-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Fluiddruckregler und speziell einen
verbesserten Fluiddruckregler, der intelligente Elektronik und Software
zur Verbesserung des Betriebsverhaltens hat.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Im
allgemeinen umfassen die vier Grundelemente einer Prozeßsteuerschleife
eine zu steuernde Prozeßvariable,
einen Prozeßsensor
oder -fühler,
um den Zustand der Prozeßvariablen
zu messen, eine Steuereinheit und ein Bedienungs- bzw. Stellelement.
Der Sensor liefert eine Anzeige des Zustands der Prozeßvariablen
an die Steuereinheit, die außerdem
eine Angabe des gewünschten
Zustands der Prozeßvariablen
oder den "Sollwert" enthält. Die Steuereinheit
vergleicht den Zustand der Prozeßvariablen mit dem Sollwert
und berechnet ein Korrektur- bzw. Stellsignal, das dem Stellelement
zugeführt wird,
damit dieses den Prozeß beeinflußt und ihn
in den Vorgabe- bzw. Sollzustand bringt. Das Stellelement ist der
letzte Teil der Schleife, und die üblichste Art von Stellelement
ist ein Ventil, obwohl es beispielsweise auch ein Antrieb mit Drehzahlregelung oder
eine Pumpe sein kann.
-
Ein
Druckregler ist ein einfaches, unabhängiges Steuersystem, das den
Prozeßsensor,
die Steuereinheit und das Ventil zu einer einzigen Einheit kombiniert.
Druckregler werden in großem
Umfang für
die Druckregelung in Fluidverteilungsanwendungen und in der Prozeßindustrie
verwendet, um beispielsweise einen gewünschten reduzierten Auslaßdruck aufrechtzuerhalten,
während
sie gleichzeitig für
den erforderlichen Fluiddurchfluß sorgen, um einen veränderlichen
abstromseitigen Bedarf zu decken. Druckregler fallen im allgemeinen
in zwei Hauptkategorien: direktbetätigte Regler und vorgesteuerte
Regler.
-
Ein
typischer bekannter direktgesteuerter Regler 11 ist in 1 gezeigt.
Typische Anwendungsgebiete für
direktgesteuerte Regler umfassen den industriellen, großtechnischen
und Gaseinsatz; Instrumentenluft- oder -gaszufuhr; Brenngaszufuhr zu
Brennern; Wasserdruckregelung; Dampfservice; und Schutzgaszufuhr
zu Tankbehältern.
Der direktgesteuerte Regler 11 weist einen Reglerkörper 12 auf,
der einen Einlaß 13 und
einen Auslaß 14 hat.
Ein Fluiddurchflußkanalbereich 15 mit
einem Drosselbereich 16 verbindet den Einlaß 13 und
den Auslaß 14 miteinander.
Der Drosselbereich 16 hat ein Drosselelement 17 wie
etwa einen Stopfen, eine Membran, einen Flügel, eine Hülse oder ein ähnliches
Begrenzungselement, das, wenn es bewegt wird, den Durchfluß des Fluids
(des Gases oder der Flüssigkeit)
begrenzt. Ein Betätiger,
der ein zwei Seiten aufweisendes Fühlerelement aufweist, spricht
auf Änderungen
des gesteuerten Fluiddrucks an. Beispiele von Fühlerelementen umfassen Membranen,
Trennwände
oder Kolben. Die in 1 gezeigte Ausführungsform
verwendet als Fühlerelement
eine Membran 18. Stelldruck wird auf die erste oder Steuerseite 19 des
Fühlerelements über eine
Steuerleitung oder einen Kanal 20 im Inneren des Reglerkörpers 12 aufgebracht.
Wenn eine Steuerleitung zu diesem Zweck verwendet wird, kann sie
entweder integral mit dem Reglerkörper 12 oder in den
benachbarten Leitungen angeordnet sein. Die zweite Seite oder Referenzseite 21 des
Fühlerelements
ist typischerweise auf die Atmosphäre bezogen. Eine zusätzliche
Kraft wie etwa eine Feder 22 kann auf den Betätiger wirken
und spannt das Drosselelement in eine vorbestimmte Position vor,
die einen Sollwert repräsentiert.
-
Der
in 1 gezeigte direktbetätigte Regler 11 wird
als "Druckreduzier"-Regler angesehen,
weil das Fühlerelement
(Membran 18) über
einen inneren Kanal 20 mit dem Druck an der Abstromseite
des Reglers (an der Fluidauslaßseite) 14 verbunden
ist. Ein Anstieg des abstromseitigen Drucks wird der Steuerseite 19 durch
den inneren Kanal 20 zugeführt und bringt Druck auf die
Membran 18 auf und drückt sie
gegen die Kraft der Feder 22 nach oben. Dadurch wird wiederum
das Drosselelement nach oben in den Durchflußbegrenzungsbereich 16 bewegt,
wodurch der Fluiddruck zum Reglerauslaß 20 reduziert wird.
-
Druckreduzierregler
regeln den Durchfluß durch
Erfassen des Drucks an der Abstromseite des Reglers. Ein typisches
Anwendungsgebiet von Druckreduzierreglern ist die Anbringung an
Dampfkesseln, wo Druckreduzierregler die Anfangsdruckregelung besorgen.
Wenn die Membran 18 mit dem aufstromseitigen Druck verbunden
wäre und
das Drosselelement 17 zur anderen Seite des Begrenzers 16 bewegt
würde,
würde man
den direktbetätigten
Regler 11 als "Gegendruck"-Regler bezeichnen. Gegendruckregler
werden beispielsweise im Zusammenhang mit Verdichtern verwendet,
um sicherzustellen, daß ein
Vakuumzustand den Verdichter nicht erreicht.
-
Ein
vorgesteuerter Regler gleicht im Aufbau einem direktbetätigten Regler.
Ein typischer bekannter vorgesteuerter Druckreduzierregler 23 ist
schematisch in 2A gezeigt, und ein bekannter
vorgesteuerter Gegendruckregler ist in 2B zu
sehen. Der vorgesteuerte Regler weist sämtliche Konstruktionselemente
des direktbetätigten
Reglers und zusätzlich
die Vorsteuereinrichtung 24 (auch als Relais, Verstärker oder
Vervielfacher bezeichnet) auf. Die Vorsteuereinrichtung ist eine
Hilfseinrichtung, die den Lastdruck auf den Reglerbetätiger verstärkt, um
den Druck zu regeln. Die Vorsteuereinrichtung ist in ihrem Aufbau ähnlich einem
selbstbetätigten
Regler und hat im wesentlichen die gleichen Elemente wie der selbstbetätigte Regler.
-
Bei
dem vorgesteuerten Regler 23 gemäß den 2A und 2B wird
der Einlaßdruck über eine
Druckzweigleitung 27 in der Rohrleitung an der Aufstromseite
des Reglers 23 zugeführt.
Bei dem vorgesteuerten Gegendruckregler 23 in 2B kann die
Druckzweigleitung 27 außerdem eine Drosselstelle 26 darin
aufweisen. Der Einlaßdruck
zu der Vorsteuereinrichtung kann außerdem durch eine integrale
Druckzweigleitung zum Reglerkörper
geliefert werden. Auslaßdruck
wird durch eine Leitung 20 rückgekoppelt, die mit der Abstromseite
des Reglers 23 verbunden ist. Der abstromseitige Druck
wird mit der Vorsteuereinrichtung 24 und dem Hauptregler 10 verbunden.
