EP2699806B1

EP2699806B1 - Elektropneumatischer stellungsregler

Info

Publication number: EP2699806B1
Application number: EP12715905.1A
Authority: EP
Inventors: Andre-Heinrich Meinhof
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: US9534617B2; EP2699806A1; DE102011007629B3; CN103477093A; WO2012143265A1; CN103477093B; US20140060029A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Stellungsregler mit einem Zuluftanschluss zum Anschließen einer Druckluftversorgungsleitung, mit zumindest einem Abluftanschluss zum Anschließen eines pneumatischen Antriebs eines Stellgeräts und mit einer in dem Stellungsregler angeordneten steuerbaren Ventilgruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Steuerung von Prozessventilen werden häufig pneumatische Stellantriebe als Stellgeräte eingesetzt, in denen eine auf ein Stellglied, beispielsweise eine mit einem Schließkörper verbundene Hubstange, wirkende Membran mit Hilfe eines gasförmigen Mediums, für das hier im Weiteren allgemein der Begriff "Luft" verwendet wird, mit veränderlichem Druck zur Erzeugung von Bewegungen beaufschlagt wird. Die Druckbeaufschlagung kann einseitig erfolgen, wobei die Membran auf der anderen Seite mit einer Feder belastet ist, oder zweiseitig, wobei unterschiedliche Drücke auf beiden Seiten der Membran die Auslenkung verursachen. Die Regelung des oder der Drücke erfolgt durch einen elektropneumatischen Stellungsregler, in welchem zumindest ein ansteuerbares Ventil unter Druck stehende Zuluft je nach Ansteuerung über einen bzw. zwei Abluftanschlüsse auf die eine bzw. auf beide Membranseiten in dem Stellantrieb verteilt.
Aus der DE 10 2004 048 689 B3 ist ein zweistufiges Vorsteuerventil zur Verwendung in einem elektropneumatischen Stellungsregler bekannt. In einer ersten Stufe sind vier Strömungswiderstände, von denen mindestens ein Strömungswiderstand veränderlich ist, in einer Brückenschaltung angeordnet. Zwei gegenüberliegende Schaltungspunkte der Brückenschaltung sind mit Zuluft bzw. Abluft zur Umgebung hin verbunden. Zwischen den beiden anderen Schaltungspunkten steht eine in Größe und Vorzeichen veränderliche Druckdifferenz bereit, die als pneumatisches Ausgangssignal des damit in der ersten Stufe realisierten elektropneumatischen Wandlers zur Ansteuerung der nachgeordneten zweiten Stufe dient. In der zweiten Stufe befindet sich eine Ventilgruppe, die einen von der Druckdifferenz betätigbaren Steuerkolben aufweist. Durch diesen wird ein pneumatisches Ventil in der Ventilgruppe betätigt, das je nach Ansteuerung entweder über die Zuluftleitung zugeführte Druckluft zu dem Abluftanschluss zum Stellantrieb hinleitet oder über denselben Abluftanschluss zugeführte Luft nach außen ableitet. An den Abluftanschluss ist beispielsweise der pneumatische Antrieb eines Regelventils angeschlossen. Bei Ausfall der pneumatischen Energie (Druckluft) wird oft gefordert, dass der von dem Stellungsregler angesteuerte Antrieb das Prozessventil automatisch in eine Sicherheitsstellung, d. h. eine im Umfeld des jeweiligen Prozesses sichere Position, in der Regel "Öffnen" oder "Schließen", bringt.
Zunehmend wird auch bei Auftreten anderer Fehler in elektropneumatischen Stellungsreglern im Rahmen der funktionalen Sicherheit, die in Sicherheitsanforderungsstufen oder "Safety Integrity Level" (SIL) klassifiziert ist, ein möglichst sicheres Erreichen der vorgegebenen Sicherheitsstellung gefordert. Es kann nämlich bei einer Fehlerbewertung zwischen gefährlichen Fehlern, bei welchen durch den Fehler oder auf eine Anforderung hin die Sicherheitsstellung nicht mehr angefahren werden kann, und ungefährlichen Fehlern, bei welchen das Gerät zwar nicht mehr funktionsfähig ist, jedoch in die vorgegebene Sicherheitsstellung versetzt wird, unterschieden werden. Materialverschleiß in Ventilen der Ventilgruppe, insbesondere bei den an Ventilen häufig verwendeten Dichtungen oder Membranen, kann bisher häufig zu gefährlichen Fehlern an elektropneumatischen Stellungsreglern führen.
