DE4105062A1 - Elektropneumatischer stellungsregler mit pulsbreitenansteuerung - Google Patents

Description

2. Beschreibung 2.1 Einleitung

Bei den gegenwärtigen Stellungsreglern wird die Hubregelung mit Gleichstrom über eine mechanische Rückführung mit Kurvenscheibe realisiert (1). Die elektrisch-pneumatische Schnittstelle bildet ein Tauchspulengeber mit Düse-Prallplatte-System. Der analoge Steuerstrom in der Tauchspule verändert den pneumatischen Ver­ stelldruck des Ventiles. Die Kurvenscheibe in der mechanischen Rückführung sorgt dabei für die entsprechende Positionierung des Ventilschieberhubes.

Dieses Verfahren hat folgende Nachteile:

• - Die Durchfluß-Hub-Kennlinie muß vor dem Prozeß genau bekannt sein und eine mechanische Kurvenscheibe im Stellungsregler passend eingebaut werden.
• - Änderungen der Durchflußcharakteristik während des Betriebes durch Temperatur, Druck u. a. Parameter können zu Durchfluß­ fehlern führen.

Der hier vorgestellte Prozessor Stellungsregler vermeidet diese Nachteile, da der eingesetzte Mikrocontroller diese Parameterän­ derungen durch eine programmierte Ausgleichsrechnung in die entsprechende Kennlinienkorrektur umsetzen kann. Des weiteren entfällt die gesamte mechanische Rückführung mit dem an der Hubstange angebrachten Hebel, der Kurvenscheibe und den genau abgeglichenen Federsystem.

2.2 Ein elektropneumatischer Stellungsregler mit einem Mikrocontroller und Tauchspulengeber 2.2.1 Funktionsprinzip

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau. Das Mikrocontroller-Modul (1) wird von einem analogen Strom-Sollwert (9) oder aber von bitseriellen Daten (10) (RS 232-Schnittstelle) angesteuert und schaltet aufgrund eines bestimmten Rechenalgorithmus nach An­ spruch 1 zwei Gleichstromquellen (7) und (8) . Mit diesen Strömen wird der zum Verfahren des Ventils (3,4 und 5) benötigte Stelldruck p_ST über einen mit einem Düse-Prallplatte-System gekoppelten Tauchspulengeber (2) geregelt. Die Rückführung der Hubänderung x (Istwert) erfolgt mit einem Potentiometer (6), das mit der Hubstange verbunden ist und die Wegänderung x in ein elektrisches Signal (11) umwandelt. Als Rücksignal können auch andere Meßgrößen, wie z. B. Temperatur, Druck oder auch direkt der Massendurchfluß, mit Sensoren gewonnen und dem µC zur Verarbeitung zugeführt werden. Durch Vergleich des Durch­ flußsollwertes (9) mit dem Hub-Istwert (11) wird nach einem Rechenalgorithmus und einer vorher bestimmten oder aber laufend überwachten, kontrollierten und korrigierten Kennliniencharak­ teristik die Durchflußregelung realisiert.

2.2.2 Ansteuerung des Tauchspulengebers

Mit dem Tauchspulenstrom I_T ändert sich der zum Verfahren des Ventilschiebers (5) benötigte Steuerluftdruck p_ST. Das verwendete Mikroprozessormodul (1) enthält u. a. Ports für digitale Ausgänge. An zwei Anschlüssen werden nach Anspruch 1 zwei Gleichstromquel­ len (7) und (8) ein- und ausgeschaltet, so daß sich der Tauchspulenstrom sowohl in der Amplitude als auch in der Zeit variieren läßt. Die Ströme der Quellen (7) und (8) sind so dimensioniert, daß mit dem Stelldruck das Ventil auf und zu gefahren werden kann. In Fig. 2 zeigt z. B. Kurve a ein schnelles Auffahren, Kurve c ein langsames Zufahren. Nach der Tabelle erreicht man also durch digitale Ansteuerung der Stromquellen (7) und (8) folgende Funktionen (vgl. die entsprechenden Kurven in Fig. 2).