Die Vorsteuereinrichtung 24 verstärkt die Druckdifferenz über die
Hauptreglermembran 18, um entweder den aufstromseitigen
Fluiddruck (Gegendruck) oder den abstromseitigen (druckreduzierenden)
Fluiddruck zu steuern.
-
Druckregler
bieten viele Vorteile gegenüber anderen
Steuereinrichtungen. Regler sind relativ kostengünstig. Sie benötigen im
allgemeinen keine äußere Energieversorgung,
um die Drucksteuerfunktion auszuführen; statt dessen nutzen Regler
den Druck des gesteuerten Prozesses als Energie. Ferner sind der
Prozeßsensor,
die Steuereinheit und das Steuerventil in einem relativ kleinen,
eigenständigen Gehäuse kombiniert.
Weitere Vorteile sind ein guter Frequenzgang, ein großer Arbeitsbereich,
geringe Größe, und
im allgemeinen gibt es nur wenig oder keine Leckage der Spindel.
-
Es
gibt aber bei bekannten Reglern auch Nachteile. Signifikante Probleme,
die bei existierenden Druckreglern auftreten, sind "Abfall" und "Aufbau", auch als Abweichungs- oder Proportionalbereich
bezeichnet. Der Abfall ist als die Abnahme des gesteuerten Drucks
in einem Druckreduzierregler definiert, und der Aufbau ist als ein
Anstieg des gesteuerten Drucks bei einem Gegendruckregler definiert, und
diese Erscheinungen treten auf, wenn von Niedriglast- zu Vollastdurchfluß gefahren
wird. Sie werden normalerweise als Prozentsatz ausgedrückt. Abfall und
Aufbau treten insbesondere bei direktbetätigten Reglern auf, existieren
jedoch in geringerem Maße auch
bei bekannten vorgesteuerten Reglern.
-
Regler
müssen
häufig
in einen durchflußlosen
Zustand gehen, der als "Sperrzustand" oder "Schließzustand" bezeichnet wird.
Bei einem Druckreduzierregler wie etwa dem selbstbetätigten Regler 11 in 1 oder
dem vorgesteuerten Regler 23 in 2A kann
der abstromseitige Druck einen Punkt erreichen, an dem es vorteilhaft
ist, daß der Regler 11 den
Fluiddurchfluß vollständig blockiert. Bei
diesem abstromseitigen Druck bewegt der zu der Membran 18 rückgekoppelte
Steuerdruck das Drosselelement 17 vollständig in
den Durchflußbegrenzungsbereich 16,
so daß der
Durchfluß blockiert
wird. Dieser Zustand ist als "Sperrzustand" bekannt. Bei einem
Gegendruckregler wie etwa dem vorgesteuerten Regler 23 von 2B kann
der Druck an der Aufstromseite des Reglers auf einen Wert fallen,
bei dem es notwendig ist, daß der
Regler den Durchfluß sperrt.
In diesem Fall fällt
der aufstromseitige Steuerdruck auf einen Wert, bei dem die Lastfeder
und/oder der Vorsteuerdruck das Drosselelement 17 veranlassen,
sich in eine Position zu bewegen, in welcher der Fluiddurchfluß vollständig blockiert
ist. Probleme mit inneren Teilen, Kontaminierung oder Behinderung der
Bewegung der inneren Teile können
sämtlich
zu einem Verlust der Schließfähigkeit
beitragen.
-
Da
ein Regler ein eigenständiges
Steuersystem ist, haben existierende Regler typischerweise nicht
die Fähigkeit,
mit anderen Bereichen eines Prozeßsteuersystems zu kommunizieren.
Das führt
zu mehreren Nachteilen. Da nichts vorgesehen ist, um abgesetzt einen
Sollwert anzugeben oder einen Regler abzugleichen, müssen sie
im allgemeinen manuell justiert werden. Einstellungen werden durchgeführt durch
Drehen eines Stellknopfs an dem Regler, um die gewünschte Kraft
auf den Betätiger
zu erreichen. Das ist besonders unerwünscht bei abgesetzten Anwendungen
oder bei Prozessen, die den Druck von gefährlichen Substanzen steuern.
In der Steuerwarte gibt es keine Anzeigen des Regler-Betriebsverhaltens,
und die Bediener müssen
einen fehlerhaften Betrieb von Reglern aufgrund von Meßwerten
anderer Prozeßanzeichen
folgern.
-
Der
Mangel an Kommunikations- und Verarbeitungsfähigkeiten kann auch zu Problemen
bei der Wartung führen.
Es ist schwierig oder unmöglich,
die Reglerleistung über
die Zeit genau zu überwachen, und
es gibt daher kaum eine Vorwarnung, wenn es notwendig wird, einen
Regler zu reparieren oder zu ersetzen. Auch gibt es keine Vorwarnung
für einen bevorstehenden
Ausfall, was bei existierenden Druckreglern besonders ungünstig ist:
Da sie ihre Energie aus dem Prozeß erhalten, weisen sie charakteristisch
keinen Ausfallmodusbetrieb auf. Wenn die wirksame Membran eines
federbelasteten Druckreduzierreglers ausfällt, öffnet der Regler vollständig. Das
führt zu
Problemen, wenn die abstromseitige Leitung den an der Aufstromseite
herrschenden Druckzuständen
nicht standhalten kann oder wenn ein Entlastungsventil, das den
maximalen Durchfluß des
Reglers aufnehmen kann, nicht vorhanden ist. Gegendruckregler schließen vollständig bei
einem Membranausfall, was zu ähnlichen
Problemen in bezug auf den aufstromseitigen Bereich des Prozesses führt.
-
Es
ist allgemein bekannt, daß in
vielen Situationen, in denen Druckregler verwendet werden könnten, statt
dessen Steuerventile verwendet werden. Das Steuerventil weist einen
angetriebenen Betätiger
auf, der auf von außen
zugeführte
Signale anspricht, um ein Drosselelement zu bewegen und den Durchfluß zu steuern.
Man schätzt,
daß bei
richtiger Anwendung Regler in 25% der Anwendungsgebiete, die Steuerventile
verwenden, diese ersetzen könnten.
Das Zögern
hinsichtlich der Verwendung von Reglern anstelle von Steuerventilen
geht zum großen Teil
auf die Nachteile zurück,
die bei bekannten Druck reglern vorhanden sind. Die hauptsächlichen Bedenken
sind Abfallcharakteristiken und der Mangel einer Fernbetätigung.
Anwender von Prozeßanlagen
sind jedoch ständig
bemüht,
im Kostenbereich konkurrenzfähiger
zu werden. Anwender von Prozeßeinrichtungen
suchen aber nicht nur nach Verbesserungen des Prozeßwirkungsgrads
und der verfügbaren
Betriebszeit, sondern suchen für
die Prozeßsteuerung
mit niedrigeren Kosten verbundene Lösungen. Wenn die oben angesprochenen
Begrenzungen von Reglern beseitigt würden, könnten sie für viele Anwendungsfälle von
Steuerventilen eine kostengünstigere
Option darstellen.
-
Die
US-Industrie gibt jährlich
200 Milliarden Dollar für
die Wartung von Industrieanlagen aus. Das resultiert darin, daß Wartungskosten
15 bis 40% der Kosten von jährlich
verkauften Gütern
darstellen. Außerdem
wird ein Drittel der für
Wartung ausgegebenen Gelder aufgrund von unnötiger oder nicht effektiver
Wartung vergeudet. Da bekannte Regler keine Diagnose- oder Kommunikationsfähigkeit
haben, um Informationen mit externen Systemen auszutauschen, ist
z. B. die Fehlersuche und beseitigung schwierig. Häufig werden
bei dem Versuch, nichterkannte Prozeßprobleme zu korrigieren, Regler
ausgewechselt, und später
wird erkannt, daß der
Regler richtig funktionierte. Eine Auswechslung des Reglers kann
es notwendig machen, den gesamten Prozeß anzuhalten, was zu erheblichen
Produktionszeitverlusten führt.
Eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit
von Prozeßinstrumenten
wie etwa Druckreglern sowie eine Verbesserung der Wartungsfähigkeit durch
Verarbeitungs- und Kommunikationskapazität führt zu einer deutlichen Verringerung
der Fertigungskosten.
-
Es
besteht daher eindeutig Bedarf für
einen verbesserten Druckregler, der Abfallcharakteristiken kompensiert
und ein verbessertes Betriebsverhalten zeigt. Ferner wäre es vorteilhaft,
wenn der verbesserte Regler Kommunikations- und Diagnosefähigkeiten hätte, um
einen Fernbetrieb und den Datenaustausch zuzulassen und dadurch
die Wartungsfähigkeit
zu verbessern. Außerdem
sind diese zusätzlichen
Merkmale heutzutage angesichts der Notwendigkeit von wirtschaftlich
günstigen
Lösungen
bei der Druckregelung erforderlich.
-
EP 462 432 betrifft ein automatisches
oder manuelles Prozeßsteuerventil,
das damit integriert eine Vielzahl von Sensoren, die verschiedene
physikalische Parameter des durch das Ventil strömenden Fluids erfassen, und
eine Anwendungsvorrichtung aufweist zur Steuerung des Betriebs des
Ventils und/oder zur Anzeige von Darstellungen der Parameter.
-
US 5 047 965 betrifft die
Verteilung von Erdgas oder dergleichen und speziell die Druckregelung an
Niederdruckreglerstationen, die an ausgewählten Punkten in dem Verteilungsnetz
einer Gasversorgungsanlage angeordnet sind.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung befaßt
sich mit den oben angesprochenen Nachteilen des Stands der Technik
durch Bereitstellung eines intelligenten Druckreglers, wobei das
Reglerbetriebsverhalten dadurch verbessert ist, daß er Verarbeitungs-
und Kommunikationsfähigkeiten
aufweist. Das wird erreicht, während
gleichzeitig die bestehenden Vorteile der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit
des Druckreglers erhalten bleiben.
-
Die
vorliegende Erfindung gemäß den Patentansprüchen 1 bis
12 stellt einen intelligenten Regler bereit, der ein Fluid in einem
Prozeß auf
einem vorbestimmten Druck hält
und folgendes aufweist: einen Körper,
der einen Fluideinlaß,
einen Fluidauslaß und
einen Fluiddurchflußkanal
in Fluidverbindung mit dem Einlaß und dem Auslaß definiert;
ein Drosselelement, das in dem Durchflußkanal bewegbar ist, um den
Fluiddurchfluß durch
den Durchflußkanal
selektiv zu begrenzen; eine Betätigungseinheit, die
mit dem Drosselelement gekoppelt ist, um das Drosselelement selektiv
zu bewegen, wobei die Betätigungseinheit
eine Steuerseite und eine Referenzseite hat; eine Referenzlast,
die mit der Referenzseite der Betätigungseinheit gekoppelt ist,
um das Drosselelement in eine vorbestimmte Referenzposition zu beaufschlagen;
eine Rückkopplungsleitung
zum Aufbringen von Druck von dem Fluid in dem Prozeß auf die
Steuerseite der Betätigungseinheit,
um die Betätigungseinheit
gegen die Referenzlast zu bewegen, um das Drosselelement in dem
Durchflußkanal
zu positionieren; dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Drucksensor ein
Signal abgibt, das den Druck des Fluids in dem Prozeß an einer
ersten Stelle in dem Prozeß bezeichnet;
und eine Steuereinheit das den Druck des Fluids bezeichnende Signal
empfängt
und ein Fehlersignal ausgibt, das der Differenz zwischen dem erfaßten Druck
und dem vorbestimmten Druckpegel entspricht, wobei die Steuereinheit
aufweist: einen Digitalspeicher zum Speichern der Fehlersignale zu
verschiedenen Zeiten während
des Betriebs des Druckreglers und einen Prozessor zur Ausführung einer
Routine, welche die Fehlersignale zu verschiedenen Zeiten vergleicht,
um Diagnosedaten zu gewinnen, die dem Betrieb des Druckreglers entsprechen.
-
Ein
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung nach den Patentansprüchen
13 bis 21 zum Ausführen
einer Online-Diagnose an einem Druckregler, der Druck in einem Prozeß durch
Aufbringen des Prozeßdrucks
auf eine Betätigungseinheit
auf einem Sollwert hält,
um ein Fluiddurchfluß-Drosselelement
einzustellen, wobei der Druckregler einen Einlaß hat, ist dadurch gekennzeichnet,
daß das
Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Sammeln von Grundliniendaten
für den
Regler, welche die Betriebscharakteristiken des Druckreglers zu
einem ersten Zeitpunkt bezeichnen, und Speichern der Grundliniendaten
in einer Speichereinrichtung; Sammeln von Ausführungsdaten, welche die Betriebscharakteristiken
des Reglers zu einem zweiten Zeitpunkt bezeichnen; und Vergleichen
der Ausführungsdaten
mit den Grundliniendaten, um Diagnoseinformation zu erhalten, die
den Betrieb des Druckreglers betrifft.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine schematische Darstellung eines typischen bekannten direktbetätigten Druckreglers;
-
2A ist
eine schematische Darstellung eines typischen bekannten vorgesteuerten
Druckreduzierreglers;
-
2B ist
eine schematische Darstellung eines typischen bekannten vorgesteuerten
Gegendruckreglers;
-
3 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
eines der Gegendrucksteuerung dienenden intelligenten Reglers gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
4 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform
eines intelligenten Druckreduzierreglers gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
5A ist
ein Diagramm der Abfallkompensationsfunktion der elektronischen
Steuereinheit für eine
Ausführungsform
der Erfindung;
-
5B ist
ein Diagramm der Anstiegskompensationsfunktion der elektronischen
Steuereinheit für
eine Ausführungsform
der Erfindung;
-
6 ist
ein Blockbild des intelligenten Reglers, wobei die Funktionsbereiche
des selbstbetätigten
Reglers und der elektronischen Steuereinheit hervorgehoben sind;
-
7 zeigt
schematisch die elektronische Steuereinheit einer Ausführungsform
der Erfindung;
-
8A ist
ein Reglerabweichungsdiagramm, wobei der Solldruckwert und der Steuerdruck über dem
Durchfluß bei
einem Druckreduzierregler aufgetragen sind;
-
8B ist
ein Reglerabweichungsdiagramm, wobei der Solldruckwert und der Steuerdruck über dem
Durchfluß bei
einem Gegendruckregler aufgetragen sind;
-
9A ist
ein Reglerempfindlichkeitsdiagramm, das Steuerdruckkurven für verschiedene Einlaßdrücke bei
einem Druckreduzierregler zeigt;
-
9B ist
ein Reglerempfindlichkeitsdiagramm, das Steuerdruckkurven für verschiedene Einlaßdrücke bei
einem Gegendruckregler zeigt;
-
10 ist
ein Diagramm, das ein Maß des Hysteresefehlers
bei einem Druckregler veranschaulicht;
-
11A ist ein Diagramm, das den "Sperrzustand" bei einem Druckreduzierregler verdeutlicht;
-
11B ist ein Diagramm, das den "Schließzustand" bei einem Gegendruckregler verdeutlicht;
-
12 zeigt
eine Nachrichtenverbindung zwischen einem intelligenten Regler gemäß der vorliegenden
Erfindung und einer externen Steuerwarte unter Verwendung eines
einzigen verdrillten Paars mit Fieldbus;
-
13 zeigt
eine Nachrichtenverbindung zwischen einem intelligenten Regler gemäß der vorliegenden
Erfindung und einer externen Steuerwarte unter Verwendung eines
einzigen verdrillten Paars mit HART;
-
14 zeigt
eine Nachrichtenverbindung zwischen einem intelligenten Regler gemäß der vorliegenden
Erfindung und einer externen Steuerwarte unter Verwendung einer
verdrillten vierdrähtigen Doppelpaaranordnung;
-
15 zeigt
eine Nachrichtenverbindung zwischen einem intelligenten Regler gemäß der vorliegenden
Erfindung und einer externen Steuerwarte unter Verwendung einer
Funkverbindung; und
-
16 zeigt
eine Nachrichtenverbindung zwischen einem intelligenten Regler gemäß der vorliegenden
Erfindung und einer externen Steuerwarte unter Verwendung von alternativen
Kommunikationseinrichtungen wie Modem oder Lichtwellenleitern.