Aus der DE 42 39 431 A1 sind ein Stellungsregler sowie ein Stellglied mit einem solchen Stellungsregler bekannt. Zur Überwachung wird, sofern das Stellglied eine Dichtung, insbesondere eine Gleitdichtung, aufweist, auf der druckabgewandten Seite der Dichtung ein Leckageraum vorgesehen, welcher mit einem Druckschalter verbunden ist, der bei Überschreiten eines eingestellten Druckes eine Signalgabe an den Stellungsregler erzeugt. Als Dichtung kommt insbesondere die bei Regelventilen üblicherweise vorhandene Stoffbuchse in Frage. Mit Hilfe des Druckschalters kann überwacht werden, ob sich im Leckageraum auf Grund einer Leckage ein über dem zulässigen Druck liegender Druck ausbildet. Die Signalgabe kann zur Erzeugung eines Alarms oder zur Durchführung einer Sicherheitsroutine verwendet werden.
Aus der US 2003/0208305 A1 ist ein Verfahren zum Feststellen einer Leckage mithilfe von im Regelkreis eines pneumatischen Ventils gemessenen Parametern bekannt.
Die DE 196 36 418 C2 offenbart die Verwendung eines gasdichten Gehäuses für einen Stellungsregler.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektropneumatischen Stellungsregler zu schaffen, der sich durch eine erhöhte funktionale Sicherheit auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue elektropneumatische Stellungsregler der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine wesentlich größere Anzahl eventuell auftretender Fehlerfälle nun als ungefährliche Fehler klassifiziert werden kann. Das Verhältnis zwischen gefährlichen Fehlern und ungefährlichen Fehlern wird daher deutlich günstiger.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich Materialverschleiß bei Dichtungen oder Membranen, welche in Ventilen einer Ventilgruppe Verwendung finden, meist zunächst als Druckluftleckage an den Ventilen äußert und bei deren Unterbringung in einem gasdichten Gehäuse zu einer Druckerhöhung innerhalb des Gehäuses führt. Tritt eine schleichende oder eine plötzliche Leckage, beispielsweise bei Reißen einer Membran, innerhalb des Gehäuses auf, so wird die dabei entstehende Druckerhöhung mittels eines Druckwächters festgestellt, der mit den Ventilen der Ventilgruppe zusammenwirkt und diese derart ansteuert, dass die Ventilgruppe in eine vorgegebene Sicherheitsstellung versetzt wird.
Da Ventilgruppen in elektropneumatischen Stellungsreglern meist ohnehin in einem gesonderten Gehäuse untergebracht werden, ist die Erfindung lediglich mit einem geringen Mehraufwand verbunden. Das vorhandene Gehäuse muss nämlich nur um eine geeignete Gehäuseabdichtung ergänzt werden.
Prinzipiell können der Druckwächter und die Ansteuerung der Ventilgruppe, um diese bei zu hohem Gehäuseinnendruck in Sicherheitsstellung zu versetzen, durch elektronische oder elektromechanische Mittel, beispielsweise einen Drucksensor mit nachgeschaltetem Elektromagneten, realisiert werden. Vorzugsweise werden diese jedoch ausschließlich pneumatisch betrieben, so dass in vorteilhafter Weise zu ihrem Betrieb keinerlei elektrische Hilfsenergie benötigt wird, die insbesondere bei Feldgeräten der Prozessinstrumentierung, welche mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle betrieben werden, nur beschränkt zur Verfügung steht. Zudem wird bei einer derartigen Realisierung die Sicherheitsstellung völlig unabhängig von der Betriebsfähigkeit der Elektronik des elektropneumatischen Stellungsreglers angefahren und somit die funktionale Sicherheit weiter erhöht.
