EP4698788A1 - Ventilvorrichtung und verfahren zum spülen einer ventilvorrichtung - Google Patents

Ventilvorrichtung und verfahren zum spülen einer ventilvorrichtung

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EP4698788A1
EP4698788A1 EP24710064.7A EP24710064A EP4698788A1 EP 4698788 A1 EP4698788 A1 EP 4698788A1 EP 24710064 A EP24710064 A EP 24710064A EP 4698788 A1 EP4698788 A1 EP 4698788A1
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EP
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flushing
chamber
position controller
valve device
drive
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Pending
Application number
EP24710064.7A
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Tobias BOLL
Andreas FIEBIGER
Christian FIEBIGER
Stefan Kolbenschlag
Christian Mellinger
Baihua SUN
David Wagner-Stürz
Leonard YOUSIF
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Samson AG
Original Assignee
Samson AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung (10) und ein Verfahren zum Spülen einer Ventilvorrichtung (10), insbesondere eines Stellungsreglers (50) und eines Rückstellraums (121) der Ventilvorrichtung (10) Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf. Zunächst wird ein Istwert einer betriebsspezifischen und/oder fluidspezifischen Zustandsgröße bereitgestellt. Anschließend wird der bereitgestellte Istwert der Zustandsgröße mit einem definierten Sollwert oder einem definierten Sollwertbereich verglichen. Bei einer Abweichung des bereitgestellten Istwerts vom Sollwert oder dem Sollwertebereich wird ein Spülen des Rückstellraums (121) und/oder des Stellungsreglers (50), insbesondere zumindest des Elektronikraums (51) des Stellungsreglers (50), über ein Spülsteuerelement der Ventilvorrichtung (10) ausgelöst. Liegt keine Abweichung des bereitgestellten Istwerts der Zustandsgröße vom Sollwert vor wird kein Spülen vorgenommen.

Description

Ventilvorrichtung und Verfahren zum Spülen einer Ventilvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung, insbesondere für eine Prozessanlage, vorzugsweise eine prozesstechnische Anlage, wie eine Chemieanlage, beispielsweise eine Raffinerie, ein Kraftwerk, beispielsweise ein Nuklearkraftwerk, eine Lebensmittel verarbeitende Anlage, oder dergleichen, und ein Verfahren zum Spülen einer Ventilvorrichtung, insbesondere eines Stellungsreglers und eines Rückstellraums der Ventilvorrichtung. Unter der Beschleierung einer Ventilvorrichtung bzw. von Komponenten einer Ventilvorrichtung wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Spülvorgang/Spülen der entsprechenden Komponenten mit einem gasförmigen Fluid verstanden.
Ventilvorrichtungen 10 für Prozessanlagen gemäß dem Stand der Technik, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, weisen üblicherweise einen Antrieb 12 auf, der über ein Antriebselement 13 die Position eines Stellglieds 14 einstellen kann. Das Stellglied 14 sitzt dabei in einem Ventilsitz und definiert durch seine Position, welche Menge eines Fluids aus den Eingang 111 der Ventilvorrichtung 10 zum Ausgang 112 gelangt und definiert somit die Ausgangsgröße der Ventilvorrichtung 10. Antriebselement 13 und Stellglied 14 sind dabei in einem Gehäuse 11 angeordnet.
Der Antrieb 12 weist ein Antriebsgehäuse 127 auf, in dem ein Antriebswirkelement 123 in Form einer Membran angeordnet ist, welche das Antriebsgehäuse 127 in einen Rückstellraum 121 und eine Druckkammer 122 fluidisch trennt und mit dem Antriebselement 13 verbunden ist. Eine fluidische Trennung zweier Volumen ist dann gegeben, wenn kein Austausch eines Fluids zwischen den Volumen möglich ist. Im Rückstellraum 121 ist wenigstens ein Rückstellelement 124, üblicherweise in Form einer Feder, vorgesehen, welche die Membran vorspannt. Der Rückstellraum 121 ist also im Rahmen dieser Anmeldung definiert als ein Volumen im Antrieb 12, welches als Gegenspieler zur Druckkammer 122 fungiert. Dabei kann im Rückstellraum 121 ein Rückstellelement 124, beispielsweise in Form einer Feder, vorgesehen sein, oder auf sonstigem Wege eine Kraft auf das Antriebswirkelement, bspw. in Form der Membran aufgebracht werden, welche einer in der Druckkammer 122 erzeugten Kraft entgegenwirkt. Durch die Regelung des Drucks in der Druckkammer 122 kann somit die Membran bewegt werden, wodurch ebenfalls das Antriebselement 13 bewegt und somit die Position des Stellglieds 14 geregelt werden kann. Die Position der Membran und damit des Stellglieds 14 ergibt sich somit aus einem Kräftegleichgewicht an der Membran, wobei die auf die Membran wirkenden Kräfte sich zum einen durch das wenigstens eine Rückstellelement 124 und zum anderen aus den in der Druckkammer 122 und dem Rückstellraum 121 herrschenden Druck ergeben. Weiterhin ist ein Stellungsregler 50 vorgesehen, welcher die Stellung des Antriebselements 13 erfasst und entsprechend den Druck in der Druckkammer 122 regelt. Der Stellungsregler 50 ist dabei in Fig. 1 lediglich schematisch abgebildet. Der Druck in der Druckkammer 122 wird über einen Stelldruckanschluss 125 erzeugt. Um eine Bewegung der Membran zur Positionsänderung des Stellglieds 14 zu bewegen, ist im Rückstellraum 121 ein Entlüftungselement 126 vorgesehen, aus dem Druck aus dem Rückstellraum 121 entweichen kann.
Um zu verhindern, dass bei harschen Umgebungsbedingungen um die Ventilvorrichtung schädliche Luft oder Rückstände im Innenraum des Stellungsreglers bzw. im Rückstellraums sammelt, welche unter Umständen Beschädigungen an der Membran, den Federn oder der Elektronik im Stellungsregler hervorrufen könnten, werden die entsprechenden Elemente/Räume durch Abluft gespült bzw. beschleiert. Dadurch kann gewährleistet werden, dass sich möglicherweise schädliche Umgebungsbedingungen nicht lange in den entsprechenden Räumen herrschen.
Eine derartige Lösung ist beispielsweise in dem Patentdokument EP 522 285 B1 offenbart, wobei bei bestimmten Stellungen des Antriebselements eine Spülung des Rückstellraums und des Stellungsreglers vorgenommen wird. Nachteilig an einer derartigen Umsetzung und anderen herkömmlichen Lösungen des Stands der Technik ist jedoch, dass das Spülen lediglich bei bestimmten Stellungen des Antriebselements vorgenommen werden kann und somit eine bedarfsgerechte Spülung nicht vorgenommen werden kann. Weist die Luft innerhalb des Rückstellraums bzw. des Stellungsreglers beispielsweise eine hohe Luftfeuchtigkeit auf, kann dies zu Korrosionsprozessen oder ähnlichem führen.
Ebenso haben Lösungen gemäß dem Stand der Technik häufig den Nachteil, dass sie mit einem erhöhten Luftverbrauch einhergehen, wodurch Defizite im Hinblick auf den Energieaufwand zu verzeichnen sind. Dies ist insbesondere dadurch zu begründen, dass Lösungen gemäß dem Stand der Technik einen permanenten Luftstrom zum Spülen über die Druckkammer in den Rückstellraum bzw. den Stellungsregler, insbesondere dessen Elektronikraum, leiten, um einen ständigen Luftstrom zu garantieren. Dies soll jedoch insbesondere vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit vermieden werden. Entsprechende Ventilvorrichtungen mit Nullluftverbrauch, also Ventilvorrichtungen, welche im statischen Zustand keinen Luftverbrauch aufweisen existieren, können jedoch gemäß dem Stand der Technik nicht gespült werden.
Vor dem geschilderten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Ventilvorrichtung, insbesondere mit einem Nullluftverbrauch, sowie ein Verfahren zum Spülen einer Ventilvorrichtung, insbesondere einer Ventilvorrichtung mit einem Nullluftverbrauch, bereitzustellen, welche die oben beschriebenen Nachteile beseitigen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung für eine Prozessanlage weist einen insbesondere pneumatischen Antrieb mit einem Antriebsgehäuse und einem Antriebswirkelement, insbesondere in Form einer Membran, auf, welches das Antriebsgehäuse in einen Rückstellraum und eine Druckkammer fluidisch trennt. Alternativ zu einer Ausgestaltung als Membran sind auch andere Ausgestaltungen des Antriebswirkelements denkbar, beispielsweise als Kolben, als Platte oder dergleichen. Zudem sind auch kombinierte Ausgestaltungen des Antriebswirkelements denkbar, beispielsweise als über eine Membran beweglich ausgebildetes und/oder abgedichtetes Kolbenelement. Der Antrieb weist weiterhin ein Antriebselement auf, welches mit dem Antriebswirkelement derart verbunden ist, dass eine Bewegung des Antriebswirkelements über das Antriebselement an ein Stellglied übertragen wird. Das Stellglied ist dazu ausgebildet eine Ausgangsgröße der Ventilvorrichtung je nach Position des Stellglieds einzustellen. Als Ausgangsgröße wird dabei die Menge eines durch die Ventilvorrichtung einzustellenden Mediums am Ausgang der Ventilvorrichtung verstanden. Die Ventilvorrichtung weist erfindungsgemäß weiterhin einen Stellungsregler auf, der dazu ausgebildet ist, ein auf das Antriebswirkelement wirkendes Kräftegleichgewicht in Abhängigkeit von einer Position des Stellglieds zu regeln, um so die Position des Stellglieds einzustellen. Weiterhin weist die Ventilvorrichtung ein Spülsteuerelement auf, welches dazu ausgebildet ist, gasförmiges Fluid, insbesondere Luft, über eine Spülleitung im Rückstellraum und/oder am Stellungsregler, insbesondere zumindest an einem Elektronikraum des Stellungsreglers, bereitzustellen. Ferner ist wenigstens eine Recheneinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, das Spülsteuerelement zu einer Bereitstellung des gasförmigen Fluids am Rückstellraum und/oder am Stellungsregler in Abhängigkeit von einer betriebsspezifischen und/oder fluidspezifischen Zustandsgröße anzusteuern. Eine betriebsspezifische Zustandsgröße beschreibt dabei eine Zustandsgröße, welche den Betrieb der Ventilvorrichtung definiert und eine fluidspezifische Zustandsgröße definiert dabei den Zustand bzw. physikalische Eigenschaften des Fluids.
