DE4429401A1 - Druckmittelbetriebener Stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Druckmittelbetriebene, insbesondere pneumatische Antriebe werden oft zur Betätigung translatorischer oder rotatorischer Stellglieder (Ventile) in der Prozeßtechnik eingesetzt. Da bei pneumatischen Antrieben keine besonderen Maßnahmen für den Explosionsschutz getroffen werden müssen, ist der Einsatz in Anlagen, die den Anforderungen des Explosionsschutzes unterliegen, einfach. Beinhalten solche pneumatischen Antriebe elektrische oder elektronische Komponenten zur Ansteuerung, wie z. B. die sog. Stellungsregler, so werden diese meist vorteilhaft in der Zündschutzart eigensicher ausgelegt. Für pneumatische Stellantriebe gewinnt seit kurzer Zeit die Frage des Fail-safe-Verhaltens an Bedeutung. Damit ist gemeint, daß beim Ausfall oder einer Störung der Anlage, in der solche pneumatischen Stellantriebe verwendet werden, die Stellantriebe selbst bzw. die damit betätigten Ventile eine Fail-safe-Position einnehmen, bei der die gesamte Anlage nicht gefährdet ist. Um ein solches Verhalten bei pneumatischen Stellantrieben der eingangs beschriebenen Art gewährleisten zu können, verwendet man ein sog. Entlüftungsventil, welches als separates Bauteil an den pneumatischen Stellantrieb anbaubar ist. Die Funktion ist nun die, daß dieses Entlüftungsventil im Falle einer Anlagenstörung einen definierten Zustand des pneumatischen Antriebes und damit des Stellgliedes gewährleisten soll. Während im normalen Betrieb der pneumatische Antrieb durch Vorgabe eines Druckwertes direkt gesteuert wird-er mit Hilfe eines Stellungsreglers geregelt wird, soll das Entlüftungsventil im Notfall eingreifen. Dieses Entlüftungsventil öffnet das Antriebsvolumen des pneumatischen Antriebes gegen Atmosphäre, wodurch dieses entlüftet wird, und eine Feder bringt den pneumatischen Antrieb in sichere Stellung.

Die Luftleistung des Entlüftungsventiles ist dabei so ausgelegt daß es in seiner Wirkung die für Normalbetrieb wirksamen Steuer- oder Regelorgane sicher überfährt. Dieses Entlüftungsventil wird durch ein separates Signal aus der Meßwarte heraus angesteuert,und ist zumeist als Magnetventil ausgelegt.

Der steuernde Strom bringt hierbei gleichzeitig über elektromagnetische Wechselwirkung die Betätigungskraft zur Bewegung des pneumatischen Ventilkegels oder Ventilschiebers auf. Nachteilig an dieser Ausführung ist, daß aufgrund dieses Prinzips hohe elektrische Ansteuerleistungen benötigt werden, die in der Regel bei ca. 1 Watt liegen. Diese hohen Leistungen sind gemäß DIN EN50020 nicht vereinbar mit der Zündschutzart "eigensicher", wie sie von Anwendern von pneumatischen Stellantrieben in der Regel gewünscht sind. Um dennoch die entsprechende Explosionsschutzanforderung erfüllen zu können, müssen andere Zündschutzarten, z. B. "druckfeste Kapselungen" angewendet werden, was mit hohen Kosten verbunden ist.