-
GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
Zeichnungen und speziell die 3 und 4 zeigen
schematisch zwei Ausführungsformen eines
intelligenten Druckreglers gemäß der vorliegenden
Erfindung. Jede Ausführungsform
ist allgemein mit 10 bezeichnet und weist einen selbstbetätigten Regler
und eine elektronische Steuereinheit (in 3 und 4 von
einer Strichlinie umgeben) auf. Im allgemeinen zeigt 3 einen
intelligenten Regler gemäß der vorliegenden Erfindung,
der zur Gegendrucksteuerung verwendet wird, wogegen 4 einen
intelligenten Regler gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Druckreduzierung zeigt. In 3 ist der Fluiddurchfluß von rechts
nach links. In 4 ist der Fluiddurchfluß von links
nach rechts. Die speziellen Ausführungsformen
der 3 und 4 weisen einen selbstbetätigten Regler
auf, aber der Fachmann könnte
unter Bezugnahme auf die vorliegende Offenbarung die Erfindung unter
Verwendung eines vorgesteuerten Reglers implementieren.
-
In
den Figuren umfaßt
der selbstbetätigte Regler 11 einen
Körper 12,
der einen Fluideinlaß 13, einen
Fluidauslaß 14 und
einen Durchflußkanal 15 aufweist,
der den Einlaß 13 und
den Auslaß 14 miteinander
verbindet. Ein Durchflußbegrenzungsbereich 16 befindet
sich in dem Durchflußkanal 15,
und ein Drosselelement 17 hat die Funktion, den Fluiddurchfluß durch
den Begrenzungsbereich 16 zu begrenzen. Das Drosselelement 17 kann
einen Stopfen, eine Membran, einen Flügel, eine Hülse oder ein anderes geeignetes
Element aufweisen, das den Fluiddurchfluß begrenzt, wenn es in dem
Begrenzungsbereich 16 bewegt wird. Ferner weist der Regler 10 eine
Betätigungseinheit
mit einem Sensorelement auf, das bei den in den 3 und 4 gezeigten speziellen
Ausführungsformen
eine Membran 18 aufweist, die mit dem Reglerkörper 12 gekoppelt
ist. Das Sensorelement kann alternativ als Membran oder als Kolben
ausgebildet sein. Ein Gleitkolben 29 verbindet das Drosselelement 17 mit
der Membran 18. Die Membran 18 weist eine Steuerseite 19 auf,
die mit Steuerdruck 30 beaufschlagt wird. Der Steuerdruck 30 ist
mit der Membran 18 durch eine (nicht gezeigte) Steuerleitung
oder einen (nicht gezeigten) Kanal im Inneren des Ventilkörpers 12 oder
außerhalb
desselben verbunden.
-
Die
in 3 gezeigte Ausführungsform des Reglers 10 ist
ein Gegendruckregler, weil der Steuerdruck 30 auf die Membran 18 an
der Aufstromseite des Reglers 10 aufgebracht wird. 4 zeigt
einen Druckreduzierregler, wobei die Membran 18 mit dem Steuerdruck 30 an
der Abstromseite des Reglers 10 verbunden ist. Die Membran 18 weist
ferner eine Referenzseite 21 entgegengesetzt zu der Steuerseite 19 auf,
die mit der Atmosphäre
verbunden ist. Bei bekannten Reglern weist die Referenzseite charakteristisch
eine Feder 22 oder eine andere geeignete Einrichtung wie
etwa ein Gewicht auf, das auf die Referenzseite 21 eine
zusätzliche
Kraft aufbringt. Ferner ist eine Stellschraube 31 so positioniert,
daß die
Anfangsposition der Feder 22 einstellbar ist.
-
Bei
dem Gegendruckregler 10 von 3 ist das
Prozeßfluid
als eine Leitung 32 durchströmend gezeigt. Die Feder 22 ist
so vorgespannt, daß sie
die Tendenz hat, das Drosselelement 17 in einer im wesentlichen
geschlossenen Position zu halten. Das Fluid strömt in den Einlaß 13,
durch den Begrenzungsbereich 16 und aus dem Auslaß 14.
Der Steuerdruck 30 ist mit der Steuerseite 19 der
Membran 18 derart verbunden, daß der Systemdruck von einer aufstromseitigen
Stelle auf die Steuerseite 19 aufgebracht wird und die
Membran 18 zwangsläufig
gegen die Feder 22 bewegt, die den Kolben und das Drosselelement 17 auf
die erforderliche Weise bewegt, um den Durchfluß durch den Begrenzungsbereich 16 zu
variieren und dadurch den Fluiddruck zu regulieren.
-
Der
Druckreduzierregler 10 von 4 wirkt auf
eine ähnliche
Weise wie der in Verbindung mit 3 erläuterte Gegendruckregler
mit der Ausnahme, daß der
Steuerdruck 30 abstromseitig von dem Regler 10 erfaßt wird
und das Drosselelement 17 sich an der entgegengesetzten
Seite des Begrenzungsbereichs 16 befindet. Bei dem Druckreduzierregler 10 bringt
die Feder 22 eine Kraft auf die Referenzseite 21 der
Membran 18 auf solche Weise auf, daß das Drosselelement 17 in
eine im wesentlichen offene Position oder aus dem Durchflußbegrenzungsbereich 16 hinaus
vorgespannt wird. Der Steuerdruck 30 wird auf die Steuerseite 19 der
Membran 18 von einer abstromseitigen Stelle aufgebracht,
wodurch das Drosselelement 17 weiter in den oder aus dem
Begrenzungsbereich 16 bewegt wird, um den abstromseitigen
Druck durch Regulierung des Durchflusses durch den Begrenzungsbereich 16 zu
steuern.