Ferner ist wenigstens ein Sensor vorgesehen, welcher dazu ausgebildet ist, eine Zustandsgröße zu erfassen, der dazu bestimmt ist in dessen Abhängigkeit das Spülsteuerelement derart anzusteuern, dass das gasförmige Fluid, insbesondere Luft, zum Spülen am Rückstellraum und/oder am Stellungsregler bereitgestellt wird.
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung ermöglicht somit ein Spülvorgang des Stellungsreglers bzw. des Rückstellraums unabhängig vom derzeitigen Betriebszustand der Ventilvorrichtung bzw. des Stellglieds vorzunehmen. Somit kann gewährleistet werden, dass eine ausreichende Spülung sichergestellt ist, um auch in korrosiven und potenziell schädlichen Umgebungsbedingungen Schäden an der Elektronik des Stellungsreglers oder den mechanischen Teilen des Antriebs der Ventilvorrichtung vermieden werden können. Unter der Spülung des Stellungsreglers ist zu verstehen, dass der Elektronikraum des Stellungsreglers, welcher eine Elektronik zur Auswertung der Positionserfassung des Antriebselements durch den Stellungsregler aufweist, gespült wird. Anhand der erfassten Zustandsgröße kann ebenfalls das Spülen so gesteuert werden, dass der Luftverbrauch möglichst geringgehalten wird und das Spülen lediglich im erforderlichen Maß erfolgt, um so möglichst energieeffizient umgesetzt zu werden.
Bevorzugt ist die Ventilvorrichtung als ein Stellventil oder eine Sicherheitsarmatur für die Prozessanlage ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich bei der Ventilvorrichtung um eine Ventilvorrichtung, welche in einem statischen Zustand und außerhalb von Spülvorgängen, abgesehen von minimalen und damit vernachlässigbaren Leckageverlusten, keinen Luftverbrauch aufweist (Nullluftverbrauch). Der statische Zustand der Ventilvorrichtung liegt dann vor, wenn der Antrieb und somit das Stellglied der Ventilvorrichtung nicht bewegt wird, also statisch ist. Bei einer Ventilvorrichtung mit einem Nullluftverbrauch ist somit nicht vorgesehen, dass Druck an einer Stelle der Ventilvorrichtung, insbesondere der Druckkammer, im statischen Betrieb oder außerhalb von Spülvorgängen entweicht. Vorzugsweise ist also der Stellungsregler der Ventilvorrichtung, insbesondere ein Pneumatikmodul des Stellungsreglers, dazu ausgebildet, dass die Ventilvorrichtung im statischen Zustand keinen Luftverbrauch aufweist. Insbesondere ist der Stellungsregler, insbesondere das Pneumatikmodul des Stellungsreglers, in einem statischen Zustand der Ventilvorrichtung und außerhalb von Spülvorgängen dazu ausgebildet, einen Luftdruck aus einer pneumatischen Versorgungsleitung zu halten, wobei kein Fluid aus dem Pneumatikmodul des Stellungsreglers entweicht. Kleinere ungewollte Leckageverluste können dabei vernachlässigt werden. Insbesondere sind die pneumatischen Verstärker und der i/p-Wandler des Pneumatikmoduls, insbesondere in einem statischen Zustand der Ventilvorrichtung, druckdicht ausgebildet. Als Pneumatikmodul wird im Rahmen der Erfindung ein pneumatisches Element verstanden, welches insbesondere einen i/p-Wandler und/oder Druckluftverstärker umfasst und dazu ausgebildet ist, einen definierten Druck bereitzustellen. Somit wird der Druck in der Druckkammer beispielsweise von einem Pneumatikmodul im Sinne der Anmeldung gestellt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Ventilvorrichtung ist im Rückstellraum wenigstens ein Rückstellelement, insbesondere in Form einer Feder, angeordnet, welches dazu ausgebildet ist, eine Rückstellkraft auf das Antriebswirkelement aufzubringen und dieses entsprechend vorzuspannen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine vergleichsweise einfach umzusetzende und kostengünstige Möglichkeit der Rückstellung des Antriebwirkelements bzw. des Stellglieds umgesetzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Ventileinrichtung, welche ein Rückstellelement dieser Art aufweisen und bei denen ein Luftaustausch im Rückstellraum lediglich bei der Betätigung des Ventils auftritt, kann in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Spülung mittels des Spülsteuerelements der vorteilhafte Effekt erzielt werden, dass Korrosion an dem Rückstellelement vermieden werden kann oder zumindest die Ausbildung von Korrosion gehemmt werden kann. Alternativ sind auch Ausgestaltungen der Ventilvorrichtung mit einem doppeltwirkenden, insbesondere pneumatischen, Antrieb denkbar, wobei eine Rückstellkraft im Rückstellraum durch Druckluft und/oder ein anderes Medium bereitgestellt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung ist wenigstens ein Sensor vorgesehen, welcher dazu ausgebildet ist, eine betriebsspezifische und/oder fluidspezifische Zustandsgröße zu erfassen. Der wenigstens eine Sensor ist dabei dazu ausgebildet eine Temperatur des Fluids, einen Druck des Fluids, eine Fremdkörperkonzentration in dem Fluid beispielsweise einen Verschmutzungsgrad des Fluids innerhalb des Stellungsreglers und/oder des Rückstellraums, einen Geruchparameter beispielsweise in Form einer Gaskonzentration in dem Fluid und/oder eine Luftfeuchtigkeit in dem Fluid als fluidspezifische Zustandsgröße zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich dazu ist der Sensor dazu ausgebildet eine vergangene Zeit, vorzugsweise zu einem vorhergehenden Spülvorgang und/oder zu einer vorhergehenden Stellbewegung des Stellglieds durch den Antrieb als betriebsspezifische Zustandsgröße zu messen. Im Rahmen dieser Anmeldung wird somit auch eine Uhr bzw. Zeitmessgerät als Sensor verstanden. Gemessene Temperaturen oder Drücke des Fluids sind dabei ebenso als betriebsspezifische Zustandsgröße zu verstehen und nicht rein fluidspezifisch. Vorzugsweise werden unterschiedliche Sensoren zur Messung unterschiedlicher Zustandsgrößen an unterschiedlichen Stellen eingesetzt, um das Spülen zu regeln. Auf diese Weise kann eine weiterhin verbesserte Regelung des Spülvorgangs, welche unterschiedliche Zustandsgrößen berücksichtigt sichergestellt werden. Anhand der Messung der Temperatur, des Drucks sowie der Luftfeuchtigkeit kann in besonders effizienter Weise auf eine beispielsweise korrosionsfördernde und damit schädliche Umgebung geschlossen werden, sodass Rückschlüsse auf den durchzuführenden Spülvorgang getätigt werden können, um diese zu optimieren.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Sensor dabei auf der Innenseite oder der Außenseite eines Entlüftungselements des Rückstellraums oder des Stellungsreglers angeordnet. Durch eine derartige Anordnung kann die Beschaffenheit des austretenden bzw. gerade ausgetretenen gasförmigen Fluids analysiert werden, was hilfreich zur verbesserten Einstellung des Spülvorgangs sind. Das Entlüftungselement ist dabei insbesondere als Ventil oder Membran ausgestaltet, welches selbstständig einen festgelegten Überdruck aus dem Rückstellraum bzw. dem Stellungsregler, insbesondere dem Elektronikraum des Stellungsreglers, ausleitet. Dabei wird durch das Entlüftungselement ein Überdruck von zwischen 50 mbar und 300 mbar, bevorzugt zwischen 80 mbar und 200 mbar und besonders bevorzugt etwa 100 mbar, im Rückstellraum bzw. Stellungsregler gehalten. Das Entlüftungselement lässt entsprechend erst bei einem höheren Überdruck Fluid aus dem Innenraum ab. Sinkt der Überdruck im Inneren, kann möglicherweise Schmutz oder verunreinigte Umgebungsluft in den Stellungsregler bzw. den Rückstellraum gelangen. Dies kann durch ein regelmäßiges Spülen verhindert werden, indem der erforderliche Überdruck im Innenraum wieder aufgebaut wird .Vorzugsweise ist das gasförmige Fluid zum Spülen, das gleiche Fluid, welches zum Stellen der Antriebskraft in die Druckkammer geleitet wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dabei lediglich eine Zuluftleitung vorgesehen, anhand derer das entsprechende gasförmige Fluid bereitgestellt wird.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Rückleitung zwischen dem Rückstellraum und dem Stellungsregler angeordnet, wobei die Rückleitung wenigstens einen Sensor aufweist. Durch die Rückleitung kann dabei das zum Spülen verwendete gasförmige Fluid von dem Rückstellraum in den Stellungsregler gelangen oder umgekehrt. In einer derartigen Ausführungsform erfolgt das Spülen somit sequentiell, wobei insbesondere für das Spülen des zweiten Raums (Rückstellraum oder Stellungsregler) die durch den Sensor erfassten Eigenschaften des gasförmigen Fluids in der Rückleitung beachtet werden können und somit die Spülung weiter verbessert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Stellungsregler ein Pneumatikmodul auf, welches dazu ausgebildet ist, einen Druck in der Druckkammer über eine Steuerleitung bereitzustellen, wobei das Pneumatikmodul ebenfalls das Spülsteuerelement bildet. Das Pneumatikmodul übernimmt somit sowohl die Druckänderung in der Druckkammer zur Regelung des Stellglieds also auch die Bereitstellung des gasförmigen Fluids zum Spülen des Rückstellraums bzw. des Stellungsreglers. Auf diese Weise muss kein zusätzliches Spülsteuerelement in der Vorrichtung vorgesehen werden. Beispielsweise ist das Pneumatikmodul in einer vorteilhaften Ausführungsform dazu ausgebildet, gasförmiges Fluid, welches über eine Zuluftleitung am Pneumatikmodul bereitgestellt wird, derart in der Druckkammer bereitzustellen, dass diese leicht belüftet wird, ohne, dass sich eine Ventilstellung ändert und anschließend den aufgrund der gebildeten Druckdifferenz in der Druckkammer aus dieser zurückströmende zum Belüften der Rückstellkammer bzw. des Stellungsreglers selbst, insbesondere dessen Elektronikraum, weiterzuleiten.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Pneumatikmodul dazu ausgebildet das durch die Zuluftleitung bereitgestellte gasförmige Fluid in die Druckkammer zu leiten und gleichzeitig im Fall eines Spülvorgangs dosiert in den zu spülenden Rückstellraum bzw. den Stellungsregler zu leiten. In diesem Fall wird somit der zur Verfügung gestellte Fluidstrom durch das Pneumatikmodul aufgeteilt.