Tabelle

2.2.3 Pulsbreitenansteuerung

Das Erreichen einer bestimmten Position des Ventilschiebers hängt von der Zeit ab, mit der die Stromquellen vom Mikrocontroller ein- oder ausgeschaltet werden. Das wird nach einer Toleranzband- Methode mit Hilfe des Hub-Istwertsignales (11) entschieden. Nach Anspruch 1 erfolgt die Positionierung durch in der Amplitude als auch in der Zeit modulierte Stromimpulse (Pulsbreitenmodulation), etwa wie Fig. 3a und b zeigen, zunächst mit beiden Stromquellen, dann, nach Erreichen des Grob-Toleranzbandes, also im Fein- Toleranzband, mit nur einer Quelle. In diesem Regelbereich ist die Stromamplitude konstant. Die Pulsbreite des Tauchspulenstro­ mes wird nach einem interruptgesteuerten Rechenalgorithmus laufend nachgeregelt. Wenn z. B. die obere Grenze des Fein- Toleranzbandes überschritten wird, wird die Schaltdauer der Stromquelle 7 reduziert und die der Quelle 8 vergrößert. Bei Ventilen mit undichten Membrankammern sind die positiven Stromim­ pulse in der interrupt gesteuerten Regelphase entsprechend länger als bei Ventilen mit dichten Membrankammern. Es werden also Änderungen des Betriebsverhaltens mit diesem Regelalgorithmus ausgeregelt.

Fig. 4 zeigt das Verhalten des Ventilhubes bei sprungförmigen Hubänderungen. Nach ca. 1.2 s ist die Endposition erreicht. Das Einpendeln geschieht relativ schnell . Die Position wird mit +/-2 Digits gehalten (vgl. Fig. 5), d.s. bei dem hier verwendeten 8-Bit Analog-Digital-Wandler ca. +/-0.8%. Diesen Fehler kann man nach Anspruch 2 durch Verwendung von mehr als zwei Stromquellen verringern. Dadurch wird die Dosierung des Tauchspulenstromes durch den Mikrocontroller feinstufiger und ein infolge der Trägheit des Pneumatikventiles bedingtes Überlaufen aus dem Feintoleranzband verhindert.

2.3 Stellungsregler mit Schaltventilen 2.3.1 Grundüberlegungen

Die Verwendung eines Tauchspulengebers zur Ventilpositionierung über das pneumatische Düse-Prallplatte-System hat folgende Nachteile:

• a) Es wird relativ viel Druckluft zum Verfahren benötigt. Auch während einer Ruheposition ist ein kontinuierlicher Luftver­ brauch erforderlich.
• b) Zur Ansteuerung der Tauchspule wird eine relativ große elektrische Leistung benötigt.
• c) Die Verwendung von Tauchspulen in Bereichen mit harten Ex- Schutzbestimmungen verlangt teure, abgeschirmte mechanische Bauweisen der Spulen.
• d) Das Düse-Prallplatte-System hat eine stark nichtlineare Kennlinie und eignet sich nicht gut für digitale Regler, v.a. für adaptive Regelungen.

Diese Gründe führten zu einem Regler mit Schaltventilen. Das Prinzip ist bekannt. Z.B. bei (2) wurden Magnetventile verwen­ det, die mit pulsbreitenmodulierten Signalen auf und zugeschaltet werden und den zum Verfahren des Ventiles benötigten Steuerluft­ druck in der Membrankammer erzeugen.

In der hier vorgestellten Erfindung werden jedoch piezo­ elektrische Schaltventile verwendet, da diese

• - eine wesentlich geringere Ansteuerleistung benötigen, und
• - im Ex-Schutzbereich als eigensicher eingestuft werden können.