-
Bei
dem Federbeaufschlagungssystem von typischen selbstbetätigten Reglern
zeigt der gesteuerte Druck die Tendenz abzunehmen, während sich der
Durchfluß von
einer Minimal- zu einer Maximalrate ändert. Das ist bei einem Druckreduzierregler
als Abfall und bei einem Gegendruckregler als Aufbau bekannt (auch
als Proportionalitätsbereich
oder Abweichung bezeichnet). Die vorliegende Erfindung kompensiert
Abfall und Aufbau und verbessert die Präzision des Reglers durch Hinzufügen einer
elektronischen Steuereinheit 28, die außerdem eine Angabe des Sollwerts
und des Steuerdrucks empfängt. Die
Steuereinheit vergleicht den Sollwert und den Steuerdruck und liefert
dann einen Einstelldruck an die Referenzseite der Membran, um die
Begrenzungen des Federmassesystems des Reglers zu kompensieren.
-
Die
Abfallregulierfunktion der elektronischen Steuereinheit ist in 5A als
Diagramm gezeigt, wobei der Steuerdruck auf der y-Achse und die Durchflußrate auf
der x-Achse aufgetragen ist. In 5A zeigt
die mit "a" bezeichnete Kurve
den Abfall oder die Abweichung eines typischen selbstbetätigten Druckreduzierreglers,
während
der Steuerdruck mit zunehmender Durchflußrate abfällt. Die mit "b" bezeichnete Kurve zeigt den Ausgangswert
der elektronischen Steuereinheit zur Kompensation des in Kurve a
von 5A gezeigten Abfalls. Unter Vernachlässigung
der Reibungseffekte sind diese Kurven im wesentlichen Spiegelkurven.
Kurve "c" zeigt das Ergebnis
der Kombination der Kurven "a" und "b", das gleich dem Sollwert ist.
-
Ebenso
ist in 5B die Aufbauregulierfunktion
als Diagramm dargestellt. Ebenso wie in 5A zeigt
die Kurve "a" in 5B den
Aufbau oder die Abweichung eines Gegendruckreglers, wobei der Steuerdruck
mit zunehmender Durchflußrate
ansteigt. Die Kurve "b" zeigt den Ausgang
der elektronischen Steuereinheit zum Ausgleich des in Kurve a von 5B gezeigten
Aufbaus. Unter Vernachlässigung der
Reibungseffekte spiegeln diese Kurven einander im wesentlichen ähnlich den
in 5A gezeigten Abfall-Kurven. Kurve "c" zeigt
das Ergebnis der Kombination der Kurven "a" und "b", das gleich dem Sollwert ist.
-
Es
wird erneut auf die 3 und 4 Bezug
genommen; die elektronische Steuereinheit 28 umfaßt einen
Druck-Strom- bzw. P/I-Umwandler 33, einen Prozessor, der
als ein Proportional-Integral-Differential- bzw. PID-Regler 34 wirksam
ist, und einen Strom-Druck-
bzw. I/P-Umwandler 35. Der PID-Regler 34 kann
in einem Mikroprozessor verkörpert
sein. Die elektronische Steuereinheit 28 wird von einer
externen Energiequelle 36 versorgt, die in den 3 und 4 als
eine 24-V-Energiequelle gezeigt ist. Energie kann von einer Reihe
von geeigneten Energiequellen geliefert werden, was eine externe
Energiequelle wie etwa einen Transformator oder Schleifenenergie
von einem verteilten Steuersystem, einen Energieerzeuger, der in
den selbstbetätigten
Regler eingebaut ist und Druck aus dem gesteuerten Prozeß als Energiequelle
nutzt, Sonnenenergie oder Batterieenergie umfaßt. Eine Druckquelle 37 versorgt
den I/P-Umwandler 35, welcher der Referenzseite 21 der Membran 18 pneumatischen
Druck liefert, um in Abhängigkeit
von den Durchflußbedingungen
Abfall- oder Aufbaukompensation nach Bedarf zu ermöglichen.
Eine Alternative zur Verwendung einer Druckquelle 37 für die Bereitstellung
von pneumatischem Druck besteht im Treiben der Betätigungseinheit
mit einem Elektromotor, und in diesem Fall wäre der I/P-Umwandler 35 nicht
vorgesehen. Statt dessen würde
der Motor direkt von dem PID-Regler 34 ein Signal empfangen.
-
Die
Funktionsbereiche der beispielhaften Ausführungsform des intelligenten
Reglers 10 sind in 6 gezeigt.
Der Grobsollwert-Block 38 stellt den gewünschten
Druck oder Sollwert dar, der bei einer Ausführungsform der Erfindung in
Form der Reglerbelastungsfeder ist, die eine Kraft auf die Referenzseite
der Membran, die als Summenpunkt 39 gezeigt ist, aufbringt.
Der Sollwert 38 ist ein "Grob"-Sollwert, weil
die von dem selbstbetätigten
Regler 11 durchgeführte
Druckregulierung einem Abfall unterliegt. Der Grobsollwert 38 wird
in den selbstbetätigten
Regler eingegeben durch Verstellen einer Stellschraube, welche die
Kraft der Reglerfeder einstellt. Die von der Regler-Lastfeder auf
die Membran aufgebrachte Kraft ist an dem Summenpunkt 39 als
eine positive (+) Kraft gezeigt.
-
Die
Kraft von dem Summenpunkt 39 etabliert gemeinsam mit der
Federkonstanten der Reglerfeder die Position des Drosselelements
des Reglers in dem Begrenzungsbereich. Ein Verstärkungsfaktor 40 wird auf
die Positionsinformation angewandt, um die Ausgangsdurchflußrate W
des Reglers zu bilden. Der Ausgangsdurchfluß W wird mit dem gewünschten oder
Lastdurchfluß WL
an einem Summenpunkt 41 verglichen. Wenn der Ausgangsdurchfluß W gleich dem
Lastdurchfluß WL
ist, befindet sich das System im stationären Zustand, und der Steuerdruck
Pc bleibt konstant. Wenn sich das System
nicht im stationären Zustand
befindet, ist der zu der Membran rückgekoppelte Steuerdruck Pc, der an dem Summenpunkt 39 als
eine negative (–)
Kraft gezeigt ist, an dem Summenpunkt 39 nicht abgeglichen.
Das resultiert darin, daß sich
das Drosselelement relativ zu dem Begrenzungsbereich bewegt, bis
der Ausgang des Summenpunkts 39 Null ist. Anders ausgedrückt, bringt
Pc eine Kraft auf die Membran auf, die der
Kraft entgegenwirkt, die von der Lastfeder aufgebracht wird, um die
Position des Drosselelements zu ändern,
das den Durchfluß einstellt,
wodurch der Druck reguliert wird.
-
Zum
Ausgleich der Abweichung und Verbesserung der Leistungsfähigkeit
des selbstbetätigten Reglers
wird eine Angabe des Steuerdrucks auch der elektronischen Steuereinheit 28 zugeführt. Der P/I-Umwandler 33,
der ein Druckwandler sein kann, der entweder integral mit dem Regler
oder an der benachbarten Leitung außerhalb des Reglers angebracht
ist, wandelt Pc in ein Signal um, das ein 4–20-mA-Signal
sein kann, wie es von einem typischen analogen Druckwandler geliefert
wird. Dann wird das Pc-Signal dem PID-Regler 34 der
elektronischen Steuereinheit zugeführt. Pc wird
von der Differential-Konstanten 42 vervielfacht, dann einem
Summenpunkt 43 gemeinsam mit dem Pc-Signal
zugeführt.
Der Ausgang des Summenpunkts 43 wird mit einem Fein-Sollwertsignal 44 von
einer externen Quelle wie etwa einem Hauptrechner oder einem verteilten
Steuersystem an dem Summenpunkt 45 verglichen, der ein
Fehlersignal erzeugt. Das Fehlersignal wird der Proportional-Konstanten 46 und
der Integral-Konstanten 47 und
dann einem Summenpunkt 48 zugeführt, der ein Ausgangssignal
bildet. Das Ausgangssignal wird in den I/P-Wandler 35 eingegeben,
der die Membran mit pneumatischem Druck beaufschlagt, der an dem
Summenpunkt 39 als positive (+) Kraft gezeigt ist.