In einer dazu alternativen Ausführungsform der Erfindung, also eine Ausführungsform, bei der das Pneumatikmodul nicht dazu ausgebildet ist, einen Druck in der Druckkammer über eine Steuerleitung bereitzustellen und ebenfalls das Spülsteuerelement zu bilden, weist die Erfindung ein insbesondere elektrisches Spülventil, beispielsweise in Form eines i/p-Wandlers auf, welches als Spülsteuerelement ausgebildet ist und der Stellungsregler insbesondere dazu ausgebildet ist, das Spülventil zu steuern. Somit erfolgt die Versorgung der Druckkammer und der Versorgung des Rückstellraums bzw. des Stellungsreglers zum Spülen durch unterschiedliche pneumatische Elemente. Das Spülventil wird dabei vorzugsweise direkt durch eine Zuluftleitung mit gasförmigem Fluid zum Spülen versorgt. Durch eine derartige Ausführungsform ist es möglich unterschiedliche Fluide zur Versorgung der Druckkammer und des Rückstellraums bzw. des Stellungsreglers zu ermöglichen und das Spülen von der Regelung des Stellglieds zu trennen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in der Spülleitung ein Dreiwegeventil vorgesehen, welches dazu ausgebildet ist, die Spülleitung in eine erste Druckleitung und eine zweite Druckleitung aufteilt. Die erste Druckleitung verbindet dabei das Dreiwegeventil mit dem Rückstellraum und die zweite Druckleitung verbindet das Dreiwegeventil mit dem Stellungsregler. Durch eine derartige Ausführungsform können Stellungsregler und Rückstellraum parallel gespült werden und nicht sequentiell, wodurch eine verbesserte Qualität der Spülung erzielt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung weisen der Rückstellraum und/oder der Stellungsregler, insbesondere am Elektronikraum, jeweils ein Spüleingangselement und ein Entlüftungselement auf, wobei das Spüleingangselement dazu ausgebildet ist, gasförmiges Fluid in den Rückstellraum und/oder den Stellungsregler, insbesondere den Elektronikraum, einzubringen und das Entlüftungselement dazu ausgebildet ist, gasförmiges Fluid aus dem Rückstellraum und/oder dem Stellungsregler, insbesondere dem Elektronikraum auszuleiten, und das Spüleingangselement und das Entlüftungselement separat gesteuert werden können. Vorzugsweise ist das Spüleingangselement und/oder das Entlüftungselement als Magnetventil ausgestaltet. Dies erlaubt eine präzise und hochfrequente Betätigung des Spüleingangselements bzw. Entlüftungselements und somit ein besonders exaktes Spülen und die Möglichkeit möglichst wenig Druckänderungen im Rückstellraum zu verursachen. Vorzugsweise sind Spüleingangselement und Entlüftungselement, insbesondere räumlich, getrennt voneinander ausgebildet und somit unabhängig voneinander steuerbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Spülen eines Rückstellraums eines Antriebs einer Ventilvorrichtung in einer Prozessanlage und/oder zum Spülen eines Stellungsreglers, insbesondere zumindest eines Elektronikraums des Stellungsreglers, einer Ventilvorrichtung in einer Prozessanlage weist die folgenden Schritte auf. Zunächst wird ein Istwert einer betriebsspezifischen und/oder fluidspezifischen Zustandsgröße, insbesondere durch einen Sensor, bereitgestellt. Anschließend wird der bereitgestellte Istwert der Zustandsgröße mit einem definierten Sollwert oder einem definierten Sollwertbereich verglichen. Dies umfasst auch den Vergleich mit einem Grenzwert. Bei einer Abweichung des bereitgestellten Istwerts vom Sollwert oder dem Sollwertebereich wird ein Spülen des Rückstellraums und/oder des Stellungsreglers, insbesondere zumindest des Elektronikraums, über ein Spülsteuerelement der Ventilvorrichtung ausgelöst. Liegt keine Abweichung des bereitgestellten Istwerts der Zustandsgröße vom Sollwert vor wird kein Spülen vorgenommen. Anschließend beginnt das Verfahren wieder von vorne.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein bedarfsgerechtes Spülen ermöglicht, wodurch zum Einen die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung von mechanischen oder elektronischen Komponenten durch das Einwirken eines schädlichen Umgebungsmilieus minimiert werden kann und zum Anderen der Bedarf des zum Spülen eingesetzten gasförmigen Fluids minimiert wird. Vorzugsweise ist die zu erfassende Zustandsgröße dabei eine Zeit, also auch eine Zeitdauer, eine Temperatur, ein Druck, eine Fremdkörperkonzentration bzw. eine Konzentration eines Fluidbestandteils und/oder eine Luftfeuchtigkeit.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Volumenstrom des gasförmigen Fluids zur Durchführung des Spülens des Rückstellraums derart bestimmt, dass eine Bewegung eines Antriebselements des Antriebs innerhalb eines vorher definierten Bereichs verläuft oder ausgeschlossen ist. Beispielsweise verläuft eine Bewegung dabei in einem Bereich von +- 2% eines, insbesondere in einem vorgesehenen Betrieb der Ventilvorrichtung umgesetzten, Gesamthubs des Antriebselements um die Position des Antriebselements, bevorzugt innerhalb von +- 1% und besonders bevorzugt innerhalb von +- 0,5%. Dadurch wird verhindert, dass es durch einen Spülvorgang zu einer Veränderung einer Position des Stellglieds kommt, welche insbesondere einen durch das Stellventil geregelten Prozess ungewollt beeinflussen könnte. Zur Bestimmung des Volumenstroms wird dabei vorzugsweise das Volumen des Rückstellraums, die Masse der beim Stellen eines Stellglieds der Ventilvorrichtung bewegten Teile, die Fläche eines Antriebswirkelements bspw. in Form einer Membran die mit dem Antriebselement verbunden ist und auf die der durch das Spülen veränderte Druck in dem Rückstellraum wirkt und/oder die von einem Rückstellelement auf das Antriebswirkelement aufgebrachte Kraft berücksichtigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Dauer eines Spülvorgangs in Abhängigkeit eines Volumenstroms des gasförmigen Fluids zur Durchführung des Spülvorgangs bestimmt oder ist alternativ oder zusätzlich dazu an eine Abbruchbedingung, wie beispielsweise eine festgelegte Zeitdauer, geknüpft. Durch derartige Ausgestaltungen der Erfindung kann sichergestellt werden, dass eine zum Spülen notwendige Mindestmenge an gasförmigem Fluid eingesetzt wird, um ein effektives Spülen zu gewährleisten, aber gleichzeitig keine zu große Menge an Fluid eingesetzt wird, um unnötige Energieverluste zu vermeiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird weiterhin eine Randbedingung überprüft und ein Spülen des Rückstellraums und/oder des Stellungsreglers in Abhängigkeit der Randbedingung alternativ und/oder zusätzlich zum Vergleich des erfassten Istwerts der Zustandsgröße mit dem definierten Sollwert durchgeführt. Bei einer Ausführungsform, bei der das Spülen alternativ in Abhängigkeit der Randbedingung bzw. des Vergleichs des Istwerts der Zustandsgröße erfolgt, werden sowohl Randbedingung als auch Vergleich des Istwerts der Zustandsgröße durchgeführt und ein Spülen vorgenommen, sofern entweder die Prüfung der Randbedingung oder der Vergleich des Istwerts der Zustandsgröße mit dem Sollwert ergibt, dass eine Spülung durchgeführt werden sollte. Bei einer Ausführungsform, bei der das Spülen zusätzlich zum Vergleich des Istwerts der Zustandsgröße mit dem Sollwert in Abhängigkeit der Randbedingung erfolgt, müssen sowohl der Vergleich des Istwerts der Zustandsgröße als auch die Überprüfung der Randbedingung ergeben, dass ein Spülvorgang durchgeführt werden soll. Durch die Berücksichtigung wenigstens einer Randbedingung lässt sich die Regelung des Spülens an weitere Faktoren knüpfen, um somit zum einen die Qualität der Spülung zu verbessern, bzw. die Wahrscheinlichkeit, dass es aufgrund mangelnder Spülung zu Schäden kommt zu verringern und gleichzeitig nicht mehr zu spülen als notwendig, um somit den Verbrauch des gasförmigen Fluids zu verringern und die Energieeffizienz zu verbessern.
Vorzugsweise werden als Randbedingung unterschiedliche Aspekte berücksichtigt, welche im Folgenden dargelegt werden sollen. Eine vorteilhafte Randbedingung ist die Prüfung, ob eine Mindestzeit nach dem letzten Spülvorgang bereits vergangen ist. Dadurch lassen sich unnötig häufige Spülvorgänge vermeiden. Selbst wenn ein Vergleich eines Istwerts der Zustandsgröße mit einem Sollwert indizieren sollte, dass eine Spülung durchgeführt werden sollte, könnte unter Umständen das Spülen trotzdem nicht erforderlich sein, da aufgrund der kurzen Expositionsdauer eine Beschädigung der Elektronik im Stellungsregler oder der Bauteile im Antrieb ausgeschlossen werden kann. Dementsprechend könnte eine Mindestdauer zwischen den Spülvorgängen vorgesehen werden, um überflüssiges Spülen zu verhindern.
Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich dazu in einer bevorzugten Ausführungsform eine Randbedingung vorgesehen werden, bei der überprüft wird, ob der Rückstellraum zum Zeitpunkt der Erfassung des Istwerts der Zustandsgröße, die ein Spülen induzieren würde, entlüftet wird oder innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer in der Zukunft entlüftet wird. Ein Entlüften des Rückstellraums erfolgt dann, wenn sich das im Rückstellraum eingeschlossene Volumen ändert oder das Medium in dem Volumen ausgetauscht wird. Durch das Entlüften folgt auch ein entsprechender Austausch des gasförmigen Fluids im Rückstellraum, wodurch sich der Istwert der Zustandsgröße schnell ändern kann. Somit könnte es sinnvoll sein das Entlüften zunächst abzuwarten, bevor ein Spülvorgang durchgeführt wird, um zu sehen, ob nach dem Entlüften ein Spülen aufgrund des dann erfassten Istwerts der Zustandsgröße weiterhin notwendig ist oder nicht. Ebenso wäre denkbar das Gegenteil denkbar, also ein Entlüften mit einem Spülvorgang zu koppeln, da das Entlüften mit einer Stellungsänderung des Stellglieds einhergeht und somit eine durch das Spülen induzierte Druckänderung im Rückstellraum und damit möglicherweise hervorgerufene Bewegung des Antriebselements leichter zu tolerieren wäre. Bei einer derartigen Anwendung der Randbedingung, könnte somit auf ein Spülen zu einem gegebenen Zeitpunkt verzichtet werden, falls aufgrund des Betriebs der Ventileinrichtung ein Entlüften innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters in der Zukunft durchgeführt werden soll und das Spülen somit während des Entlüftens erfolgen kann.
Alternativ oder zusätzlich zum Entlüften kann die Durchführung einer Stellbewegung des Stellglieds als Randbedingung verwendet werden. Um die Stellbewegung hervorzurufen, ändert sich notwendiger das eingeschlossene Volumen innerhalb des Rückstellraums, sodass in einem derartigen Zeitfenster ein Spülvorgang durchgeführt werden kann, ohne auf möglicherweise zu starke Druckschwankungen im Rückstellraum achten zu müssen. Gleiches gilt für die Erfassung einer Bewegung einer Membran als Antriebswirkelement in einem Membranstellventil als Randbedingung für die Spülung.
Als weitere vorteilhafte Randbedingung kann vorzugsweise erfasst werden, ob sich ein Antriebselement der Ventilvorrichtung in einem definierten Positionsbereich befindet. Durch eine derartige Randbedingung wird erzielt, dass ein Spülvorgang nur dann erfolgt, wenn sich das Antriebselement in einer für die Spülung besonders günstigen Position befindet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zusätzliches Modulationssignal (beschreibbar über beispielsweise Amplitude und/oder Frequenz) auf das Steuersignals zu einer Ansteuerung des Spülsteuerelements derart gewählt, dass ein mit dem Antrieb Wirkverbundenes Stellglied im Wesentlichen in einer Position verbleibt. Dies ist dann gegeben, wenn eine Bewegung eines Antriebselements des Antriebs innerhalb eines vorher definierten Bereichs verläuft oder ausgeschlossen ist. Aufgrund der Bewegungsträgheit des Stellglieds und/oder einer Hub-Druck-Hysterese im Antrieb ist es möglich die Frequenz des Steuersignals zur Steuerung des Spüleingangselements derart zu wählen, dass das Stellglied in einer Position verbleibt oder lediglich minimale Bewegungen vollzieht. Unter dem Begriff Modulationssignal ist eine Frequenz eines Öffnungs- und Schließvorgangs des Spülsteuerelements zu verstehen. Durch das zusätzliche Modulationssignal kann die Pulsung des Drucks beim Spülen eingestellt werden. Erfolgt die Pulsung in einer ausreichend hohen Frequenz und bleibt eine Amplitude einer Druckänderung im Antrieb unter der Hälfte einer Hub-Druck-Hysteresebreite, so verbleibt das Antriebselement aufgrund seiner Trägheit und aufgrund der Hub-Druck-Hysterese in seiner Position und es kann trotzdem ein Spülvorgang vorgenommen werden. Dafür muss gewährleistet sein, dass sich das Spülsteuerelement entsprechend schnell schalten lässt. Dies kann beispielsweise über ein Magnetventil sichergestellt werden. In einer derartigen Ausführungsform sind ein Spüleingangselement und ein Entlüftungselement zum Einleiten bzw. Entlüften des gasförmigen Fluids in den bzw. aus dem zu spülenden Raum, passiv ausgestaltet. Insbesondere das Entlüftungselement ist dabei als Membran ausgestaltet, welches in der Lage ist einen Überdrück abzuleiten.
Es ist jedoch ebenfalls eine Ausführungsform denkbar, bei denen ein Spüleingangselement zum Einleiten des Fluidstroms in den zu spülenden Raum, also dem Rückstellraum bzw. dem Stellungsregler, insbesondere dessen Elektronikraum, und/oder ein Entlüftungselement zum Entlüften des zu spülenden Raums vorgesehen sind, welche aktiv ansteuerbar sind. In diesem Fall wird ein zusätzliches Modulationssignal eines Steuersignals zu einer Ansteuerung des Spüleingangselement und/oder des Entlüftungselements in analoger Weise wie oben beschrieben derart gewählt, dass ein mit dem Antrieb Wirkverbundenes Stellglied im Wesentlichen in einer Position verbleibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Spülsteuerelement der Ventilvorrichtung mit einem zusätzlichen Modulationssignal (beschreibbar über beispielsweise Amplitude und Frequenz) des Steuersignals angesteuert, welche derart gewählt ist, dass eine durch eine Druckänderung beim Spülen erzeugte Kraft auf ein Antriebswirkelement der Ventilvorrichtung, eine für die Bewegung des Stellglieds erforderliche Reibgrenzkraft nicht übersteigt. Zur Bewegung des Stellglieds müssen im Antrieb verschiedene Reibkräfte überwunden werden. Die Mindestkraft, die auf das Antriebswirkelement aufgebracht werden muss, um eine Bewegung des Stellglieds zu induzieren, wird als Reibgrenzkraft definiert. Wird die Amplitude des zusätzlichen Modulationssignals des Steuersignals des Spüleingangselements entsprechend gering gewählt, dass diese Reibgrenzkraft aufgrund der Druckänderung nicht überstiegen wird, so erfolgt auch keine Bewegung des Stellglieds. Wird die Amplitude entsprechend gering gewählt, kann ein Spülen der Rückstellkammer vorgenommen werden, ohne eine Bewegung des Stellglieds hervorzurufen. Die Frequenz des zusätzlichen Modulationssignals muss so gering gewählt werden, dass ein Druckanstieg in der Druckkammer möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfass das Spülen ein Bereitstellen eines Volumenstroms des gasförmigen Fluids in einer Druckkammer der Ventilvorrichtung durch das Spülsteuerelement, wobei sich infolgedessen ein entgegen gerichteter Fluidstrom aus der Druckkammer in Richtung des Spülsteuerelements bildet, welcher durch das Spülsteuerelement in den Stellungsregler und/oder den Rückstellraum geleitet wird. Somit wird also zum Spülen zunächst die Druckkammer belüftet und anschließend wieder entlüftet. Der bei der Entlüftung ausströmende Volumenstrom des gasförmigen Fluids wird schließlich durch das Spülsteuerelement zum Spülen des Stellungsreglers und/der Rückstellraums in den entsprechend zu spülenden Raum geleitet. Auf diese Weise kann eine einfache Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens verwendet werden, was sich insbesondere vorteilhaft auf die Produktionskosten der Ventilvorrichtung auswirkt, da nur ein Pneumatikmodul benötigt wird.
Nachfolgend werden unterschiedliche Ausführungsformen und vorteilhafte Aspekte der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Sie zeigen:
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ventilvorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 10
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 10
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 10
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 10
Fig. 6 zeigt eine Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Hub-Druck-Kennlinie eines Ventilantriebs
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform eines Regelkreis zur Regelung einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ventilvorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik. Auf Fig. 1 wurde bereits bei der Erläuterung zum Stand der Technik näher eingegangen, weshalb auf eine weitere Beschreibung an dieser Stelle verzichtet wird.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 10. Die Ventilvorrichtung 10 entspricht dabei hinsichtlich seiner Funktionsweise zur Stellung eines Stellglieds 14 der in Fig. 1 gezeigten Ventilvorrichtung 10. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde bei den Fig. 2 bis 5, welche erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Ventilvorrichtung 10 zeigen, auf die Darstellung einzelner Elemente der Ventilvorrichtung 10 wie beispielsweise dem Stellglied 14 und dem Antriebselement 13 verzichtet und die erfindungswesentlichen Merkmale in den Vordergrund gestellt.
Der Antrieb 12 weist das Antriebsgehäuse 127 auf, welches sich aus zwei mittels eines Flanschs befestigten Einzelelementen zusammensetzt. Im Flansch ist ein als Membran ausgebildetes Antriebswirkelement 123 eingespannt, welches das Volumen des Antriebsgehäuses 127 in einen Rückstellraum 121 (in Zeichenebene unten) und eine Druckkammer 122 trennt. Im Rückstellraum 121 sind Rückstellelemente 124 in Form von Federn angeordnet, welche die Membran vorspannen. An der Membran ist analog zu Fig. 1 ein Antriebselement 13 angeordnet, auf dessen Darstellung aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wird. Die Erfindung ist dabei ebenfalls für Ventilvorrichtungen mit anderen Antriebsarten ohne Rückstellelemente denkbar. So sind beispielsweise doppelwirkende Antriebe denkbar, bei denen der Rückstellraum 121 ebenfalls durch einen veränderbaren Druck beaufschlagt werden kann und somit ein Kräftegleichgewicht am Antriebswirkelement 123 hergestellt werden kann. Die Rückstellkraft wird in einer solchen Ausführungsform entsprechend nicht durch Rückstellelemente 124 im Rückstellraum 121, sondern durch den Druck im Rückstellraum 121 aufgebracht.
Weiterhin umfasst die Ventilvorrichtung 10 einen Stellungsregler 50, welcher ein Pneumatikmodul 52 und einen Elektroraum 51 aufweist, in dem die Elektronik des Stellungsreglers 50 angeordnet ist.