Da eine geringe Leckage bis zu einer gewissen Grenze ohne Betriebsbeeinträchtigungen zulässig ist, wird eine Blende zur Entlüftung des Gehäuses mit einem vorbestimmten maximalen Luftdurchfluss vorgesehen.
Das Gehäuseinnere ist dann über die Blende als Strömungswiderstand mit der Umgebung des elektropneumatischen Stellungsreglers verbunden. In einem Ausführungsbeispiel kann die Blende so bemessen sein, dass ein Luftdurchfluss von einem Liter pro Minute zu einem Druckanstieg von 0,8 bar im Gehäuseinnenraum führt, bei welchem der Druckwächter anspricht und die Ventilgruppe in Sicherheitsstellung versetzt.
Bei einer Ausgestaltung eines elektropneumatischen Stellungsreglers, in welcher der Ventilgruppe ein elektropneumatischer Wandler vorgeschaltet ist, wird vorzugsweise die Abluftseite der Blende auf den Abluftausgang des Wandlers geschaltet. Das hat den Vorteil, dass neben der Überwachung der Ventilgruppe auf Einhalten der zulässigen Leckage auch der Abluftausgang des elektropneumatischen Wandlers auf freie Durchgängigkeit geprüft wird, da ein Verstopfen des Ausgangs, beispielsweise wegen Vereisung oder Verschmutzung der Austrittsöffnung, selbst bei geringer Leckage zu einer Erhöhung des Gehäuseinnendrucks führt und somit auch bei dieser Störung die Ventilgruppe in die Sicherheitsstellung versetzt wird. Damit kann auch ein Verschluss des Ausgangs des elektropneumatischen Wandlers als ungefährlicher Fehler klassifiziert werden, der ansonsten zur Wirkungslosigkeit der Ansteuerung der Ventilgruppe und damit zu einem gefährlichen Fehler des Stellungsreglers führen könnte.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Stellung der Ventilgruppe durch eine Reglerelektronik, die üblicherweise in elektropneumatischen Stellungsreglern vorhanden ist, erfassbar, so dass diese ein Signal zur Anzeige eines Fehlerzustands, beispielsweise in Form einer Alarmmeldung über einen Feldbus, ausgibt, wenn die Ventilgruppe sich in der Sicherheitsstellung befindet, dieser Zustand jedoch nicht der Ansteuerung der Ventilgruppe durch die Reglerelektronik und einem eventuell dieser nachgeschalteten elektropneumatischen Wandler entspricht. In einem Automatisierungsgerät oder einer Leitstation als Empfänger des Alarms kann dieser weiterverarbeitet und an einen Bediener ausgegeben werden, so dass durch diesen Wartungsarbeiten oder sonstige geeignete Aktionen zur Behandlung des gemeldeten Fehlerzustands eingeleitet werden können.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
In der Figur sind lediglich die zum Verständnis der Erfindung beitragenden Teile eines elektropneumatischen Stellungsreglers sowie ein daran angeschlossener pneumatischer Antrieb 1 für ein Stellgerät 2, hier ein Prozessventil, dargestellt. Der pneumatische Stellungsregler weist ein Vorsteuerventil 3 sowie eine Reglerelektronik 4 auf. Ein Zuluftanschluss 5 dient zum Anschließen einer Druckluftversorgungsleitung 6, über welche beispielsweise Druckluft mit 6 bar Druck dem Vorsteuerventil 3 zugeführt wird. Die obere Kammer 7 des Antriebs 1 ist mit einem Abluftanschluss 8 des Vorsteuerventils verbunden. Je nach Ansteuerung wird der Kammer 7 entweder mittels eines Zuluftventils 9 Druckluft von der Druckluftversorgungsleitung 6 zugeleitet oder von der Druckkammer 7 mittels eines Abluftventils 10 über einen Ventilausgang 11 in die Umgebung abgeleitet. Durch eine geeignete Verriegelungsmechanik, welche der Übersichtlichkeit wegen in der Figur nicht dargestellt ist, wird dafür gesorgt, dass die beiden Ventile 9 und 10 nie gleichzeitig geöffnet sind, da sonst Druckluft ungenutzt in die Umgebung entweichen könnte. Zur Regelung der Position des Stellgeräts 2 über den in der Druckkammer 7 des Antriebs 1 eingestellten Druck dienen die Reglerelektronik 4, ein elektropneumatischer Wandler 12, der in bekannter Weise als Brückenschaltung von Strömungswiderständen ausgeführt ist, und ein Booster-Antrieb 13 zur Betätigung des Zuluftventils 9 und des Abluftventils 10 entsprechend der mit Hilfe des elektropneumatischen Wandlers 12 eingestellten Druckdifferenz.
