückt wird.

Erfindungswesentlich ist auch die Zuordnung einer be­ stimmten Verstärkerkarte zu einer bestimmten Ventiltype. Um dies sicherzustellen, ist eine Ventilkennung vorge­ sehen, d.h. bei der Zuordnung der Verstärkerkarte zu dem bestimmten Ventil wird auf die Verstärkerkarte eine Ventilkennung aufgesetzt, in der die zugehörige Ventil­ type binär codiert ist. Zur Kontrolle wird die Ventil­ kennung abgefragt und damit sichergestellt, daß der Speicher nur mit den ventilspezifischen Daten geladen bzw. die Endstufe aktiviert werden kann, wenn die hierzu passende Ventilkennung vorliegt. Die Abfrage erfolgt beim Ausführen der Initialisierungsroutine, wenn der definierte Ausgangszustand des Verstärkers hergestellt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verstärkers, für den Einbau in Ventile oder Zwischenplatten, zur Ansteuerung eines Proportionalmagnetventils,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Verstärker Eurokarte zur Ansteuerung eines Ventils und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Verstärkerkarte.

In Fig. 1 ist ein Verstärker für ein Ventil 1 auf einer Trägerplatine 2 aufgebaut. Die Trägerplatine 2 ist mit einer Endstufe 4 und einem Netzteil 5 bestückt. Außerdem trägt sie eine Tochter-Platine 3, auf der ein programmier­ barer Baustein 6 und ein Festwertspeicher 7 angeordnet sind.

Die Trägerplatine 2 weist ferner Eingänge für Stellwerte und Istwerte, sowie Anschlüsse für die Spannungsversorgung des Netzteils 5 und zum Anschluß des Ventils 1 an die Endstufe 4 und Schnittstelle zum Datenaustausch mit einem Rechner auf.

Für alle Ventiltypen sind derartige einander gleichende Trägerplatinen vorgesehen. Sie unterscheiden sich im wesentlichen nur durch die verschiedenen Endstufen 4. Durch eine entsprechende Einschränkung auf wenige Aus­ führungen, heispielsweise auf Endstufen mit zwei unter­ schiedlichen Ausgangsstromstärken ist lediglich die Bevor­ ratung mit wenigen unterschiedlichen Grundkarten erforder­ lich. In Fig. 1 soll der Verstärker ein Proportional-Wege­ ventil mit direkter Betätigung und einer bestimmten Nenngröße ansteuern. Das hierzu erforderliche Programm wird vom Rechner über die Schnittstelle in den Festwert­ speicher mit Hilfe des programmierbaren Bausteins 6 ein­ gegeben. Damit ist der Verstärker für das Ventil 1 pro­ grammiert und nach dem Test der hardwaremäßigen Ventil­ kennung arbeitsbereit.

In Fig. 2 ist beispielhaft die Verstärkerausführung dargestellt, mit der über eine Tastatur und Anzeige Daten abgerufen, geändert und angezeigt werden können. Dies kann interaktiv ohne Stillsetzen des Verstärkers erfolgen. Sollen Programmänderungen vorgenommen werden, so wird der Verstärker über das Tastenfeld 9 und die Anzeige 10 programmiert. Über die Tastatur können be­ stimmte Werte im Speicher geändert werden. Die Tastatur 9 und die Anzeige 10 werden zweckmäßig auf einer Frontplatte untergebracht, wie das in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 3 sind die Komponenten des Verstärkers darge­ stellt. Der programmierbare Baustein besteht aus einem Multiplexer 11 zur Eingabe von analogen Daten, die im Multiplexer 11 zyklisch abgefragt werden und über einen Analog/Digital-Wandler 12 in den Datenbus 15 gegeben werden. Ferner sind digitale Eingänge 16 für den Daten­ bus 15 vorgesehen. Der programmierbare Baustein umfaßt ferner einen Mikroprozessor 17, auch zum Durchführen von arithmetischen Operationen, einen Arbeitsspeicher 18 und eine Schnittstelle 13 für den seriellen Transfer von Daten zum und vom Rechner 14. Die über die Schnittstelle 13 eingegebenen Daten für die Programmierung des Verstär­ kers werden in einem Festwertspeicher 7 abgespeichert.

