DE4445058C2 - Regelventil mit einem druckmittelbetriebenen Antrieb und einem Stellungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelventil mit einem druckmittelbetriebenen Antrieb und einem Stellungsregler, sowie ein Verfahren zur Ermittlung des Betriebszustandes und der Betriebsparameter eines solchen Regelventiles gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Ein Regelventil der gattungsgemäßen Art ist beispielsweise aus DE 42 33 301 bekannt. Dabei wird die Regelgüte des Stellungsreglers permanent überwacht. Bekanntermaßen besteht dieses System aus einem Regelventil, einem pneumatischen Antrieb und einem Stellungsregler. Der Stellungsregler erfaßt die Ist-Stellung des Regelventiles durch Abtasten der Ventilspindel, welche Stellungsregler und Antrieb verbindet. Dabei gibt der Stellungsregler als Stellgröße Druckluft an den pneumatischen Antrieb aus, der damit die Ventilstellung beeinflußt. Als Führungsgröße wird beim Stellungsregler beispielsweise ein 4 bis 20 mA-Signal zugeführt. Der Stellungsregler hat einen eingebauten Mikrorechner. Dieser dient hierbei jedoch ausschließlich der Überwachung der Regelgüte. Bei einem solchen Regelkreis gehen jedoch viele, auch mechanische Parameter zum Teil mit einer erheblichen Beeinflussung ein. Es gibt dabei mehrere bekannte Lösungsansätze, bei denen die Kennlinie des Antriebsdruckes gegen den Ist-Wert der Ventilspindel aufgetragen wird. Aus der Hysterese für aufwärts- und abwärtsbewegen der Ventilspindel ergibt sich dann der gesuchte Reibungswert, der beispielsweise eine erhebliche Beeinflussungsgröße für die Güte der Regelung ist. Der Nachteil solcher Verfahren besteht zumeist darin, daß ein zusätzlicher Sensor, nämlich ein Drucksensor im Antrieb benötigt wird, der im übrigen die gesamte Anordnung teuer macht und im übrigen den Stromverbrauch des Gerätes erhöht. Der Stromverbrauch des Gerätes ist wegen den Auflagen beim Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen von vehementer Bedeutung.

Aus der DE 37 27 008 A1 ist eine Anordnung mit einem pneumatischen Regelventil bekannt, bei welchem die Stellung der Ventilstange über einen Hebel abgreifbar ist. Der auf den Hebel umgesetzte Betätigungsweg der Ventilstange wird dabei in den Regler positionsermittelnd eingespeist. Aus der entsprechenden Stellung erkennt der Regler die Öffnungs- oder Schließstellung des Ventiles. Weitergehende elektronische Mittel zur dynamischen Erfassung von Bewegungsabläufen sind nicht vorgesehen.

Aus der DE 42 33 301 C1 ist ebenfalls ein solches Ventil bzw. ein mit Stellungsregler versehenes Ventil bekannt. Hierbei wird zwar ein Mikrorechner verwendet, der jedoch in einem erheblich aufwendigen Verfahren Steuersignal-Istwerte mit zuvor eingegebenen Sollwerten vergleicht. Daraus wird in Berücksichtigung längerer Integrationszeiten bei einer Abweichung vom Soll-Steuersignal eine Fehlerstatusmeldung ausgelöst. Nachteilig ist hierbei, daß das Verfahren recht aufwendig ist, und sich aus der Veränderung des Steuersignales nicht zuverlässig auf eine Veränderung von Reibungsverhältnissen geschlossen werden kann. Bei einer Veränderung des Steuersignales können auch elektrische oder andere Fehler vorliegen. Die Zustandsermittlung in dieser Weise ist daher nicht aussagekräftig genug.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Regelventil der eingangs genannten Art ohne zusätzlichen Sensor Änderungen der Reibungswerte in der Regelung mitzuberücksichtigen.