Das Pneumatikmodul 52 wird von einer Zuluftleitung 20 mit einem gasförmigen Fluid, in dieser Ausführungsform Luft, gespeist. Das Pneumatikmodul 52 regelt über eine Stelldruckleitung 40, den in der Druckkammer 122 anliegenden Druck. Dazu gelangt die Luft aus der Stelldruckleitung 40 über einen Stelldruckanschluss 125 in die Druckkammer 122. Durch Veränderung des Drucks in der Druckkammer 122 wird also durch das Pneumatikmodul 52 das an dem Antriebswirkelement 123 anliegende Kräftegleichgewicht aus Rückstellelementen 124 und dem Druckverhältnis zwischen Rückstellraum 121 und Druckkammer 122 beeinflusst, wodurch ein Antriebsdruck und daraus ebenfalls die Position des Antriebselements 13 definiert werden kann. Bei einer Ausführungsform mit doppeltwirkendem Antrieb wird entsprechend die Kraft am Antriebswirkelement 123 sowohl über den Druck im Rückstellraum 121 als auch in der Druckkammer 122 geregelt.
Zusätzlich ist eine Spülleitung 30 vorgesehen, welche das Pneumatikmodul 52 mit der Rückstellkammer 121 verbindet. Die Rückstellkammer 121 weist weiterhin ein Spüleingangselement 128 und ein Entlüftungselement 126, insbesondere in Form einer Membran auf. Durch diese Ausgestaltung kann also das Pneumatikmodul 52 nicht nur die Regelung des Antriebs 12 vornehmen, sondern auch als Spülsteuerelement fungieren und gezielt Luft in die Rückstellkammer 121 einbringen, welche entsprechend über das Entlüftungselement 126 wieder entweichen kann, um somit die Rückstellkammer 121 zu spülen. Die Ventilvorrichtung gemäß Fig. 2 erlaubt es somit einen Spülvorgang durch eine selektive Ansteuerung des Pneumatikmoduls 52 vorzunehmen. Dabei kann das Spülen beispielsweise in regelmäßigen Zeitabständen unabhängig von der Stellung des Stellglieds 14 vorgenommen werden, wobei ein Nullluftverbrauch der Ventilvorrichtung im stationären Betrieb sichergestellt ist.
Dazu leitet das Pneumatikmodul ein gasförmiges Fluid, welches durch die Zuluftleitung bereitgestellt wird, in einer derart geringen Menge in die Druckkammer 122, dass keine Bewegung, bzw. lediglich eine Bewegung in einem tolerierbaren Bereich, am Antriebswirkelement 123 und somit auch am Stellglied 14 erfolgt. Somit wird ein leichter Überdruck in der Druckkammer 122 erzeugt, welcher anschließend wieder über die Stelldruckleitung 40. Der dadurch entstehende Fluidstrom wird anschließend durch das Pneumatikmodul 52 in den Elektronikraum des Stellungsreglers 50 oder, wie in Fig. 2 dargestellt, über die Spülleitung 30 und das Spüleingangselement 128 in den Rückstellraum 121 geleitet. Aus diesem entweicht der dort entstehende Überdruck durch das Entlüftungselement 126. Dabei ist ebenfalls eine Ausführungsform denkbar, bei der das Pneumatikmodul 52 nicht direkt Luft in die Spülleitung 30 abgibt, sondern zunächst an den Elektronikraum 51 des Stellungsreglers 50. Steigt dort der Druck an, wird der Druck über die Spülleitung 30 weitergegeben und gelangt ebenfalls in den Rückstellraum 121, von wo er durch das Entlüftungselement 126 entweicht. Somit kann ebenfalls eine Spülung des Elektronikraums 51 bzw. des Stellungsreglers 50 vorgenommen werden. Vorzugsweise weisen Rückstellraum 121 und Stellungsregler 50 einen im Vergleich zum Umgebungsdruck leicht erhöhten Druck auf, um ein Eindringen der Umgebungsluft zu verhindern.
Das Pneumatikmodul 52 umfasst eine i/p- oder u/p-Wandlung, vorzugsweise in Form von zumindest einem oder mehreren Magnetventilen (wobei beispielsweise auch Kolbenschieber denkbar sind), welche derart angesteuert werden können, dass Luft an die Spülleitung abgegeben wird, ohne den Druck in der Druckkammer 122 des Antriebs 12 wesentlich zu erhöhen oder zu verringern bzw. ohne das Antriebswirkelement 123 des Antriebs zu bewegen und damit eine Stellbewegung auszulösen. Es ist ebenfalls denkbar durch eine entsprechend eingestellte Pulsung bzw. ein aufgeprägtes Modulationssignal den Druck im Rückstellraum so zu steuern, dass aufgrund von Reibverlusten und/oder eine Hysterese bei der Stellung des Antriebs keine Bewegung des Stellglieds erfolgt. Das Modulationssignal wird dabei vorzugsweise durch eine entsprechende Steuerung des Spülsteuerelements, in alternativen Ausführungsformen des in diesen Ausführungsformen aktiv steuerbaren Spüleingangselements 128 und/oder Entlüftungselements 126 berücksichtigt.
Ebenfalls ist es denkbar den Druck im Rückstellraum innerhalb einer Hysterese des Antriebs zum Verändern des Stellzustands der Ventilvorrichtung 10 vorzunehmen. Zudem ist die Verwendung einer Magnetventil-Druckminderer-Kombination zur Limitierung des Drucks beim Spülen in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung denkbar. Das Spülen erfolgt entweder über eine Druckregelung oder durch eine Modulation auf das Steuersignal zur Ansteuerung des Spülsteuerelements. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Amplitude des Steuersignals nicht zu einer unzulässigen Druckamplitude in der Rückstellkammer 121 führt. Es sei darauf hingewiesen, dass in den Figuren 2 bis 5 generell immer ein Aufbau zum Spülen des Rückstellraums 121 des Antriebs 12 gezeigt ist mit einer zusätzlichen/optionalen Spülung für den Elektronikraum 51 des Stellungsreglers 50. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine erfindungsgemäße Ausgestaltung zum Spülen lediglich des Elektronikraums (nur des Elektronikraums) eine angepasste Steuerung des Stellungsreglers 50 umfasst, wobei keine separate Spülleitung benötigt wird.
Es ist ebenfalls eine Ausführungsform der Erfindung denkbar, bei der eine Druckänderung im Rückstellraum 121 durch das Spülen durch eine entsprechende Druckänderung in der Druckkammer 122, welche durch das Pneumatikmodul 52 eingestellt werden kann, ausgeglichen wird, um eine Bewegung des Stellglieds 14 zu verhindern.
Die in Fig. 3 abgebildete erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Ventilvorrichtung 10 entspricht dabei im Wesentlichen der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform, weshalb an dieser Stelle lediglich auf die Unterschiede der Ausführungsformen eingegangen werden soll. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 weist im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 2 einen ersten Sensor 61a und einen zweiten Sensor 61b auf. Der erste Sensor 61a ist dabei auf der Innenseite des Rückstellraums 121 in unmittelbarer Nähe des Entlüftungselements 126 angeordnet, während der zweite Sensor 61b direkt außerhalb des Antriebsgehäuses 127 in unmittelbarer Nähe des Entlüftungselements 126 angeordnet ist. Der erste Sensor 61a und der zweite Sensor 61b erfassen dabei bestimmte Zustandsgrößen wie beispielsweise einen Druck, eine Temperatur, eine Konzentration eines Bestandteils der Luft bzw. eine Schadstoffkonzentration oder eine Luftfeuchtigkeit.
Die erfassten Istwerte der Zustandsgrößen werden über eine Datenverbindung 70 an den Stellungsregler 50 übermittelt. In Abhängigkeit dieser Istwerte kann somit die Steuerung der Spülsteuereinheit, in der gezeigten Ausführungsform also des Pneumatikmoduls 52, vorgenommen werden. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen die Auswertung der erfassten Istwerte in einer extra dafür vorgesehenen Einheit vorgenommen wird und die Steuerung der Spülsteuereinheit 52 durch diese Einheit erfolgt. Es sei darauf hingewiesen, dass es ebenfalls denkbar ist, lediglich Sensoren am Stellungsreglergehäuse bzw. im Elektronikraum 51 anzuordnen, falls nur der Elektronikraum 51 bzw. der Stellungsregler 50 gespült werden soll. In einer derartigen Ausführungsform könnte entsprechend auf die Spülleitung 30 vom Stellungsregler 50 zum Rückstellraum 121 verzichtet werden.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung weist zusätzlich zur Spülleitung 30 eine Rückleitung 32 auf, welche das Entlüftungselement 126 mit dem Stellungsregler 50 verbindet. Am Stellungsregler 50 kann dabei ein separat steuerbares Spüleingangselement 128 vorgesehen sein, um die in der Rückleitung 32 geführte Luft in den Stellungsregler 50 zu leiten. In dieser Ausführungsform wird zunächst über die Spülleitung 30 der Rückstellraum 121 des Antriebs 12 gespült und anschließend die dafür verwendete Luftmenge über die Rückleitung 32 in den Stellungsregler 50 zum Spülen des Stellungsreglers 50 bzw. dessen Elektronikraums 51 verwendet. Die in den Elektronikraum 51 eingeleitete Luft wird anschließend über ein Entlüftungselement 126 aus dem Stellungsregler 50 abgeleitet.
Zudem weist die Ausführungsform gern. Fig. 4 weiterhin einen dritten Sensor 61c, welcher sich in der Rückleitung 32 befindet und einen vierten Sensor 61 d, welcher sich am Einlass der Rückleitung im Stellungsregler 52 befindet. Über die Sensoren kann die Steuerung bzw. je nach Ausführungsform auch Regelung der Spülung weiter verbessert werden.