In Betrieb werden die gewünschten Sollwerte sowie die zurückgeführten Istwerte dem programmierbaren Baustein 6 zugeführt, von dem die zugehörigen Werte zum Ansteuern der Endstufe aus dem Festwertspeicher abgerufen und ver­ arbeitet werden. Das digitale Ausgangssignal wird in einem Digital/Analog-Wandler 19 in ein analoges Ansteuer­ signal für die Endstufe 4 umgewandelt. Die Spannungsver­ sorgung der gesamten Elektronik und der Endstufe erfolgt über das Netzteil 5. Ferner kann die Ansteuerung auch in Betrieb von einem übergeordneten Rechner erfolgen, dem zur Optimierung der Prozeßsteuerung die im Verstärker erzeugten Daten zugeführt werden.

Über den Multiplexer 11 erfolgt der Anschluß an die analoge Meßwerterfassung, insbesondere an die analoge Meßwerter­ fassung verschiedener Istwerte, wie Drücke, Kolbenposi­ tionen des Ventils und/oder der Istwerte des Magnetstroms, sowie an eine externe Rampenzeitänderung. Auch erfolgt über den Multiplexer der Anschluß des Verstärkers an eine analoge Sollwertvorgabe.

Über die digitalen Eingänge "Sollwertabrufe" lassen sich im Festwertspeicher 7 abgespeicherte Sollwerte aktivieren. Durch eine entsprechende Codierung der Sollwertabrufe können beispielsweise mit vier Abrufen insgesamt 15 Soll­ werte aus dem Speicher geholt werden. Jedem Sollwert ist mindestens eine bestimmte Rampenzeit zugehörig, während der die Änderung des Sollwerts erfolgt. Die zugehörigen Rampenzeiten sind ebenfalls in dem Speicher abgespeichert.

Über den Eingang "Rampe aus" kann die Rampenzeit minimiert werden und der Sollwert wird mit einer miminalen, system­ bedingten Verzögerung als Stellwert weitergegeben.

Über die Eingänge "Tippbetrieb" ist die Ansteuerung des Ventils mit Hilfe von Tastern möglich, die an unterschied­ lichen Orten der Anlage betätigt werden können, um das Ventil stufenlos in Richtung Öffnen oder Schließen zu verstellen.

Sind in einer Anlage mehrere gleiche Ventile und zuge­ hörige Verstärker vorgesehen, so kann über die Eingänge "Ventiladresse" das zu betätigende Ventil ausgewählt werden, wenn dieser Eingang mit einem Signal belegt wird, während die Sollwerte für die anderen Ventile da­ durch nicht verändert werden.

Auf Grund der hohen Prozeßdatenkonzentration im Ver­ stärker ist es möglich, nach einer geeigneten Datenaus­ wertung gewisse Fehler zu erkennen und anzuzeigen und den Stellwert in einen sicheren Zustand zu bringen. Die Fehlermeldung erfolgt ebenfalls über einen digitalen Eingang. Nach der Fehlerbehandlung bzw. Fehlerbehebung ist dem Verstärker durch ein "Freigabesignal" mitzuteilen, daß die Ansteuerung des Ventils wieder aufgenommen werden kann.

Weitere digitale Eingänge sind an eine Ventilkennung 8 angeschlossen, in der die zu dem Verstärker gehörende Ventiltype beispielsweise in Form von Lötbrücken binär codiert ist. Beim Einspeichern der Software in den Speicher 7 wird durch Abfragen der Ventilkennung 8 sicher­ gestellt, daß nur die für die betreffende Ventiltype passende Software geladen werden kann.