2.3.2 Stellungsregler mit piezo-elektrischen Schaltventilen

Der Stellungsregler nach Fig. 6 besteht aus einem Mikrocontroller (1), zwei piezoelektrischen Schaltventilen (13) und (14), einem Rückschlagventil (15) und einem Positionsmelder (6) mit elektrischem Rückführsignal (11), z. B. einem Potentiometer.

Der µC (1) kann sowohl analog mit Gleichstrom (4 bis 20 mA) als auch digital über eine RS 232-Schnittstelle angesteuert werden.

Nach Anspruch 3 werden zum Verfahren des Ventils digital- und pulsbreitenangesteuerte piezoelektrische Stellventile verwendet. Es entfällt also der Tauchspulengeber mit dem Düse-Prallplatte- System. Die Ventile (3/2-Wege-Ventile) werden an einen digitalen Port des µC (1) angeschlossen und mit entsprechenden Spannungen auf- und zu geschaltet. Die Frequenz der pulsbreitenmodulierten Steuersignale hängt vom Typ und von der Größe des zu regelnden Ventiles ab. Sie ist auch wichtig für die Verfahrgeschwindigkeit und die Stabilität des Regelkreises.

Anhand der Fig. 6 wird die Wirkungsweise der Anordnung erläutert.

Eines der Stellventile (13) sorgt bei Anliegen einer Spannung für das Auffahren (also Druckluft in die Membrankammer (3)). Das andere piezoelektrische Stellventil (14) wird für das Ablassen der Luft aus der Kammer (3), also für das Zufahren, eingesetzt.

Das Rückschlagventil (15) zwischen Ventil (13) und Membrankammer (3) verhindert, daß die Luft aus der Kammer entweicht.

Die Ventile (13) und (14) müssen - wie in Fig. 6 gezeigt - mit den Luftanschlüssen 1 an die Druckluft p_o (13) bzw. an die Membran­ kammer (14) angeschlossen werden. (In Fig. 7 sind die Ersatz­ schaltbilder der 3/2-Ventile für den Ruhe- bzw. spannungslosen Zustand gezeichnet.) Wird also Ventil (13) mit positiven Impulsen angesteuert, muß die Spannung am Ventil (14) null sein. Der Steuerdruck in der Membrankammer steigt und das Ventil (3) fährt auf. In der Zufahrphase muß umgekehrt Ventil (14) mit positiven Spannungsimpulsen vom µC (1) angesteuert werden, während am Ventil (13) die Spannung null ist. Über den durchgeschalteten Weg 1-2 des Ventiles (14) kann jetzt die Luft aus der Membrankammer entweichen.

2.3.3 Stellungsregler mit zwei piezoelektrischen Schaltventilen und zwei Rückschlagventilen

Nach den NAMUR-Bestimmungen wird von den Ventilherstellern ver­ langt, daß im Falle von Betriebsstörungen das Ventil mit eigener Kraft schließen kann. Also auch bei einem Stromausfall am Mikrocontroller muß die Luft aus der Membrankammer entweichen können. Das gelingt mit der Anordnung in Fig. 7. (Die dort eingetragenen Schalterstellungen entsprechen der geöffneten Schaltphase, d. h. die Spannungen an den Ventilen sind null.) Wie man erkennt, sind beide Ventile (13) und (14) nach Anspruch 4 an die Druckluft p_o angeschlossen, und zwar beide mit Anschluß 1.

Die Anschlüsse 2 der Ventile sind über die Rückschlagventile (15) und (16) nach Anspruch 4 mit der Membrankammer (3) verbunden. Der Anschluß 3 des Auffahrventiles (13) bleibt offen. Die Luft kann hier wegen des Rückschlagventiles (15) nicht entweichen. Dagegen dient der offene Anschluß 3 des Zufahrventiles (14) zum Luftab­ lassen aus der Membrankammer über das Rückschlagventil (16).