-
Die
Addition der oben erläuterten
Verarbeitungsfähigkeiten
zum Ausgleich von Abfall und zur Verbesserung der Steuerung bietet
auch eine Möglichkeit
zur Verbesserung anderer Aspekte der Leistung eines Druckreglers,
was Fernbetätigung
und Kommunikation, verbesserten Prozeßbetrieb, Diagnosefähigkeiten,
verbessertes Wartungsvermögen, Trendbildung,
Alarmfähigkeiten
usw. umfaßt.
Diese zusätzlichen
Verbesserungen ergeben sich im einzelnen aus der weiteren Erläuterung
der elektronischen Steuereinheit.
-
Eine
Ausführungsform
des intelligenten Reglers 10 ist schematisch in 7 gezeigt.
Der selbstbetätigte
Regler 11 ist schematisch dargestellt. Zusätzlich zu
dem oben beschriebenen PID-Reglerbereich 34 weist die elektronische
Steuereinheit 28 einen Diagnoseabschnitt 49, einen
Sensorabschnitt 50, einen Kommunikationsabschnitt 51,
einen elektronischen Energieabschnitt 52 und einen Abschnitt 53 für alternative
Eingänge
auf. Diese funktionellen Abschnitte der elektronischen Steuereinheit
können sämtlich in
einem Mikroprozessor verkörpert
sein.
-
Der
Sensorabschnitt 50 liefert die Fehlersignale an den PID-Regler 34 auf
der Basis der Signale, die den Einlaßdruck P1, den abstromseitigen
Druck P2 und den Betätigerlastdruck
PL bezeichnen und entsprechend den PID-Konstanten verarbeitet werden.
Diese Signale können
von Sensoren, die mit dem Reglerkörper integral sind, oder von
externen Sensoren geliefert werden. Andere Prozeßvariablen werden an den alternativen
Eingängen 53 empfangen.
Diese Eingänge
können
Temperatursignale 65 von Temperatursensoren sein, die entweder
mit dem Regler integral oder außerhalb
des Reglers angeordnet sind. Schall- oder Schwingungswandler 66 liefern beispielsweise
Eingangssignale, die eine Leckage und/oder Kavitation oder Druckstöße in dem
Durchflußbegrenzungsbereich
bezeichnen können.
Information über
den Ventilspindelweg 57 und den Betätigerweg 68 wird den
alternativen Eingängen 53 über Bewegungswandler
zugeführt,
um den Zustand dieser Elemente zu überwachen. Informationen wie
die oben beschriebenen Eingänge
sind Beispiele von Prozeßelementen,
die dem Alternativeingangsabschnitt 53 der elektronischen
Steuereinheit 28 zugeführt
werden können.
Andere geeignete Prozeßdaten wie
etwa pH-Wert oder Durchfluß können ebenfalls über Sensoren
geliefert werden, die integral mit dem Regler oder außerhalb
desselben vorgesehen sind. Einige oder sämtliche der oben angegebenen
Sensorsignale können
Analogsignale sein, die von der elektronischen Steuereinheit in
Digitalwerte umgewandelt werden.
-
Grundlinien-Diagnosedaten
können
genutzt werden, um eine "Signatur" für einen
bestimmten Regler zu entwickeln, die in dem Speicher der Steuereinheit
oder in dem Speicher eines externen Systems gespeichert werden kann.
Leistungsinformationen, die dem Diagnoseabschnitt 49 von
dem Sensorabschnitt 50 und dem Abschnitt 53 für alternative Eingänge zur
Verfügung
gestellt werden, können dann
verarbeitet und mit den Grundliniendaten oder der Signatur verglichen
werden, und der Diagnoseabschnitt 49 kann Alarme, tatsächliche
und vorhergesagte Ausfälle
und andere diagnostische Information für den Systembetreiber bereitstellen,
wenn die Reglercharakteristiken und die Reglerleistung von der erwarteten
Signatur-Leistung um mehr als einen vorbestimmten Wert abweichen.
Die Alarmzustände
können
spontan über
unaufgeforderte Kommunikationen von dem Regler zu dem Hauptrechner
oder über
Abfragen von dem Hauptrechner gemeldet werden. Das Abfragen kann
in vorbestimmten zeitlichen Abständen
erfolgen. Alternativ kann eine Alarmeinrichtung, die beispielsweise
einen Ton- oder Sichtalarm liefert, Abweichungen von der Signatur übertragen.
Diese Information kann dann genutzt werden zur Vorhersage von Wartungsvorgängen, Verbesserung
der Systemleistung, Lebenszyklus-Zwischenspeicherung usw. Beispiele
von speziellen Informationen, die von dem Diagnoseabschnitt 49 einer
Ausführungsform der
Erfindung verarbeitet werden können,
werden nachstehend erörtert.
-
Abweichung
bzw. Offset: Wie oben beschrieben wird, weisen bekannte Regler Abweichungen wie
Abfall oder Aufbau auf. Die 8A und 8B sind
Diagramme mit dem Solldruckwert und dem Steuerdruck für einen
selbstbetätigten
Regler über dem
Durchfluß auf
der x-Achse. Der Sollwert ist über den
Durchflußbereich
konstant. Der Steuerdruck für einen
Druckreduzierregler nimmt mit zunehmender Durchflußrate ab,
wie die mit "Regler" in 8A bezeichnete
Kurve zeigt, wogegen der Steuerdruck für einen Gegendruckregler mit
zunehmender Durchflußrate
ansteigt, wie 8B zeigt (unter Vernachlässigung
einer Abfall- oder Aufbaukompensation durch die elektronische Steuereinheit).
Ein vorgesteuerter Regler würde
eine gleichartige Kurve aufweisen, obwohl die Abweichung kleiner
wäre. Die Distanz
zwischen der Abfallkurve (8A) oder
der Aufbaukurve (8B) und der Sollwertkurve bei
einer gegebenen Durchflußrate
ist die Abweichung für den
Regler. Die Abweichung kann lokal bestimmt werden über Offset = ΔP·KL wobei ΔP die Differenz zwischen dem
gesteuerten Druck und dem Einlaßdruck
und KL ein lokaler Durchflußkoeffizient
ist. Der Prozessor des intelligenten Reglers kann die Abweichung überwachen
und sie mit einem Grundlinienwert vergleichen. Eine Änderung
der Abweichung kann ein Problem beispielsweise mit der Lastkraft
(Feder) des Reglers bezeichnen. Der Bediener kann dann über diesen
Zustand informiert werden.
-
Einlaßdruckempfindlichkeit:
Die 9A und 9B zeigen
jeweils drei Kurven des Steuerdrucks gegenüber der Durchflußrate bei
verschiedenen Einlaßdrücken a,
b und c. Dies zeigt die Empfindlichkeit eines Reglers gegenüber veränderlichen
Einlaßdrücken. Bei
einer gegebenen Durchflußrate
definiert die Differenz zwischen Steuerdrücken bei unterschiedlichen
Einlaßdrücken die
Einlaßempfindlichkeit.