Im Gegensatz zu den in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen, weist die erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß Fig. 5 eine separate Spülsteuereinheit in Form eines Spülventils 80 auf. Durch eine Verzweigung in der Zuluftleitung 20 gelangt frische Luft nicht nur zum Pneumatikmodul 52, sondern auch an das Spülventil 80. Dieses wird in der gezeigten Ausführungsform gern. Fig. 5 durch den Stellungsregler 50 gesteuert, wozu eine Datenverbindung 70 zwischen Stellungsregler 50 und Spülventil 80 vorgesehen ist, es ist jedoch ebenfalls denkbar eine separate Steuereinheit für die Spülung vorzusehen. Soll eine Spülung erfolgen, gibt das Spülventil 80 einen entsprechenden Druck an eine Spülleitung 30 weiter, in der sich ein Dreiwegeventil 31 mit zwei Ausgängen befindet, welches die Spülleitung 30 in eine erste Druckleitung 30a und eine zweite Druckleitung 30b teilt. Anhand der ersten Druckleitung 30a gelangt die Luft zum Spülen in den Rückstellraum 121 des Antriebs 12 und anhand der zweiten Druckleitung 30b gelangt die Luft zum Spülen in den Stellungsregler 50.
Es ist ebenfalls eine Ausführungsform der Erfindung denkbar, bei der eine erste Druckeitung 30a direkt vom Spülventil 80 zum Stellungsregler 50 führt und das Spülventil 80 direkt den Stellungsregler 50 bzw. dessen Elektronikraum 51 spült. In einer derartigen Ausführungsform wäre die zweite Druckleitung 30b entsprechend entweder zwischen dem Stellungsregler 50 und dem Rückstellraum 121 oder direkt zwischen dem Spülventil 80 und dem Rückstellraum 121 vorgesehen.
Ebenfalls ist eine Kombination der in den Figuren 1 und 5 gezeigten Ausführungsformen denkbar, bei der eine Spülung beispielsweise des Rückstellraums 121 mittels dem Spülventil 80 erfolgt, während ein Spülen des Elektronikraums 51 durch das Pneumatikmodul 52 und dem zu Fig. 1 erläuterten Vorgehen umgesetzt wird.
Es ist ebenfalls denkbar zur Teilung der Spülleitung 30 pneumatische Module einzusetzen, welche unterschiedliche Volumenströme an Luft in die entsprechende erste Druckleitung 30a und zweite Druckleitung 30b abgeben können, um somit die zur Spülung der entsprechenden Bauteile verwendeten Volumenströme einzustellen.
Es ist ebenfalls denkbar die in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Ausführungsformen miteinander zu kombinieren, um beispielsweise unterschiedliche Sensoranordnungen auf verschiedene Ausführungsformen anzuwenden. Ebenfalls ist denkbar eine Ausführungsform mit einem Spülventil 80 und ohne ein Dreiwegeventil 31 o.ä. vorzusehen und zusätzlich eine Druckleitung ähnlich der Ausführung gemäß Fig. 4 vom Rückstellraum 121 zum Stellungsregler 50 oder andersrum vorzusehen.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Spülen eines Rückstellraums 121 eines Antriebs 12 einer Ventilvorrichtung 10 einer Prozessanlage und/oder eines Stellungsreglers 50 einer Ventilvorrichtung 10 einer Prozessanlage. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei zunächst ein Istwert wenigstens eine Zustandsgröße erfasst. Dabei ist eine kontinuierliche Erfassung als auch eine Erfassung in definierten Zeitabständen denkbar. Als Zustandsgrößen sind beispielsweise ein Zeitpunkt bzw. eine Zeitdauer, eine Temperatur im Rückstellraum 121 bzw. dem Stellungsregler 50 oder eine Außentemperatur, ein Druck im Rückstellraum 121 bzw. dem Stellungsregler 50 oder eine Außendruck oder eine Luftfeuchtigkeit im Rückstellraum 121 bzw. dem Stellungsregler 50 oder in der Umgebung denkbar.
Eine Kombination unterschiedlicher Zustandsgrößen ist hier insbesondere zu bevorzugen, da beispielsweise aus einer Kombination des Drucks und der Luftfeuchtigkeit im Rückstellraum 121 oder im Stellungsregler 50 Rückschlüsse auf den Taupunkt getroffen werden können. Wird zusätzlich die Temperatur im Rückstellraum 121 bzw. im Stellungsregler 50 erfasst, kann somit bestimmt werden, wann sich ein schädliches Kondensat im Rückstellraum 121 bzw. im Stellungsregler 50 ausbildet. Somit können anhand der genannten Zustandsgrößen Rückschlüsse auf die Notwendigkeit bzw. die Dringlichkeit des Spülens geschlossen werden. Ebenso ist es denkbar bestimmte Konzentrationen einzelner Bestandteile in der Luft im Innenraum des Rückstellraums 121 oder des Stellungsreglers 50, welche zu möglicherweise schadhaften Umgebungsbedingungen führen würden, gemessen werden.
Ebenfalls können durch die Erfassung einer Temperatur Kühlungseffekte während des Spülvorgangs bei der Steuerung der Spülung berücksichtig werden. Hierzu kann insbesondere die Erfassung der Temperatur oder anderer Luftparameter außerhalb des Stellungsreglers 50 bzw. der Rückstellkammer 121 herangezogen werden.
Die durch die Sensoren 61a, 61b, 61c, 61 d erfassten Istwerte von Zustandsgrößen werden anschließend an eine Recheneinheit bzw. Auswerteeinheit geleitet. Diese kann bereits im Stellungsregler 50 integriert sein oder als extra Einheit ausgebildet sein. Dort werden die Istwerte entweder direkt mit entsprechenden Sollwerten verglichen oder zu einem bestimmten Kontrollparameter zusammengeführt, welcher dann ebenfalls mit einem entsprechenden Sollwert, Grenzwert oder Sollwertbereich verglichen werden kann. Kann keine Abweichung des gemessenen Werts bzw. der gemessenen Werte von den Sollwerten, Grenzwerten oder den Sollwertbereichen festgestellt werden, muss keine Spülung vorgenommen werden. Sollte eine Abweichung erkannt werden, wird das Spülsteuerelement, in den in Fig. 2 bis 5 gezeigten Ausführungsformen das Pneumatikmodul 52 bzw. das Spülventil 80, angesteuert und ein Spülvorgang durchgeführt. Insbesondere bei einem Spülen über das Pneumatikmodul 52 des Stellungsreglers 50 wird der Spülvorgang so gesteuert, dass die Öffnung der Magnetventile des Pneumatikmoduls 52 derart erfolgt, dass eine Regelgüte des Stellungsreglers 50 nur geringfügig beeinflusst wird, und vorzugsweise kein anderes Anbaugerät, wie ein Schnellentlüfter, ein Sicherheitsventil o.dgl., durch die Öffnung beim Spülen anspringt bzw. benötigt wird.
In der gezeigten Ausführungsform wird im Falle einer Abweichung des Istwerts bzw. der Istwerte der Zustandsgrößen von den Sollwerten weiterhin eine Randbedingung überprüft. Ist die Randbedingung erfüllt, so wird der Spülvorgang durchgeführt. Ist die Randbedingung nicht erfüllt, erfolgt kein Spülvorgang. Es ist dabei ebenso denkbar mehrere Randbedingungen zu überprüfen.
Als Randbedingungen kann beispielsweise überprüft werden, ob in einem definierten Zeitfenster eine Entlüftung stattfindet, sodass zum gegebenen Zeitpunkt kein Spülen erfolgen soll, sondern diese erst bei der zeitnah erfolgenden Entlüftung vorgenommen werden soll. Als weitere bevorzugte Randbedingung kann definiert werden, dass ein Spülen lediglich während eines Stellvorgangs, also einer Betätigung des Antriebs der Ventilvorrichtung 10 vorgenommen werden soll, da die Hysterese des Antriebs 12 für das Spülen genutzt werden soll, um möglichst geringe Auswirkungen auf den Antrieb 12 durch die Druckänderung beim Spülen hervorzurufen. Somit kann als Randbedingung überprüft werden, ob der Antrieb zum gegebenen Zeitpunkt betätigt wird oder nicht. Alternativ oder zusätzlich kann eine Randbedingung durch eine Zeitvorgabe vorgenommen werden, bei der beispielsweise überprüft wird, ob eine definierte Zeitdauer seit dem letzten Spülen vergangen ist. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist es ebenfalls denkbar die Randbedingung alternativ zum Vergleich des Istwerts mit dem Sollwert durchzuführen. Darunter ist zu verstehen, dass es bereits ausreicht, wenn eine Randbedingung erfüllt wird, um den Spülvorgang durchzuführen unabhängig davon, ob der gemessene Istwert im Sollwertbereich liegt oder nicht. Beispielsweise kann als Randbedingung festgelegt werden, dass eine Spülung bei einer bestimmten Stellungsänderung der Ventilvorrichtung erfolgen soll. Durch die Festlegung einer derartigen Randbedingung können somit feste Vorgaben zur Durchführung des Spülvorgangs gegeben werden.
Insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen eine begrenzte Menge an gasförmigem Fluid zur Betätigung der Ventilvorrichtung zur Verfügung steht und das zur Spülung verwendete Fluid ebenfalls zum Stellen des Antriebs eingesetzt wird, kann ebenfalls sinnvoll sein als Randbedingung zu definieren, dass ein Spülvorgang nicht durchgeführt werden soll, wenn eine Stellbewegung durch den Antrieb erfolgt, um die Dynamik des Stellantriebs nicht durch einen Druckabfall des gasförmigen Fluids zu verringern. Somit kann sichergestellt werden, dass die Stellung der Ventilvorrichtung stets Vorrang vor dem Spülen hat.
Im Gegensatz dazu ist es auch denkbar Randbedingungen, so wie in Fig. 6 dargestellt, zusätzlich zum Vergleich des Istwerts mit einem Sollwert durchzuführen und somit weitere Bedingungen für eine Spülung zu definieren. Vorzugsweise werden dabei einige Randbedingungen als alternative Randbedingungen und andere als zusätzliche Randbedingungen definiert.