Schließlich erfolgt auch der Anschluß der Tastatur 9 an die digitalen Eingänge 16. Die Tastatur weist Tasten zum Inkrementieren, Dekrementieren, zur Programmauswahl und Selektion auf.

Claims (15)

1. Elektrischer Verstärker zum Ansteuern von fluid­ technischen Ventilen, bestehend aus einer dem Ventil zugeordneten Trägerplatine, auf der mindestens eine End­ stufe, ein Netzteil, eine Ansteuerelektronik, in der ventilspezifische Stellgrößen für eine vorbestimmte Steuer- bzw. Ausgangskennlinie des Ventils erzeugt werden, auf der ferner Eingänge für die Sollwertvorgabe der Ansteuerelektronik sowie Ausgänge zur Endstufe angeordnet sind, wobei die Ansteuerelektronik bzw. die Trägerplatine mit einer Auswahl mindestens folgender Komponenten bzw. Funktionen ergänzbar ist, nämlich mindestens einem Regler mit Eingängen für mindestens einen Istwert, einem Rampen­ bildner zur Änderung von Sollwerten, Eingängen zur Soll­ wertaktivierung, Ausgängen zur Anzeige und Schaltungen zur Fehlererkennung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik einen Festwertspeicher (7) und einen programmierbaren Baustein (6) aufweist, der aus mindestens einem Mikroprozessor mit Arbeitsspeicher, analogen und digitalen Ein- und Ausgängen nebst entspre­ chenden Wandlern besteht, mit dem über eine Schnittstelle (13) mit Hilfe des Mikroprozessors das allgemeine Betriebs­ programm, das ventilspezifische Programm sowie die zuge­ hörigen Daten in den Festwertspeicher (7) abgespeichert werden.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gespeicherten Daten über digitale Eingänge des programmierbaren Bausteins (6) ver­ änderbar sind.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß über die Schnittstelle (13) das allgemeine Betriebsprogramm, das ventilspezifische Programm sowie die zugehörigen Daten bidirektional aus­ tauschbar sind.

4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einstellbare Sollwerte für das Ventil und Betriebsparameter in dem Festwertspeicher (7) speicherbar und abrufbar sind.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Trägerplatine (2) eine Ventilkennung (8) vorgesehen ist, die für einen vorbestimmten Ventiltyp binär codiert ist und zur Kontrolle abgefragt wird, wobei der programmierbare Baustein (6) digitale Eingänge (16) zum Einlesen der Ventilkennung (8) aufweist.

6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Baustein (6) minde­ stens einen Eingang aufweist, über den die im Festwert­ speicher (7) abgespeicherten Sollwerte abrufbar und änder­ bar sind.

7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Baustein (6) minde­ stens einen Eingang aufweist, über den im Störungsfall ein "Aus-Signal" eingegeben wird, durch das der Stellwert für das Ventil programmgesteuert in einen definierten Zustand gebracht wird.

8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Baustein (6) minde­ stens zwei Eingänge für einen Tippbetrieb aufweist, über den der Stellwert für das Ventil stetig veränderbar ist.

9. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Baustein (6) Ein­ gänge für eine Tastatur (9) aufweist.

10. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Baustein (6) einen Multiplexer (11) für analoge Signaleingänge von Sollwerten und Istwerten aufweist.

11. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil über die Schnittstelle (13) von einem externen Rechner ansteuerbar ist.

12. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die im Festwertspeicher (7) abgespeicherten Werte über die Schnittstelle auslesbar und änderbar sind.

13. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatine (2) mit einer Erweiterungsplatine, die den programmierbaren Bau­ stein (6) und den Festwertspeicher (7) trägt, versehen ist.

14. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatine (2) wahlweise an einem Ventil oder einer Ventilzwischenplatte angebaut, in ein Gehäuse eingebaut oder mit einer Front­ platte zur Aufnahme von Bedienungs- und Anzeigeelementen versehen ist.

15. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß spezifische Werte eines Ventils im Festwertspeicher abspeicherbar sind.