Im einzelnen funktioniert der Stellungsregler wie folgt

In der Auffahrphase wird das Ventil (13) nach Anspruch 5 vom µC mit pulsbreitenmodulierten Spannungsimpulsen angesteuert.Dadurch wird der zur Positionierung benötigte Steuerluftdruck für die Membrankammer erzeugt. Das Abluftventil (14) erhält nach Anspruch 5 vom µC (1) eine konstante Spannung und ist durchgeschaltet. Das Rückschlagventil (16) verhindert den Luftablaß, da der erforder­ liche Differenzdruck zwischen Membrankammer (3) und dem Steuer­ druck p_o nicht erreicht wird.

In der Zufahrphase kann die Luft aus der Membrankammer über das Ventil (14) und das Rückschlagventil (16) entweichen. Dazu muß der µC (1) Ventil (14) mit entsprechend inversen pulsbreitenmodu­ lierten Impulsen ansteuern. In den Spannungs-Nullphasen öffnet Ventil (14) und die Luft kann über den offenen Anschluß 2-3 entweichen. In dieser Phase ist die Steuerspannung am Ventil (13) null.

In der Ruhephase, d. h. nach Erreichen der gewünschten Position, ist die Steuerspannung am Ventil (13) null und am Ventil (14) konstant.

Bei einem Ausfall des Versorgungsstromes werden beide Steuerven­ tile ebenfalls spannungslos. Die Luft kann jetzt über Ventil (14) entweichen und das Ventil (3) kann sicher zufahren. Darin liegt die Bedeutung und der Vorteil der Ansprüche 4 und 5.

2.3.4 Unterbrechung des Rückführsignales

Ein weiterer Störfall ist die mögliche Unterbrechung des elek­ trischen Rückführsignals vom Weggeber (6) zum µC (1). In diesem Falle muß der µC ein Alarmsignal erhalten, um daraus die entsprechende Prozedur zur Verhinderung einer Betriebsstörung (etwa das sofortige Zufahren ) zu veranlassen. Die im Anspruch 7 genannte Schaltung (17) ist hier nicht genauer präzisiert, da die Form und die Art des Rückführsignales nicht genau festgelegt worden sind. Es handelt sich jedoch um bekannte Schaltungen, wie Flip-Flop oder Komparatoren und Verstärker, deren Patentierung im einzelnen nicht notwendig ist. Die Bedeutung dieses Anspruches soll sich auf die Realisierung der Sicherheitsbestimmungen für den unterbrochenen Regelkreis des elektropneumatischen Stellungs­ reglers beziehen.

2.3.5 Dynamisches Verhalten des Stellungsreglers

Anhand der Diagramme Fig. 8 und 9 wird das Sprungverhalten des Stellungsreglers nach Fig. 7 gezeigt. In der Auffahrphase benötigt das Ventil ca. 1.2 s um die Sollposition zu erreichen. Man erkennt den aperiodischen Verlauf. Das wird erreicht mit einem PI-Regelverhalten, wobei die Regelparameter optimal nach dem aperiodischen Grenzfall eingestellt wurden. Man erkennt, daß die Regelabweichung null ist. In der Zufahrphase benötigt das Ventil unwesentlich länger (ca. 1.8 s).

Oftmals wird eine geringere Verfahrgeschwindigkeit verlangt. Das kann man ohne Hardwareänderung durch Eingabe anderer Programmda­ ten im EPROM des Mikrocontrollers realisieren.

2.4 Stellungsregler für stangenlose Zylinderantriebe

Pneumatische Kolbenantriebe werden wegen des günstigen Preis/Leistungsverhältnisses und der bequemeren Bauweise gegenü­ ber hydraulischen Antrieben gern in der Automatisierungstechnik eingesetzt. In Fig. 10 wird eine Anordnung gezeigt, mit der nach Anspruch 8 jeweils zwei piezoelektrische Ventile mit dem in Fig. 7 gezeigten Aufbau zur Positionierung des Kolbens eingesetzt werden.