Die Kurven in 9A zeigen die Einlaßempfindlichkeit
für einen
Druckreduzierregler, wogegen 9B Einlaßempfindlichkeitskurven
für einen
Gegendruckregler zeigt. Ebenso wie im Fall von Offset kann die Einlaßempfindlichkeit
mit Grundlinieninformation verglichen werden, um diagnostische und Ausfallvorhersage-Informationen
von der elektronischen Steuereinheit an einen Anwender zu übermitteln.
-
Hysterese
und Unempfindlichkeitsbereich: Die Hysterese ist als die Tendenz
eines Instruments definiert, für
einen gegebenen Eingang einen davon verschiedenen Ausgang zu liefern
in Abhängigkeit davon,
ob der Eingang aus einer Erhöhung
oder einer Verringerung gegenüber
dem vorhergehenden Wert resultierte. 10 zeigt
ein Maß für den Hysteresefehler,
der Hysterese und Unempfindlichkeitsbereich umfaßt. Die Kurve a zeigt den Steuerdruck über der
Durchflußrate
für einen
abnehmenden Durchflußbedarf.
Die Kurve b zeigt eine ähnliche
Kurve für
einen steigenden Durchflußbedarf.
Anders ausgedrückt
zeigt die Kurve a den Steuerdruck bei gegebenen Durchflußraten,
wenn sich das Drosselelement in eine erste Richtung bewegt, und
die Kurve b zeigt den Steuerdruck bei entsprechenden Durchflußraten,
wenn sich das Drosselelement in der entgegengesetzten Richtung bewegt.
Die Differenz zwischen den beiden Kurven wird als "Unempfindlichkeitsbereich" bezeichnet. Die Überwachung
der Steilheit einer Hysteresekurve kann beispielsweise Informationen über die
Federkonstante liefern. Eine Änderung des
Unempfindlichkeitsbereichs oder der Steilheit einer Hysteresekurve
kann Probleme mit dem Federbetätiger,
dem Drosselelement oder einer anderen Komponente des Reglers bezeichnen
oder dazu genutzt werden, solche Probleme vorherzusagen.
-
Sperrzustand
und Schließzustand:
Die 11A und 11B zeigen
grafisch den Sperrzustand und den Schließzustand. Wenn bei einem Druckreduzierregler
(11A) der abstromseitige Druck einen vorbestimmten
Punkt über
dem Sollwert erreicht, sollte der Steuerdruck das Drosselelement veranlassen,
sich in eine vollständig
geschlossene Position zu bewegen und dadurch den Fluiddurchfluß zu verhindern.
Der Sperrpunkt ist in 11A mit "a" bezeichnet. 11B zeigt
den Schließzustand;
dies ist bei dem Gegendruckregler das Gegenstück zu dem Sperrzustand. Der
Schließzustand
tritt ein, wenn der aufstromseitige Druck auf einen Wert unter den
Sollwert fällt,
so daß das
Drosselelement in eine geschlossene Position "b" in 11B bewegt wird. Der Sperrzustand-/Schließzustand-Steuerdruckwert und
die Steilheit des Segments der Reglerdruckkurve zwischen dem Sollwert
und dem Sperrzustandspunkt oder dem Schließzustandspunkt kann bestimmt
und in dem Diagnoseabschnitt eines intelligenten Reglers oder in
einem externen Computer gespeichert werden. Alternativ kann ein
Leckage-Meßwertumformer wie
etwa ein Schall- oder seismischer Meßwertumformer verwendet werden,
um den Sperr- oder Schließzustand
mit bekannten Durchflußzuständen zu
korrelieren. Das Sperr-/Schließ-Verhalten des Reglers
wird mit diesen Grundlinienwerten verglichen, um den Reglerbetrieb
zu diagnostizieren. Änderungen
des Sperr-/Schließ-Verhaltens
können
beispielsweise Probleme mit inneren Teilen oder eine Hemmung bei
der Bewegung der inneren Teile bezeichnen.
-
Erwartete
PID-Regelung: Das Gesamtreglerverhalten kann erhalten werden durch
Betrachten des Steuerdrucks, der Abweichung, des Durchflusses und/oder
des Hysteresefehlers und Vergleichen dieser Variablen mit dem Leistungsverhalten
der erwarteten PID-Regelung.
Eine Durchflußrate
kann intern in der elektronischen Steuereinheit berechnet werden
unter Nutzung von Parametern des Durchflußkoeffizienten für den Reglerkörper in
bezug auf den Flüssigkeitsdurchfluß, Gasdurchfluß und Dampfdurchfluß des Fluids.
Dieser interne Durchfluß wird dann
mit der Betätigerstrecke
und einem Reglerkörper-Korrekturfaktor verglichen,
um den Reglerhauptdurchfluß zu
berechnen. Diese Berechnungen können
in dem elektronischen Prozessor des Reglers durchgeführt werden,
oder die Information kann über den
Kommunikationsabschnitt zum Zweck der Berechnung an einen Hauptrechner übertragen
werden.
-
Automatische
Abstimmung: Die obigen Faktoren können auch genutzt werden, um
P-, I- und D-Abstimmkonstanten
zu entwickeln. Eine stufenweise Änderung
wird in den Sollwert über
die elektronische Steuereinheit eingeführt, und dann wird die abgegebene
Antwort gemessen, um eine Diagnose der Systemdynamik auszuführen.
-
Weg:
Der Betätigerweg
ist ein wichtiger Faktor für
die Diagnose. Unter anderem wird der Betätigerweg genutzt, um Belastung
und Position des Drosselelements zu berechnen. Ein Beispiel der
Nutzung des Wegs für
Diagnosezwecke ist das Berechnen und Vergleichen der Kräfte an entgegengesetzten
Seiten der Membran. Der Diagnoseabschnitt des Prozessors kann die
Kraft berechnen, die von der Reglerlastfeder auf die Referenzseite
der Membran aufgebracht wird: (T1 +
Is)·K1 wobei T1 =
Betätigerweg,
Is = ursprüngliche Federeinstellung gemäß Vorgabe
durch die Stellschraube, und K1 = die Federkonstante.
Diese wird mit der Kraft verglichen, die auf die Steuerseite der
Membran aufgebracht wird: Pc·Awobei
Pc = der Steuerdruck und A = die Membranfläche. Bei
einem vorgesteuerten Regler kann der Vorsteuerbetätigungsweg
ebenfalls auf gleichartige Weise für die Diagnose genutzt werden.
Ferner können bei
Reglern, die zum Einstellen des Drosselelements einen Elektromotor
verwenden, die Motorspannung und der Motorstrom in bezug auf den
Weg für
Diagnosezwecke betrachtet werden. Diese Vergleichsvorgänge sowie
Bezeichnungen des Einlaß-
und des Steuerdrucks, der Einlaßempfindlichkeit,
des Hysteresefehlers und des Durchflusses werden genutzt, um diagnostische
Informationen in bezug auf die Gesundheit und die Leistung des Reglers
zu liefern.
-
Druckstöße und Kavitation:
Dies sind Erscheinungen, die in Flüssigkeitsströmungen auftreten
können
und Lärm
und Schwingungen in den Regler einführen und eventuell die Reglerstandzeit
einschränken.