Aus dem Firmenprospekt der Firma SAMSON AG "SAMSOMATIC, Magnetventiltechnik" sind Entlüftungsventile für den o.g. Verwendungszweck bekannt. Diese Entlüftungsventile sind als Anbauventile mit einer zusätzlichen druckmittelseitigen Verrohrung vorgesehen. Der Anbau solcher Ventile sowie die Ausgestaltung zur Erfüllung der Explosionsschutzvoraussetzungen sind jedoch aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem pneumatischen Stellantrieb der gattungsgemäßen Art die Schnellentlüftungsventil-Funktion auf eine einfache Weise und nach der Zündschutzart "eigensicher" zu realisieren.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem pneumatischen Stellantrieb der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Entlüftungsventil in seiner Funktion in die vorhandenen Elemente des einen Stellungsregler umfassenden pneumatischen Stellantriebes zu integrieren. Dabei handelt es sich um zum Teil elektrische und mechanische Komponenten sowie um eine entsprechende Ausbildung der Hauptstufe des Ventiles, um diese Funktion zu erhalten. Dabei ist in erfindungsgemäßer Weise vorgesehen daß die, beispielsweise als Düse/Prallplattensystem ausgebildete Vorstufe des Stellungsreglers ein vorgeschaltetes Relais erhält, welches über Ansteuerleitungen betätigt wird. Diese Ansteuerung bzw. dieses Relais kann dabei ohne weiteres gemäß der Zündschutzart "eigensicher" ausgelegt werden. Ist dieses vorgeschaltete Relais über die Ansteuerleitungen im Betriebsfall des Stellungsreglers betätigt, so kann über, beispielsweise einen Schließer, die Elektronik des Stellungsreglers die Vorstufe betätigen. Fällt die elektrische Energie der Anlage aus, so fehlt auch auf den Ansteuerleitungen des vorgeschalteten Relais die entsprechende elektrische Versorgung, und das Relais öffnet einen Kontakt, wonach die Vorstufe des Stellungsreglers von den Stellwertausgängen der Elektronik freigeschaltet wird. Die Vorstufe ist darüber hinaus mit einem federrückstellenden Element versehen, welches das Vorstufensystem bei Ausfall der elektrischen Energie in eine Grundstellung überführt. Bei der Verwendung eines Düse/Prallplattensystemes als Vorsteuerstufe wäre beispielsweise ein Federelement im Bereich der bewegbaren Prallplatte anzubringen. In der Grundstellung des Federelementes wird nunmehr in dem mit der Düse verbundenen Ansteuerkanal ein derartiges Druckniveau erzeugt, daß das Hauptstufenventil in die Entlüftungsposition geht. Über die Hauptstufe wird dann das am Stellorgan beaufschlagte Arbeitsvolumen entlüftet.

Das Entlüftungs- bzw. Schnellentlüftungsventil ist damit in den Stellungsregler integriert. Das Relais ist so ausgelegt, daß es aufgrund der geringen Ansteuerleistung der Zündschutzart "eigensicher" genügt. Damit entfallen sämtliche ansonsten nötigen Umgehungslösungen, um einen solchen Stellungsregler mit dieser Sicherheitsfunktion in der entsprechenden Weise explosionsgeschützt ausführen zu können.

Durch die gesamte Ausbildung gemäß der Erfindung ist die gesamte Funktionalität von Stellungsregler und Notventil in einem Gehäuse untergebracht woraus sich eine Reihe von Vorteilen ergeben. Ein erster Vorteil ist eine erhebliche Kostenreduzierung für Material und Komponenten, da kein separates Gehäuse und keine separate Pneumatik erforderlich ist. Ein weiterer Kostenvorteil ergibt sich durch die Montage, da keine separaten pneumatischen Verrohrungen hergestellt werden müssen. Ein weiterer Vorteil ist die verbesserte Funktionssicherheit und verringerte Unfallgefahr in der Anlage, da der Stellungsregler kompakt an den Antrieb, ohne freie Verrohrung angebaut werden kann.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher erläutert.

Die Abbildung zeigt den funktionalen Zusammenhang in einem elektropneumatischen Stellungsregler, bei welchem hier sowohl das eigentliche Stellorgan als auch der Stellungsregler in seinen wichtigsten Elementen dargestellt ist.