Zur Positionierung des Kolben (19) muß der Differenzdruck zwischen den zwei Zylinderkammern (18) entsprechend dosiert und geregelt werden. Das geschieht nach Anspruch 8 über einen Mikrocontroller. Der verwendete Typ (Motorola 68HC11) enthält genügend digitale Ports, um insgesamt 4 Schaltventile anzusteuern. Außerdem ist die Rechengeschwindigkeit für die hier in der Pneumatik anfallenden Probleme ausreichend.

2.5 Literaturhinweis

(1) Elektro-pneumatischer Stellungsregler Fa. Honeywell Baureihe 2201/2202 , Geräteinformation DA-17.1 (2) B.König, O.Ohligschläger. Ein intelligenter elektro­ pneumatischer Stellungsregler. atp 31 (1988)8.

4. Zusammenstellung der Bilder mit Bildunterschriften

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines elektronischen Stel­ lungsreglers für pneumatische Ventile mit einem Mikrocontrol­ ler (1), zwei pulsbreitenangesteuerte Stromquellen (7) und (8), einem über den Tauchspulengeber angesteuerten Düse- Prallplatte-System (2) und einem Weggeber (6) mit elektri­ schem Rückführsignal.

Fig. 2 zeigt das Verfahrverhalten des Ventiles bei ver­ schieden angesteuerten Stromquellen.

Fig. 3a zeigt den Verlauf des Tauchspulenstromes für den Auffahrvorgang.

Fig. 3b zeigt den Verlauf der Regelgröße (Hub) nach dem Auffahrbeispiel in Fig. 3.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen das dynamische Verhalten des Reglers mit dem Düse-Prallplatte-System für das Auf- und das Zufahren und für die Ruhelage des Ventiles.

Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild des Stellungsreglers - ähnlich w.o. Fig. 1 - mit zwei durch den Mikrocontroller pulsbreitenangesteuerten piezoelektrischen Schaltventilen, also ohne Tauchspulengeber und Düse-Prallplatte-System.

Fig. 7 zeigt eine verbesserte Anordnung von Fig. 6, wobei das Ventil bei Ausfall der Versorgungsleistung und auch bei Unterbrechung des elektrischen Rückführsignals eigensicher zufahren kann.

Fig. 8 und 9 zeigen das dynamische Sprungverhalten des Stellungsreglers nach Fig. 7.

Fig. 10 zeigt das Blockschaltbild des Stellungsreglers für einen pneumatischen Kolbenantrieb, wobei ein Mikrocontroller vier Piezo-Schaltventile zur Kolbenpositionierung mit puls­ breitenmodulierten Impulsen steuert.

Claims (10)

1. Stellglied für Pneumatikventile nach dem Düse-Prallplatte- Prinzip mit einem elektrischen Tauchspulengeber, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom dieses Gebers durch zwei von einem Mikrocontroller angesteuerte Stromquellen mit fest eingestellten Stromamplituden erzeugt wird, daß die Zeit­ dauer der Impulse zur Erzeugung des entsprechenden, für das Verfahren des Ventils notwendigen Steuerluftdruckes aus dem Sollwert-Istwertvergleich vom Controller berechnet wurde.

2. Stellglied für Pneumatikventile nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung des Tauchspulengebers mehr als zwei Stromgeneratoren mit feiner abgestuften festen Stromamplituden verwendet werden, daß letztere direkt von einem Mikrocontroller angesteuert werden und daß die Zeit­ dauer der Stromimpulse zur Erzeugung des entsprechenden, für das Verfahren des Ventils notwendigen Steuerluftdruckes aus dem Sollwert-Istwertvergleich von dem Controller berechnet wurde.