Sowohl Druckstöße als auch
Kavitation stehen mit der Ausbildung von Dampfblasen in dem Fluid
im Zusammenhang. Wenn das Fluid durch den Begrenzungsbereich strömt, steigt
die Geschwindigkeit und der Druck nimmt ab, was dazu führt, daß sich Dampfblasen
ausbilden. Wenn das Fluid durch den Begrenzungsbereich strömt, wird
der Fluiddurchfluß verlangsamt
und der Druck wiederhergestellt, was dazu führt, daß die Dampfblasen heftig kollabieren. Es
können
Schall- oder Schwingungssensoren verwendet werden, um die Anwesenheit
von Kavitation oder Druckstößen direkt
zu erfassen durch Vergleichen der erfaßten Lärm-/Schwingungs-Charakteristiken
mit Grundlinien-Charakteristiken, oder es kann eine alternative
Prozeßvariable ΔPA berechnet werden: ΔPA = Kc(Pi – rcPv) wobei Kc = ein Kavitations- oder Druckstoßindex,
Pi = der Einlaßdruck, rc =
eine kritische Druckverhältniskonstante
und Pv = der Dampfdruck ist. Dieser Wert wird
mit den Eingangskonstanten des Fluidstrom-Dampfdrucks verglichen,
um die Anwesenheit von Druckstößen oder
Kavitation indirekt festzustellen und einen Alarm auszusenden.
-
Angesichts
der dem Regler hinzugefügten neuen
Diagnosefähigkeiten
kann nunmehr eine Online-Diagnose in den verschiedenen oben beschriebenen
Kategorien und in anderen Bereichen durchgeführt werden. Ein elektronischer "Sprung" – eine abrupte sprunghafte Änderung
des Sollwerts – kann
in das System eingeführt
werden. Dadurch wird die Prozeßsteuerschleife
durcheinandergebracht, und der intelligente Regler versucht dies
zu korrigieren. Während
der Regler auf den elektronischen Sprung reagiert, wird das Betriebsverhalten
des Reglers in bezug auf die verschiedenen oben beschriebenen (und andere)
Faktoren durch den Diagnoseabschnitt der elektronischen Steuereinheit
gemessen und mit der Signatur des Reglers verglichen. Das ergibt
eine Basis für
die Durchführung
der Online-Diagnose, ohne daß der
Prozeß deutlich
gestört
oder durcheinandergebracht wird.
-
Sollwert,
Konfiguration, Diagnose und andere Informationen von dem beispielhaften
intelligenten Regler können
mit externen Systemen und Einrichtungen über zahlreiche Kommunikationsmedien
ausgetauscht werden. Dadurch erhält
man die Fähigkeit zur
Fernsteuerung des Reglers, was ein wichtiges Merkmal ist, das bei
bekannten mechanischen Druckreglern nicht vorhanden ist. Ein Bediener
kann Befehle an den Regler zum Ändern
von Betriebsparametern und zum Berichten von Parametern senden.
Außerdem
können
diagnostische Informationen zur Verarbeitung an ein externes System
gesendet werden, anstatt diese Daten innerhalb des Reglers zu verarbeiten.
Die Kommunikationsfähigkeiten
des beispielhaften intelligenten Reglers sind besonders nützlich in
abgesetzten und gefährlichen
Umgebungen, wo Wartung und die Durchführung von Operationen schwierig
ist.
-
Zahlreiche
Kommunikationsmedien können mit
dem intelligenten Regler der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
etwa ein einziges verdrilltes Paar, bei dem Nachrichten der Energie überlagert oder
mit Energie moduliert werden, ein einziges verdrilltes Paar nur
für Datenübertragungen,
Funk-, Modem-, Lichtwellenleiter-, Koaxialkabel- und mehrere andere
Kommunikationstechnologien. Die Kommunikationsfähigkeit der beispielhaften
Ausführungsform der
Erfindung erlaubt auch den Austausch von Konfigurations- und Steuerinformation
mit anderen Prozeßinstrumenten
oder mit einem extern Steuersystem oder mit Hauptrechnern.
-
12 zeigt
ein Zweidraht-Kommunikationsschema, das mit einer Ausführungsform
des intelligenten Reglers der vorliegenden Erfindung unter Anwendung
des digitalen Fieldbus-Kommunikationsprotokolls implementiert werden
könnte,
wobei Digitaldaten mit Energie für
die elektronische Steuereinheit des intelligenten Reglers auf dem
einzigen verdrillten Paar kombiniert werden. Das von der Steuerwarte 54 gesendete
Signal wird durch ein Tiefpaßfilter 55 geschickt,
um die Systemenergie von den Daten zu trennen. Die Energie kann
dann durch Energiekonditionierschaltkreise 56 geleitet
und einem intelligenten Regler gemäß der vorliegenden Erfindung
und anderen Einrichtungen zugeführt
werden. Das empfangene Fieldbus-Signal wird durch Hochpaßfilter 57 geschickt,
um die Nachrichtendaten von der Systemenergie zu trennen, die dann
zu dem Kommunikationsabschnitt 51 der elektronischen Steuereinheit
geleitet wird. Zu dem Hauptrechnersystem zurückübertragene Informationen werden durch
einen Modulator 58 geschickt, um die Daten mit dem Systemenergiesignal
zu kombinieren.
-
13 zeigt
ein alternatives Kommunikationsschema, das mit einer Ausführungsform
der Erfindung unter Anwendung des HART-Protokolls implementiert
werden könnte,
wobei die digitalen Nachrichtendaten einem 4–20-mA-Analogsignal überlagert
werden. Das Signal von der Steuerwarte 54 wird durch Impedanzsteuerungs-
und Filterkreise 59 geschickt. Dann wird das 4–20-mA-Signal
aufbereitet, um dem intelligenten Regler und anderen Einrichtungen
die richtige Energie zuzuführen.
Das empfangene Signal wird in 57 gefiltert, um die Nachrichtendaten
von dem 4–20-mA-HART-Signal
zu trennen, das zu dem Kommunikationsabschnitt 51 der elektronischen
Steuereinheit weitergeleitet wird. Sendedaten werden durch einen
Modulator 58 geschickt, um die Daten mit dem 4–20-mA-Signal zu kombinieren.
-
14 zeigt
ein Beispiel eines Kommunikationssystems unter Verwendung von verdrillten
Doppelpaaren. Die Energie wird in 56 aufbereitet und zu einem
intelligenten Regler und anderen Einrichtungen auf einem der Zweidrahtpaare übertragen.
Daten werden über
das andere Zweidrahtpaar von der Steuerwarte 54 durch Sende-/Empfangsschaltungen 60 zu
dem Kommunikationsabschnitt 51 der elektronischen Steuereinheit
geleitet.
-
In 15 ist
ein Beispiel einer Kommunikationsanordnung unter Verwendung einer
Funkverbindung gezeigt. Ein Daten enthaltendes Funksignal wird von
der Steuerwarte an ein dem intelligenten Regler zugeordnetes Funkgerät 61 gesendet.
Das Signal wird durch eine Energiesteuereinrichtung 62 (wenn
das Funkgerät
des Reglers nicht mit einer Datenübertragungs-Bereitschaftssteuerung
ausgestattet ist) und geeignete Datenübermittlungshardware 63 geleitet,
dann wird die Information zu dem Kommunikationsabschnitt 51 des
Reglers geleitet. Gleichermaßen
zeigt 16 eine Konfiguration zur Nachrichtenübermittlung
zwischen einer Steuerwarte 54 und einem intelligenten Regler
gemäß der Erfindung,
wobei ein Modem oder ein Lichtwellenleiter verwendet wird. Andere Übertragungsmedien
können
ebenfalls mit einer Konfiguration wie der in 16 gezeigten
verwendet werden. Daten werden von der Steuerwarte 54 zu
einem geeigneten Sender/Empfänger 64 geleitet,
der die Daten verarbeitet und sie durch Kommunikationshardware 63 zu
dem Kommunikationsabschnitt 51 der elektronischen Steuerung überträgt.