Die Abbildung zeigt den pneumatischen Antrieb 1, welchem die entsprechende pneumatische Energie zuzuführen ist. Die durch die zugeführte pneumatische Energie erzeugte Bewegung wird über eine Wegerfassung bzw. einen Wegsensor 3 gemessen und der Elektronik 2 des Stellungsreglers zugeführt. Die Elektronik 2 übernimmt die vom Wegsensor 3 erfaßte Regelgröße zur Ermittlung des Sollwertstromes, dem Vergleich von Ist- und Sollwert und Generierung eines Regelsignals. Der pneumatische Antrieb enthält an seinem Stellorgan ebenfalls eine Feder 12, die im Störfall des Systems sicherstellt, daß der pneumatische Antrieb in eine definierte Position fährt. Insgesamt gehört also diese Feder zur Absicherung des gesamten pneumatischen Stellantriebes mitsamt Stellungsregler zur Sicherstellung der Fail-safe-Position dazu. Der Stellungsregler an sich enthält die Elektronik 2 sowie die Vorsteuerstufe 6 mit einem Düse/Prallplattensystem sowie die Hauptstufe, bestehend aus einem pneumatisch angetriebenen Ventil. Die genannte Vorstufe 6 sowie die Hauptstufe 5 gehören insgesamt zur pneumatischen Einheit 4. Die Antriebsseite des Hauptstufenventiles 5 ist mit einem Ansteuerkanal 9 verbunden, welcher mit der Düse des Düse/Prallplattensystemes 8 verbunden ist. Eine solche als Düse/Prallplattensystem ausgebildete Vorsteuerstufe ist u. a. aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 42 269 bekannt und auch beschrieben. Über das bekannte System hinaus enthält nun diese Vorsteuerstufe im Bereich der Prallplatte eine Feder 7. Fällt nun in einem Störfall die elektrische Energie aus, so wird der Betätigungsmagnet des Düse/Prallplattensystemes nicht mehr mit Energie versorgt, so daß das Relais 13 die Energieversorgung, die von der Elektronik in Form einer elektrischen Stellgröße erfolgt, unterbricht in diesem Falle wird die als Wippe ausgebildete Prallplatte 8 über die Feder 7 in eine definierte Stellung gebracht, die in der Ansteuerleitung 9 einen entsprechenden Druck erzeugt. Dieser entsprechende Druck ist dabei so abgestimmt, daß er das Hauptstufenventil in eine entsprechende Position schaltet. Das Hauptstufenventil schaltet dabei die Zuluft zum pneumatischen Antrieb 1 in die Entlüftung durch. Sodann fährt die Feder 12 des pneumatischen Antriebes denselben dann in die entsprechende Fail-safe-Position. Wie bereits gesagt, ist zwischen Elektronik 2, welche die elektrische Stellgröße zur Beaufschlagung des Düse/Prallplattensystemes ausgibt und dem als Vorsteuerstufe 6 bezeichnete Düse/Prallplatte ein Relais 13 angeordnet. Dieses Relais 13 wird über die Ansteuerleitungen 11 betätigt. Das Relais 13 ist dabei so angelegt, daß die Leistung, die über die Ansteuerleitungen 11 transportiert wird, der Zündschutzart "eigensicher" entspricht. Fällt nun der Strom aus, so fehlt auch auf den Ansteuerleitungen 11 die entsprechende elektrische Energie, und das Relais 13 öffnet einen Kontakt, der die Weitergabe von Stellsignalen aus der Elektronik an die Vorsteuerstufe 6 unterbricht. Die Elektronik 2 weist darüber hinaus noch eigene Energieversorgungsleitungen auf. So kann es sein, daß ein Störfall zum einen aus dem Ausfall der gesamten elektrischen Energie heraus resultiert, was auch die Elektronik 2 lahm legt. Auch hierbei entfällt das entsprechende Ansteuersignal an die Vorsteuerstufe, und die Feder 7 bewirkt eine Betätigung des Ventiles 5 der Hauptstufe zur Entlüftung des pneumatischen Antriebes 1. Für den Fall, daß die Elektronik 2 eigenversorgend ist oder aus einem anderen Netz gespeist wird als das Signal, welches über die Steuerleitungen 11 geht, würde bei Wegfall der elektrischen Spannung auf der Ansteuerleitung 11 den gleichen Mechanismus auslösen, in dem das Relais auch hierbei wieder die Stromversorgung bzw. die elektrische Beaufschlagung der Vorsteuerstufe aufhebt und somit wieder die Feder 7 in Verbindung mit dem Ventil 5 und der Rückstellfeder 12 aktiv werden. Insgesamt ergibt sich, daß die Entlüftungsventilfunktion entgegen bisher bekannter Lösungen in den Stellungsregler mit integriert wird. Dies vereinfacht die Konstruktion und macht das ganze System durch die mechanische und die elektrische Vereinfachung noch betriebssicherer.