Die Spüldauer kann dabei ebenfalls durch unterschiedliche Vorgaben eingehalten werden. Dabei ist zum Einen eine Einstellung der Spüldauer denkbar, welche im Sinne einer Regelung fungiert. Bei einer derartigen Ausführungsform wird also so lange gespült, bis der erfasste Istwert der Zustandsgröße wieder im Sollbereich ist. Alternativ dazu kann eine definierte Zeitvorgabe für die Spüldauer vorgenommen werden. Ebenfalls ist denkbar die Spüldauer anhand des für die Spülung einzusetzenden Volumenstroms des gasförmigen Fluids (meistens Luft) bestimmt werden. Hierbei wird also eine Menge des Fluids bestimmt, welche Zur Spülung verwendet werden soll. Anhand des eingesetzten Volumenstroms ergibt sich somit die Spüldauer. Üblicherweise sollte ein Volumenstrom zwischen 60 und 110 l/h eingesetzt werden, um eine schädliche Bewegung des Stellglieds zu verhindern. Bei der Bestimmung der Spüldauer sowie des Volumenstrom sind dabei ebenfalls die Größe des Antriebs, also die Volumen der Rückstellkammer und der Druckkammer, sowie die Stärke der Rückstellelemente und die Fläche der Membran als Antriebswirkelement 123 sowie die bewegliche Masse des Antriebselements, der Membran und des Stellglieds zu berücksichtigen.
Ebenso kann beispielsweise eine Abbruchbedingung zur Beendigung des Spülvorgangs definiert werden.
Nach Ende des Spülvorgangs wird zur Bestimmung des nächsten Spülvorgangs das Verfahren von vorne durchgeführt.
Zur Vermeidung einer Bewegung des Stellglieds durch die Spülung können unterschiedliche Maßnahmen alternativ zueinander oder komplementär eingesetzt werden können. So kann beispielsweise die Frequenz des Modulationssignals des Steuersignals zur Spülung derart hoch gesetzt werden, dass das Antriebselement aufgrund der Trägheit des Systems in seiner Position verbleibt. Ebenso ist es denkbar die Amplitude des Modulationssignals derart gering auszubilden, dass der Druckauf- und Abbau nur innerhalb der Hub-Druck-Hysterese des Antriebs erfolgt (siehe dazu Fig. 7). Hierzu ist die Verwendung von steuerbaren Spüleingangselementen 128 vorteilhaft, um das Modulationssignal, also die Pulsung des Drucks während der Spülung, möglichst präzise umzusetzen. Die Entlüftungselemente 126 können dabei passiv oder ebenfalls steuerbar, also aktiv, ausgebildet sein. Es sind jedoch ebenfalls Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei denen sowohl Entlüftungselemente 126, als auch Spüleingangselemente 128 passiv ausgestaltet sind und das Steuersignal des Spülsteuerelements entsprechend moduliert wird.
Als weitere Maßnahme können Druckminderer eingesetzt werden, um den Druck durch das Spülen und somit das Kräftegleichgewicht an dem Antriebswirkelement 123 möglichst nicht zu beeinflussen. In bestimmten Ausführungsformen, bei denen eine dynamische Spülung mit hohen Volumenströmen gewünscht bzw. erforderlich ist, kann es ebenfalls sinnvoll sein das Kräftegleichgewicht an dem Antriebswirkelement 123 durch eine Variierung des Drucks in der Druckkammer auszugleichen. Insbesondere bei dynamischen Spülungen sind separat ansteuerbare Spüleingangselemente 128 und Entlüftungselemente 126 vorteilhaft. Alternativ oder zusätzlich dazu, können zur Bestimmung des Volumenstroms bzw. der Menge des gasförmigen Fluids Messwerte eines Diagnosevorgangs (z.B. Partial-Stroke-Test) und/oder Kenngrößen des jeweiligen Ventils herangezogen werden, um einen maximalen Druckverlust bzw. eine maximale Öffnungsdauer und/oder Öffnungsweite des Spülsteuerelements für das Spülen zu ermitteln. Eine mögliche Dauer des Spülens und der Zeitpunkt zum Spülen ist von dem Spülsteuerelement, welches die Magnetventile umfasst, abhängig. Allgemein gesprochen muss eine Regelbalance gewährleistet werden, insbesondere bezüglich der Luftmenge beim Spülvorgang. Das bedeutet, dass durch ein Gleichgewicht von eingelassener Luft und ausströmender Luft im Rückstellraum nur geringe, vernachlässigbare Kräfte auf das Antriebswirkelement123 des Antriebs 12 wirken.
Es sind dabei ebenfalls Ausführungsformen möglich, bei denen über die Spülleitung 30 Leckageverluste im Antrieb ausgeglichen werden können. Dazu kann ein größerer Volumenstrom in den Rückstellraum 121 bzw. den Stellungsregler 50 eingeleitet werden, als über entsprechende Entlüftungselemente 126 abgeführt werden.
Bei Ausgestaltungen der Ventilvorrichtung ohne separates Schaltelement zur Spülung, also bei denen die Spülung durch das Pneumatikmodul 52 erfolgt, kann mittels einer Anpassung der Firmware/Software ein Eigenluftverbrauch des Stellungsreglers 50 durch eine AC-Modulation bei stetigen i/p bzw. u/p-Wandlern des Stellungsreglers 50 provoziert werden. Bei der AC-Modulation wird ein eingehendes Wechselstromsignal moduliert, also die Frequenz, die Amplitude und/oder die Phase geändert. Das modulierte Signal dient dann als Steuersignal zur Steuerung beispielsweise des Spülsteuerelements. Alternativ kann dies durch geeignete Überlappung der Ansteuerimpulse bei schaltenden Spülventilen 80 als Spülsteuereinheit erreicht werden. Dadurch kann die Spülung der Rückstellkammer 121 und/oder des Elektronikraums 52 des Stellungsreglers 50 bei Stellungsreglern 50 ohne Luftverbrauch im statischen Betrieb erreicht werden. Findet dies im weiterhin geschlossenen Regelkreis statt, dann hat es auf die Regelung keine Auswirkung und der Antrieb hält die Position. Eine solche Steuerung wäre für eine Spülung des Elektronikraums prinzipiell unabhängig von zusätzlichen Pneumatik-Leitungen, wie beispielsweise der Spülleitung 30, und/oder Schaltelementen möglich. Für eine Spülung des Rückstellraums 121 wäre dann zusätzlich jedoch mindestens eine der bereits beschriebenen Druckverbindungen zum Federraum nötig.
Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Hub-Druck-Kennlinie eines Antriebs 12 einer Ventilvorrichtung 12. Das Diagramm stellt dabei einen Antriebsdruck pA auf der x- Achse und einen Ventilweg x auf der y-Achse dar. Wie die gestrichelt dargestellte Hub-Druck-Kennlinie zeigt, muss ein Antriebsdruck pA einen bestimmten Betrag annehmen, um den Ventilantrieb 12 und somit das Stellglied 14 aus seiner Nullstellung zu bewegen. Wird dieser Antriebsdruck pA weiter gesteigert so steigert sich ebenfalls ein Ventilweg x bis zum maximalen Ventilweg xmax, der beispielsweise durch das Erreichen eines Anschlags gegeben ist. Wird dann der Antriebsdruck pA wieder gesenkt, verringert sich der Ventilweg x erst bei einem geringeren Betrag des Antriebsdrucks pA im Vergleich zum Betrag des Antriebsdrucks pA beim Erreichen des maximalen Ventilwegs xmax. Die Aufgrund der Änderung des Antriebsdrucks pA hervorgerufene Änderung des Ventilwegs x tritt also erst verzögert ein. Wird der Betrag des Antriebsdrucks pA weiter verringert, verringert sich ebenso der Ventilweg x, bis die Nullstellung wieder erreicht wird. Je nachdem, ob der Antriebsdruck pA erhöht oder verringert wird, ist also ein unterschiedlicher Betrag des Antriebsdrucks pA nötig, um den Ventilweg x zu verändern, wie die strichpunktiert dargestellte Linie im Diagramm als Beispielbewegung des Antriebs näher verdeutlicht. Dieses Verhalten wird auch als Hysterese bezeichnet.
Somit ist es möglich an einem Arbeitspunkt, welcher durch eine bestimmte Ventilstellung xAP gekennzeichnet ist, den Druck in der Druckkammer 122 leicht zu variieren, ohne dass eine Änderung des Ventilwegs x hervorgerufen wird. Bewegt sich der Antriebsdruck pA immer auf der durchgezogenen horizontalen Linie wird der Ventilweg x nicht verändert und somit der Arbeitspunkt nicht verlassen. Dennoch kann der Antriebsdrucks pA zwischen zwei Werten moduliert werden, um so einen modulierten Druck pm zu erhalten. Dieser modulierte Druck pm ist beispielsweise als Sinuskurve um einen Mittelwert ausgebildet. Es sind ebenfalls Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei denen der modulierte Druck pm linear zwischen zwei Werten alterniert und somit ein dreieckförmiger Verlauf entsteht, bei dem der modulierte Druck pm rampenförmig steigt und fällt. Der modulierte Druck pm kann somit in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung genutzt werden, um ein Spülen des Rückstellraums 121 bzw. des Stellungsreglers 50, insbesondere des Elektronikraums 51 , umzusetzen, vorzugsweise ohne eine Bewegung des Stellglieds der Ventilvorrichtung 12 zu bewirken.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform eines dazu vorzugsweise verwendeten Regelkreises zur Regelung einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 10. Die Regelung des Antriebs 12 erfolgt dabei durch ein Sollwert w, wobei zunächst in Abhängigkeit der gemessenen Istposition (Ventilweg x) des Antriebs 12 eine Regelabweichung ermittelt wird, die durch einen Regler, insbesondere einen PID- Regler bearbeitet wird. Daraus wird, ohne Berücksichtigung des Spülens, eine Stellgröße y ermittelt, mit welcher das Pneumatikmodul 52 angesteuert wird. Dieses stellt entsprechend einen Antriebsdruck pA ein, welcher in die Druckkammer 122 geleitet wird, wodurch sich durch den Antrieb 12 der Ventilvorrichtung 10 der entsprechende Ventilweg x ergibt.