Durch einen Druckregler 19 wird der Versorgungsdruck von beispielsweise 6 bar auf einen geregelten Druck von beispielsweise 1,4 bar, welcher an der Brückenschaltung des elektropneumatischen Wandlers 12 anliegt, reduziert.
Eine Ventilgruppe des elektropneumatischen Stellungsreglers, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus dem Zuluftventil 9, dem Abluftventil 10 und dem Booster-Antrieb 13 besteht, ist in einem gasdichten Gehäuse 14 innerhalb des Stellungsreglers angeordnet. Durch einen Druckwächter 15 wird der innerhalb des Gehäuses 14 herrschende Druck auf Einhalten eines vorbestimmten Schwellwerts von beispielsweise 0,8 bar überwacht. Alle freien Innenräume innerhalb des gasdichten Gehäuses 14, die den Druckkammern des Booster-Antriebs 13 entgegengesetzten Bereiche, der Bereich um die Ventile 9 und 10, in der Ventilgruppe befindliche Federkammern und der Bereich um die Verriegelungseinrichtung der Ventile 9 und 10 sind pneumatisch miteinander verbunden. Tritt in der Ventilgruppe eine Leckage, beispielsweise ein Riss in einer Membran des Booster-Antriebs 13, auf, so entweicht Druckluft durch die Leckstelle in den gasdichten Innenraum des Gehäuses 14 und führt zu einer Druckerhöhung, die durch den Druckwächter 15 erfasst wird. Solange der Druck einen Schwellwert von 0,8 bar nicht überschreitet, greift der Druckwächter 15 nicht in die Regelung der Stellung des Stellgeräts 2 ein. Sobald jedoch der Druck über den Grenzwert hinaus ansteigt, öffnet der Druckwächter 15 das Abluftventil 10. Durch die in der Figur nicht dargestellte Verriegelungseinrichtung wird gleichzeitig das Zuluftventil 9 geschlossen, so dass der Druck in der Druckkammer 7 des Antriebs 1 schnell abfällt und das Stellgerät 2 in die Sicherheitsstellung, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einem "Öffnen" des Prozessventils entspricht, versetzt wird. Der dazu erforderliche Schaltzustand der Ventilgruppe wird ebenfalls als Sicherheitsstellung bezeichnet.
Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es in einer alternativen Ausgestaltung selbstverständlich möglich, das Prozessventil so anzuordnen, dass es bei Druckabfall in der Kammer 7 "schließt". In einer weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiels können zusätzliche Komponenten, beispielsweise der elektropneumatische Wandler 12, der Druckregler 19 und/oder der Druckwächter 15, zusätzlich in das Gehäuse 14 integriert werden.
Geringe Leckagen an der Ventilgruppe im Gehäuse 14 müssen noch nicht zwangsläufig zu Funktionsbeeinträchtigungen führen. Um zu vermeiden, dass schon bei geringen Leckagen die Sicherheitsstellung des Stellgeräts 2 eingenommen wird, ist eine Blende 16 vorgesehen, die auch als Drossel oder Strömungswiderstand bezeichnet werden kann und zwischen den Innenraum des Gehäuses 14 und einen Abluftausgang 17 des elektropneumatischen Wandlers 12 geschaltet ist. Die Blende 16 ist beispielsweise so eingestellt, dass eine Leckage von einem Liter pro Minute zu einem Druckanstieg von 0,8 bar im Gehäuse 14 führt. Der Druckwächter 15 spricht daher erst an, wenn der Luftstrom durch die Drossel 16 einen Liter pro Minute übersteigt oder wenn der Abluftausgang 17 des Wandlers 12 beispielsweise aufgrund von Vereisung oder Verschmutzung verstopft ist.