3. Stellglied für Pneumatikventile mit piezo-elektrischen Pneu­ matik-3/2-Wegeventilen, dadurch gekennzeichnet, daß für das Verfahren des Ventils der entsprechende Steuerluftdruck durch zwei dieser piezo-elektrische 3/2-Wegeventile geregelt wird, die ihrerseits durch einen Mikrocontroller mit Span­ nungsimpulsen angesteuert werden, deren Zeitdauer aus dem Sollwert- Istwertvergleich errechnet wurde.

4. Stellglied für Pneumatikventile mit einer Anordnung von zwei piezo-elektrischen-3/2-Wegeventilen wie bei Anspruch 3, jedoch mit zwei Rückschlagventilen 15 und 16 (Fig. 7) gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:

• - Die Stellventile 13 und 14 sind beide an der Steuerdruck­ leitung angeschlossen,
• - das Rückschlagventil 15 ist so angeordnet, daß bei durchgeschaltetem Stellventil 13 Druckluft in die Mem­ brankammer des Ventiles 3 strömen kann,
• - das Rückschlagventil 16 ist so angeordnet, daß bei ausgeschalteten Stellventil 14 die Druckluft aus der Membrankammer über den offenen Anschluß des Ventiles 14 entweichen und das Ventil 3 zufahren kann.

5. Elektronische Ansteuerung der zwei Piezo-Stellventile 13 und 14 durch einen Mikrocontroller mit pulsbreitenmodulier­ ten Spannungsimpulsen entsprechend Anspruch 4 dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim Auffahren Ventil 13 mit pulsbreiten­ modulierten Spannungsimpulsen angesteuert wird und Ventil 14 eine konstante Gleichspannung erhält, daß beim Zufahren des Ventiles 3 die Spannungsansteuerung invers erfolgt, d. h. die Spannung am Ventil 13 ist null und Ventil 14 wird mit inversen pulsbreitenmodulierten Spannungsimpulsen ange­ steuert, so daß in den Nullphasen das Ventil öffnet und die Luft aus der Membrankammer über den offenen Anschluß des Ventiles 14 entweichen kann.

6. Elektronische Schaltung 17 zwischen dem elektrischen Rück­ führsignal und dem Mikrocontroller dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterbrechung dieser Rückführung, d. h. bei einer Unterbrechung des geschlossenen Regelkreises zur Vermeidung eines unkontrollierten Verhaltens des Ventiles 3, ein Signal erzeugt wird , das dem Mikrocontroller zugeführt und das nach den Ansprüchen 1 und 2 zum Abschalten der Konstant­ stromquellen 7 und 8 und nach den Ansprüchen 3, 4 und 5 zum Abschalten der Spannungen an den Ventilen 13 und 14 führt.

7. Stellungsregler nach den Ansprüchen 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß damit auch Drehventile geregelt werden können, wobei jeweils zwei Piezo-Stellventile mit Rück­ schlagventilen für jede Drehrichtung angeordnet werden müs­ sen.

8. Stellungsregler nach den Ansprüchen 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß damit auch pneumatische Kolbenantriebe geregelt und positioniert werden können, wobei wie bei Anspruch 7 jeweils zwei Piezo-Ventile mit Rückschlagventilen für beide Stellrichtungen angeordnet werden müssen.

9. Stellungsregler nach den Ansprüchen 3 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß damit auch sehr große pneumatische Ventile 3 geregelt werden können, wobei der benötigte größere Steuerluftdruck mit einem pneumatischen Verstärker durch Hintereinanderschaltung piezoelektrischer Stellventile (entsprechend 13 und 14) realisiert werden kann.

10. Stellungsregler nach den Ansprüchen 1 und 2 mit Tauchspulen­ geber und Konstantstromquellen dadurch gekennzeichnet, daß auch Drehventile und Kolbenantriebe damit geregelt werden können, wobei die Anordnung zwei Tauchspulen und zwei pneumatische Verstärker mit dem Düse-Prallplatte-System enthält.