Ob nun in der Vorsteuerstufe 6 eine Feder 7 in der gemäß der Beschreibung dargestellten Art verwendet wird oder ob andere rückstellende, auf Federkraft beruhende Elemente eingesetzt werden, hängt von der genauen Ausgestaltung der Vorsteuerstufe ab. Generell ist jedoch für alle verschiedenartigen Ausbildungen der Vorsteuerstufe eine rückstellendes oder zumindest in definierte Stellung fahrendes Federelement vorgesehen, welches entweder in Form einer Spiralfeder, eines Federbandes oder wie auch immer ausgebildet sein kann.

Claims (8)

1. Stellungsregler für einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb, mit einer auf dem Prinzip der Strom-Druck-Umsetzung (I/P-Umsetzer) beruhenden, vorzugsweise pneumatischen Vorsteuerstufe und einer hierüber ansteuerbaren Hauptstufe, über welche ein Stellelement zur Ausführung eines Stellweges druckmittelbeaufschlagbar ist, wobei die Vorsteuerstufe eine Elektronikeinheit umfaßt, über welche die Vorsteuerstufe ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im elektrischen Ansteuerweg zwischen der Elektronik (2) und der Vorsteuerstufe (6, 7, 8, 9) ein Schaltelement (13) vorgesehen ist, welches bei Betriebsstörung die elektrische Ansteuerung zur Vorsteuerstufe trennt, und daß die Vorsteuerstufe in diesem Fall eine derartige Fail-safe-Position einnimmt, daß über die Hauptstufe (5) ein Entlüften des Stellvolumens (1) des Stellelementes erfolgt.

2. Stellungsregler für einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerstufe ein elektrisch angesteuertes Düse-Prallplatten-System ist.

3. Stellungsregler für einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte (8) des genannten Düsen-Prallplatten-Systemes mit einem Federelement (7) versehen ist, welches beim Fehlen der elektrischen Ansteuerung des Düse-Prallplatten-Systemes die Prallplatte (8) in eine definierte Position bringt.

4. Stellungsregler für einen durckmittelbetriebenen Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen aus einem pneumatisch angesteuerten Wegeventil (5) bestehenden Hauptstufe in der Ansteuerleitung (9) bei Einnahme der Fail-safe-Position ein derartiger Druck erzeugt wird, daß über die pneumatisch angesteuerte Schaltfläche der Hauptstufe die zum Stellvolumens (1) des Stellantriebes durchgesteuerte Arbeitsleitung in die Entlüftung durchgesteuert wird.

5. Stellungsregler für einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (13) zwischen Elektronik (2) und Vorsteuerstufe (6, 7, 8, 9) ein Relais (13,) ist.

6. Stellungsregler für einen durckmittelbetriebenen Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Beaufschlagung des Relais (13) sowie aller elektrischen Komponenten nach der Zündschutzart "Eigensicher" ausgestaltet sind.

7. Stellungsregler für einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikeinheit (2) des Stellungsreglers mit einem Wegsensor (3) verbunden ist, welcher die Ausführung des Stellweges des angesteuerten Stellelementes überwacht.

8. Stellungsregler für einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb nach einem oder mehreren-der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Stellungsregler angesteuerte Stellelement ein Federelement (12) aufweist, welches bei Entlüftung des Stellvolumens (1) das Stellelement des Stellantriebes in eine definierte Position zurückholt.