Soll nun das Spülen der Ventilvorrichtung 10 in Abhängigkeit verschiedener Zustandsgrößen wie Temperatur, Druck, Zeit etc. durchgeführt werden, besteht die Möglichkeit das Stellsignal, bzw. im Rahmen der Anmeldung auch Steuersignal y genannt, derart zu modulieren, dass der Antriebsdruck pA lediglich zwischen zwei Maximalwerten alterniert, insbesondere sinusförmig oder rampenförmig wie oben erwähnt, und so der Arbeitspunkt (siehe Fig. 7) der Ventilvorrichtung 10 nicht verlassen wird. Dies kann durch eine Berücksichtigung der Werte des Ventilwegs x und des Antriebsdrucks pA bei der Modulation des Steuersignals y überprüft werden. Dadurch kann eine Druckänderung in der Druckkammer 122 hervorgerufen werden, ohne das Stellglied 14 zu bewegen. Auf diese Weise kann ein Belüften und Entlüften der Druckkammer 122 erzeugt werden, wobei der Volumenstrom des Fluids beim Entlüften anschließend zum Spülen des Stellreglers 50 bzw. der Rückstellkammer 121 eingesetzt wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Ventilvorrichtung
11 Gehäuse
111 Eingang
112 Ausgang
12 Antrieb
121 Rückstellraum
122 Gegendruckkammer
123 Antriebswirkelement
124 Rückstellelement
125 Stelldruckanschluss
126 Entlüftungselement
127 Antriebsgehäuse
128 Spüleingangselement
13 Antriebselement
14 Stellglied
20 Zuluftleitung
30 Spülleitung
30a erste Druckleitung
30b zweite Druckleitung
31 Dreiwegeventil
32 Rückleitung
40 Stelldruckleitung
50 Stellunsgregler
51 Elektronikraum
52 Pneumatikmodul
61a erster Sensor
61b zweiter Sensor
61c dritter Sensor
61d vierter Sensor 70 Datenverbindung
80 Spülventil

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Ventilvorrichtung (10) für eine Prozessanlage aufweisend, einen, insbesondere pneumatischen, Antrieb (12) mit einem Antriebsgehäuse (127) und einer Antriebswirkelement (123), welche das Antriebsgehäuse (127) in einen Rückstellraum (121 ) und eine Druckkammer (122) fluidisch trennt, der Antrieb (12) weiter aufweisend ein Antriebselement (13), welches mit dem Antriebswirkelement (123) derart verbunden ist, dass eine Bewegung des Antriebswirkelements (123) über das Antriebselement
(13) an ein Stellglied (14) übertragen wird, die Ventilvorrichtung weiter aufweisend einen Stellungsregler (50), der dazu ausgebildet ist, ein auf das Antriebswirkelement (123) wirkendes Kräftegleichgewicht in Abhängigkeit von einer Position des Stellglieds (14) zu regeln, um so die Position des Stellglieds
(14) einzustellen, wobei die Ventilvorrichtung (10) weiterhin ein Spülsteuerelement, dazu ausgebildet, ein gasförmiges Fluid, insbesondere Luft, über eine Spülleitung (30) am Rückstellraum (121 ) und/oder am Stellungsregler (50), insbesondere zumindest an einem Elektronikraum des Stellungsreglers, bereitzustellen, und eine Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, das Spülsteuerelement zu einer Bereitstellung des gasförmigen Fluids am Rückstellraum (121) und/oder am Stellungsregler (50) in Abhängigkeit von einer betriebsspezifischen und/oder fluidspezifischen Zustandsgröße anzusteuern.
2. Ventilvorrichtung (10) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ventilvorrichtung wenigstens einen Sensor (61a, 61b, 61c, 61 d) aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine betriebsspezifische und/oder fluidspezifische Zustandsgröße, insbesondere eine vergangene Zeit, vorzugsweise zu einem vorhergehenden Spülvorgang und/oder zu einer vorhergehenden Stellbewegung des Stellglieds durch den Antrieb, und/oder eine Temperatur und/oder einen Druck und/oder einen Volumenstrom und/oder einen Verschmutzungsgrad des Fluids innerhalb des Stellungsreglers und/oder des Rückstellraums, einen Geruchparameters und/oder eine Luftfeuchtigkeit des Fluids zu erfassen.
3. Ventilvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Sensor (61 a, 61 b) auf der Innenseite und/oder der Außenseite eines Entlüftungselements (126) des Rückstellraums (121 ) ausgebildet ist, wobei das Entlüftungselement (126) dazu ausgebildet ist, das gasförmige Fluid aus dem Rückstellraum (121 ) entweichen zu lassen.
4. Ventilvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Sensor (61c) in einer Spülleitung (30) zwischen dem Rückstellraum (121 ) und dem Stellungsregler (50) angeordnet ist.
5. Ventilvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Sensor (61 d) im Stellungsregler (50) angeordnet ist.
6. Ventilvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stellungsregler (50) ein Pneumatikmodul (52) aufweist, welches dazu ausgebildet ist, einen Druck in der Druckkammer (122) über eine Steuerleitung (40) bereitzustellen und zudem das Spülsteuerelement bildet.
7. Ventilvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin ein, insbesondere elektrisches, Spülventil (80) als Spülsteuerelement ausgebildet ist und insbesondere der Stellungsregler (50) dazu ausgebildet ist das Spülventil (80) zu steuern.
8. Ventilvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Spülleitung (30) ein Dreiwegeventil (31) vorgesehen ist, welches dazu ausgebildet ist, die Spülleitung (30) in eine erste Druckleitung (30a), welche das Dreiwegeventil (31) mit dem Rückstellraum (121) verbindet, und eine zweite Druckleitung (30b), welche das Dreiwegeventil (31) mit dem Stellungsregler (50) verbindet, aufteilt.
9. Ventilvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antrieb am Rückstellraum (121) und/oder der Stellungsregler (50), insbesondere am Elektronikraum, jeweils ein Spüleingangselement (128) und ein Entlüftungselement (126) aufweisen, wobei das Spüleingangselement (128) des Antriebs dazu ausgebildet ist, gasförmiges Fluid in den Rückstellraum (121) einzubringen, wobei das Entlüftungselement (126) des Antriebs dazu ausgebildet ist, gasförmiges Fluid aus dem Rückstellraum (121) abzuführen, wobei das das Spüleingangselement (128) des Stellungsreglers dazu ausgebildet ist, gasförmiges Fluid in den Stellungsregler, insbesondere den Elektronikraum, einzubringen, wobei das Entlüftungselement des Stellungsreglers dazu ausgebildet ist, gasförmiges Fluid aus dem Stellungsregler, insbesondere dem Elektronikraum, auszuführen.
10. Verfahren zum Spülen eines Rückstellraums (121) eines Antriebs (12) einer Ventilvorrichtung (10) einer Prozessanlage und/oder eines Stellungsreglers (50) einer Ventilvorrichtung (10) einer Prozessanlage, insbesondere zumindest eines Elektronikraums des Stellungsreglers, aufweisend die folgenden Schritte
(A) Bereitstellen eines Istwerts einer betriebsspezifischen und/oder fluidspezifischen Zustandsgröße
(B) Vergleich des Istwerts der erfassten Zustandsgröße mit einem definierten Sollwert oder definierten Sollwertebereich,
(C) wobei bei einer Abweichung des Istwerts der Zustandsgröße vom Sollwert oder dem Sollwertebereich über ein Spülsteuerelement der Ventilvorrichtung ein Spülen des Rückstellraums (121) und/oder des Stellungsreglers (50), ausgelöst wird.
11 .Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Volumenstrom eines gasförmigen Fluids zur Durchführung des Spülens des Rückstellraums (121) derart bestimmt wird, dass eine Bewegung eines Antriebselements (13) des Antriebs (12) innerhalb eines vorher definierten Bereichs bleibt, vorzugsweise verhindert wird.
12. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dauer eines Spülvorgangs in Abhängigkeit eines Volumenstroms des gasförmigen Fluids zur Durchführung des Spülvorgangs bestimmt und durchgeführt wird.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, wobei weiterhin eine Randbedingung überprüft wird, und ein Spülen des Rückstellraums (121) und/oder des Stellungsreglers (50) in Abhängigkeit der Randbedingung alternativ und/oder zusätzlich zum Vergleich des erfassten Istwerts einer Zustandsgröße mit dem definierten Sollwert erfolgt.
14. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei als Randbedingung geprüft wird,
- ob eine Mindestzeit nach dem letzten Spülvorgang vergangen ist, und/oder
- ob der Rückstellraum (121) zum Zeitpunkt der Erfassung des Istwerts einer Zustandsgröße entlüftet wird, und/oder
- ob innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer in der Zukunft entlüftet wird, und/oder
- ob eine Stellbewegung der Ventilvorrichtung (10) vorgenommen wird, und/oder
- ob sich ein Antriebselement (13) der Ventilvorrichtung (10) in einem definierten Positionsbereich befindet, und/oder
- ob zum Zeitpunkt der Erfassung des Istwerts einer Zustandsgröße eine Bewegung eines Antriebswirkelements (123) vorliegt.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei ein Spülen des Stellungsreglers (50) und/oder der Rückstellkammer (121) in Abhängigkeit von eine zu einem vorherigen letzten Spülvorgang und/oder zu einer vorherigen letzten Stellbewegung des Stellglieds (14) vergangenen Zeit ausgelöst wird.
16. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 15 zum Spülen des Rückstellraums (121) und/oder eines Stellungsreglers (50) einer Ventilvorrichtung (10), wobei eine zusätzliche Signalmodulation, insbesondere beschreibbar über Amplitude und Frequenz, eines Steuersignals zu einer Ansteuerung des Spülsteuerelements derart gewählt wird, dass eine Bewegung eines mit dem Antrieb (12) Wirkverbundenes Stellglieds (14) innerhalb eines vorher definierten Bereichs bleibt, vorzugsweise verhindert wird, wobei insbesondere ein gasförmiges Fluid zum Spülen über ein Spüleingangselement (128) in den Rückstellraum (121) und/oder den Stellungsregler (60), insbesondere zumindest den Elektronikraum, gelangt, wobei das Fluid insbesondere über ein Entlüftungselement (126) aus dem Rückstellraum (121) und/oder dem Stellungsregler (50) gelangt. /.Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 16, wobei das Spülen ein Bereitstellen eines Volumenstroms des gasförmigen Fluids in einer Druckkammer (122) der Ventilvorrichtung (10) durch das Spülsteuerelement umfasst und sich infolgedessen ein entgegen gerichteter Fluidstrom aus der Druckkammer (122) in Richtung des Spülsteuerelements bildet, welcher durch das Spülsteuerelement in den Stellungsregler (50) und/oder Rückstellraum (121) geleitet wird.
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