Hauptverursacher bei einem Regelventil der gattungsgemäßen Art ist die dynamische Dichtung, mit welcher die bewegliche Ventilspindel in die einmündende Ventilkammer, in welchem das Ventilglied betätigt wird, abgedichtet werden muß. Diese dynamische Dichtung ist oftmals als Stopfbuchse ausgebildet, bei der die Stopfbuchsenpackung für den Reibungswert verantwortlich ist. Darüber hinaus ist die Reibung zwar eine lästige Größe jedoch muß diese Dichtung absolut dicht sein und möglichst dauerhaft dicht bleiben. Es ist daher von erheblicher Bedeutung, den Zustand der Dichtung ermitteln zu können. Eine Änderung der Stopfbuchsenreibung bei eingestellter und unveränderter Stopfbuchsenpackung ist daher ein Indiz für den Zustand der Stopfbuchse, d. h. der Dichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Regelventil der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, daß der Zustand der dynamischen Dichtung ohne Drucksensor ermittelt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Regelventil der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stellungsregler einen Mikrorechner aufweist, und desweiteren Mittel zur Ermittlung der physikalischen Größenanfahrzeit, Anhaltezeit und Auslaufstrecke enthalt, aus welchen unter Zuhilfenahme des Mikrorechners relative Indexe ermittelt werden können, von denen auf die von der dynamischen Dichtung erzeugten aktuellen Reibungswerte geschlossen werden kann.

Hinsichtlich eines Verfahrens der gattungsgemäßen Art wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anfahrzeit, die Anhaltezeit und die Auslaufstrecke der Ventilspindel ermittelt und daraus ein Bewertungsindex errechnet wird, daß die jeweils ermittelten Indexe in einem Speicher abgelegt und zyklisch oder lastwechselabhängig aktualisiert werden, und daß bei einer zeitlichen Änderung der Indexe auf eine Änderung der Reibungswerte der Dichtung geschlossen wird.

Es entfällt somit sowohl hinsichtlich der einrichtungsgemäßen als auch der verfahrensgemäßen Erfindung die Anbringung eines Drucksensors im Druckmittelsystem des Regelventiles. Der Zustand, d. h. mit anderen Worten der Verschließzustand der dynamischen Dichtung, wird aus Größen ermittelt, die ohnehin in den Regelprozeß eingehen. Die drei Größen Anfahrzeit, Anhaltezeit und Auslaufstrecke sind wie folgt zu definieren.

Anfahrzeit

Wird der Stellungsreglerausgang vom Zustand neutral in den Zustand belüftet geschaltet, so folgt das Ventil mit einer gewissen Zeitverzögerung, nämlich der Anfahrzeit.

Anhaltezeit

Wird der Stellungsregler vom Zustand belüftet in den Zustand neutral geschaltet, so kommt das Ventil mit einer gewissen Zeitverzögerung zur Ruhe, das entspricht der Anhaltezeit.

Auslaufstrecke

Während der Auslaufzeit wird die Auslaufstrecke zurückgelegt. Aus diesen drei Parametern kann dann ein Index für den gesuchten Reibungswert ermittelt werden. Das verfahren kann gemäß den Unteransprüchen in vorteilhafter Weise noch weiterentwickelt werden, indem individuelle Daten, wie Masse des bewegten Ventilkegels, Antriebsgröße sowie Zuluftdruck an den Stellungsregler mitberücksichtigt werden. Dies geschieht, indem in einem Autokonfigurationslauf die drei genannten Parameter für ein gegebenes Ventil ermittelt werden. Da sich die individuellen Ventildaten während des Betriebes des Ventiles nicht ändern, muß eine Änderung der Parameter durch eine Änderung der Stopfbuchsenreibung hervorgerufen werden.

Außerdem kann sich während des Betriebes der Versorgung der Zuluftdruck andern, was ebenfalls zu einer Änderung der drei Parameter führt. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß insbesondere die Daten für den Betriebsfall "entlüftet" ermittelt werden, diese sind vom Zuluftdruck unabhängig. Insbesondere kann vom Vergleich der beschriebenen drei Parameter für den Betriebsfall belüftend und entlüftend auf den Zuluftdruck oder eine Änderung des Zuluftdruckes geschlossen werden.

Darüberhinaus kann auch noch eine Bewertung des Entlüftungsverhaltens und des Unterschiedes zwischen Be- und Entlüftungsverhalten als Parameter zur Bewertung bzw. zum Rückschluß auf die sich ändernden Reibungswerte der dynamischen Dichtung hinzugenommen werden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in einer Figur dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben.