Zur Durchführung der Regelung wird in der Reglerelektronik 4 die aktuelle Stellung der Ventile 9 und 10 berücksichtigt. Um ein Ansprechen des Druckwächters 15 und ein dadurch verursachtes Anfahren der Sicherheitsstellung durch die Ventilgruppe mit den Ventilen 9 und 10 zu erkennen, wird in der Reglerelektronik 4 zusätzlich überprüft, ob die Stellung des Zuluftventils 9 und des Abluftventils 10 mit der durch die Reglerelektronik 4 über den elektropneumatischen Wandler 12 vorgegebenen Stellung übereinstimmt. Eine fehlende Übereinstimmung bei gleichzeitiger Einnahme der Sicherheitsstellung durch die Ventilgruppe bewertet die Reglerelektronik 4 als Fehlerzustand und erzeugt eine entsprechende Alarmmeldung, die beispielsweise über einen Feldbus 18, mit welchem der elektropneumatische Stellungsregler in ein Automatisierungsnetzwerk einer automatisierungstechnischen Anlage eingebunden ist, beispielsweise an eine übergeordnete Leitstation ausgegeben wird, so dass in Reaktion auf den aufgetretenen Fehler geeignete Maßnahmen zu dessen Behebung eingeleitet werden können.

Claims

Elektropneumatischer Stellungsregler
mit einem Zuluftanschluss (5) zum Anschließen einer Druckluftversorgungsleitung (6),
mit zumindest einem Abluftanschluss (8) zum Anschließen eines pneumatischen Antriebs (1) eines Stellgeräts (2) und
mit einer in dem Stellungsregler angeordneten steuerbaren Ventilgruppe (9, 10, 13) mit zumindest einem Ventil (9, 10), durch welche im Normalbetrieb je nach Ansteuerung der Ventilgruppe entweder über die Druckluftversorgungsleitung zugeführte Druckluft zu dem Abluftanschluss (8) zuleitbar oder über den Abluftanschluss (8) zugeführte Luft nach außen ableitbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die steuerbare Ventilgruppe (9, 10, 13) in einem gasdichten Gehäuse (14) innerhalb des Stellungsreglers angeordnet ist,
dass Mittel (15) vorhanden sind zur Überwachung des in dem Gehäuse herrschenden Drucks und zur Ansteuerung der Ventilgruppe (9, 10, 13) derart, dass die Ventilgruppe (9, 10, 13), wenn der Druck im Gehäuse einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, in eine vorgegebene Sicherheitsstellung versetzt wird, und
dass eine Blende (16) zur Entlüftung des Gehäuses (14) mit einem vorbestimmten maximalen Luftdurchfluss vorgesehen ist.
Elektropneumatischer Stellungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (15) zur Überwachung und Ansteuerung pneumatisch realisiert und dazu ausgebildet sind, die Ventilgruppe (9, 10, 13) pneumatisch anzusteuern.
Elektropneumatischer Stellungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilgruppe (9, 10, 13) ein elektropneumatischer Wandler (12) vorgeschaltet ist und dass die Abluftseite der Blende (16) auf den Abluftausgang (17) des Wandlers (12) geschaltet ist.
Elektropneumatischer Stellungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung der Ventilgruppe (9, 10, 13) durch eine Reglerelektronik (4) erfassbar ist und dass die Reglerelektronik (4) dazu ausgebildet ist, ein Signal (18) zur Anzeige eines Fehlerzustands auszugeben, wenn die Ventilgruppe (9, 10, 13) sich in der Sicherheitsstellung befindet und dies nicht der Ansteuerung der Ventilgruppe (9, 10, 13) durch die Reglerelektronik (4) entspricht.