Gezeigt wird ein Regelventil mit allen wichtigen Elementen. Über einen Antrieb 1 wird eine Ventilspindel 2 betätigt, die in eine Ventilkammer 3 hineinragt und an ihrem Ende ein Ventilglied 4 aufweist. Die Eintrittsstelle der Spindel 2 in die Ventilkammer ist mittels einer dynamischen Dichtung, hier eine Stopfbuchse 6, abgedichtet. Die Bewegung der Ventilspindel 2 wird über eine Wegrückmeldung 7 einem Stellungsregler 8 aktuell mitgeteilt, der am Eingang eine elektrische Führungsgröße 12 (4 bis 20 mA hat, desweiteren über Druckmittelanschlüsse, i.a. pneumatische Anschlüsse, verfügt. Es ist dabei ein Hilfsenergiezuluftanschluß 9 vorgesehen, ferner ein Abluftanschluß 10 zur Entlüftung und ein Druckluftausgang 11, welcher die Stellgroße zur Beaufschlagung des Ventilspindelantriebes 1 liefert. Der Stellungsregler 8 enthält dabei einen Mikrorechner, der aus den entsprechenden Daten die Stopfbuchsenreibung ermittelt. Die ermittelten Reibungswerte bzw. Änderungen der Reibungswerte können dabei über einen am Stellungsregler 8 vorzusehenden Datenkommunikationsanschluß zu einer Leitstelle gegeben werden, wo eine Änderung des Dichtungszustandes der Stopfbuchse 6 angezeigt wird. Innerhalb des Mikrorechners werden die beispielsweise lastabhängig oder zyklisch aktualisierten Reibungswerte in einem Speicherfeld abgelegt.

Claims (5)

1. Regelventil mit einem druckmittelbetriebenen Antrieb und einem Stellungsregler, bei dem der Stellungsregler (8) Mittel zur Stellungsermittlung (7) der den Antrieb (1) und den Stellungsregler (8) verbindenden Ventilspindel (2) aufweist, wobei die Ventilspindel (2) zur Betätigung des Ventilgliedes (4) des Regelventiles in eine Ventilkammer über eine dynamische Dichtung (6) abgedichtet einmündet, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregler (8) einen Mikrorechner aufweist, in welchem unter Zuhilfenahme der Zeit die Ermittlung der physikalischen Größen Anfahrzeit, Anhaltezeit und Auslaufstrecke vorgesehen ist, aus welchen durch den Mikrorechner relative Indexe ermittelbar sind, die den jeweils von der dynamischen Dichtung erzeugten aktuellen Reibungswert der Ventilspindel (2) repräsentieren.

2. Verfahren zur Ermittlung des Betriebszustandes und der Betriebsparameter bei einem Regelventil, bei welchem ein Ventilantrieb und ein Stellungsregler über eine Ventilspindel verbunden sind, wobei die Ventilspindel zum Betätigen des Ventilgliedes in eine Ventilkammer über eine dynamische Dichtung abgedichtet einmündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfahrzeit, die Anhaltezeit und die Auslaufstrecke der Ventilspindel ermittelt, und daraus ein Bewertungsindex errechnet wird, daß die jeweils ermittelten Indexe in einem Speicher abgelegt und zyklisch oder lastwechselabhängig aktualisiert werden und daß bei einer zeitlichen Änderung der Indexe auf eine Änderung der Reibungswerte der dynamischen Dichtung geschlossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfahrzeit beim Schalten vom Zustand "neutral" in den Zustand "Belüften" aus der Zeitverzögerung bestimmt wird, mit der das Ventil hinsichtlich seiner Ventilgliedbewegung der Belüftung folgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anhaltezeit beim Schalten vom Zustand "belüftet" in den Zustand "neutral" aus der Zeitverzögerung bestimmt wird, mit der das Ventil hinsichtlich seiner Ventilgliedbewegung folgt.

5. Verfahren zur Ermittlung des Betriebszustandes und der Betriebsparameter bei einem Regelventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der ventiltypischen Betriebsparameter vor Bewertung der Reibungswerte ein Autokonfigurationslauf durchgeführt wird, bei welchem die ermittelten Parameter Ausgangspunkt für die Ermittlung der Reibungswerte der dynamischen Dichtung sind.