IT202100019937A1 - INTELLIGENT AND WIRELESS POSITIONER - Google Patents

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IT202100019937A1
IT202100019937A1 IT102021000019937A IT202100019937A IT202100019937A1 IT 202100019937 A1 IT202100019937 A1 IT 202100019937A1 IT 102021000019937 A IT102021000019937 A IT 102021000019937A IT 202100019937 A IT202100019937 A IT 202100019937A IT 202100019937 A1 IT202100019937 A1 IT 202100019937A1
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IT
Italy
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positioner
valve
pneumatic
actuator
wireless
Prior art date
Application number
IT102021000019937A
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Italian (it)
Inventor
Flavio Tondolo
Roberto Valoti
Mirko Coffetti
Nicola Zenoni
Original Assignee
Sti S R L
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Description

POSIZIONATORE INTELLIGENTE E WIRELESS INTELLIGENT AND WIRELESS POSITIONER

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Settore tecnico dell?invenzione Technical sector of the invention

La presente invenzione ha per oggetto un posizionatore intelligente e wireless per la regolazione della posizione di un attuatore pneumatico a singolo o a doppio effetto. The present invention relates to an intelligent and wireless positioner for regulating the position of a single or double acting pneumatic actuator.

Tecnica nota Known technique

Com?? noto, il posizionatore pneumatico ? un dispositivo di regolazione della posizione di una valvola asservita ad un attuatore pneumatico. How?? known, the pneumatic positioner ? a device for regulating the position of a valve controlled by a pneumatic actuator.

Il posizionatore della valvola ? un dispositivo montato sull'attuatore che pu? implementare una strategia di controllo determinata da comando di un?unit? di controllo in comunicazione elettrica con il posizionatore. L?unit? di controllo fornisce un segnale di corrente variabile al posizionatore. Il segnale di corrente variabile ? proporzionale allo stato del posizionatore. Ad esempio, un posizionatore della valvola pu? aprire completamente una valvola in risposta a un segnale di corrente di 4 mA e chiudere completamente la valvola in risposta a un segnale di corrente di 20 mA. Il posizionatore confronta il segnale di corrente con la posizione dell'attuatore per fornire la forza motrice necessaria per spostare di conseguenza l'attuatore. Se il segnale di corrente ? diverso dalla posizione dell'attuatore, il posizionatore sposta l'attuatore fino a raggiungere la posizione corretta. I posizionatori sono ben noti nella tecnica. Due tipi di posizionatori ben noti sono: un posizionatore pneumatico a semplice effetto che invia aria e scarica l'aria da una camera di pressione dell'attuatore, mentre da banda opposta un elemento elastico fornisce la forza di reazione; un posizionatore pneumatico a doppio effetto che invia e scarica aria da entrambe le camere di pressione dell'attuatore. I posizionatori delle valvole sono stati notevolmente migliorati grazie all'uso di dispositivi digitali che utilizzano microprocessori per posizionare l'attuatore, monitorare le variabili chiave e implementare algoritmi di controllo e registrare dati. The valve positioner? a device mounted on the actuator that pu? implement a control strategy determined by the command of a? unit? in electrical communication with the positioner. The unit controller supplies a variable current signal to the positioner. The variable current signal ? proportional to the state of the positioner. For example, a valve positioner can fully open a valve in response to a 4 mA current signal and fully close the valve in response to a 20 mA current signal. The positioner compares the current signal with the actuator position to provide the driving force needed to move the actuator accordingly. If the current signal ? different from the position of the actuator, the positioner moves the actuator until the correct position is reached. Positioners are well known in the art. Two types of well-known positioners are: a single-acting pneumatic positioner which sends air and discharges the air from one pressure chamber of the actuator, while on the opposite side an elastic element supplies the reaction force; a double-acting pneumatic positioner that supplies and exhausts air from both pressure chambers of the actuator. Valve positioners have been greatly improved through the use of digital devices that use microprocessors to position the actuator, monitor key variables, and implement control algorithms and record data.

La capacit? del posizionatore della valvola di regolare con precisione la portata del fluido all'interno di un circuito del fluido ? una caratteristica importante. Il posizionatore della valvola viene impiegato per spostare l'attuatore che ? convenzionalmente costituito da un pistone sigillato all'interno di un cilindro. Il posizionatore della valvola sposta il pistone forzando l'aria compressa in un'estremit? del cilindro mentre contemporaneamente estrae o scarica l'aria compressa da un'estremit? opposta del cilindro. I posizionatori della valvola sono pi? spesso utilizzati nei sistemi a circuito chiuso in cui la posizione dell'attuatore e la velocit? e / o la pressione dell'aria compressa che fluisce all'interno del posizionatore della valvola sono continuamente monitorati con un dispositivo di feedback che genera segnali di feedback del sistema. Il controller utilizza i segnali di feedback del sistema per generare segnali di corrente che vengono ricevuti dal posizionatore della valvola per ridurre al minimo l'errore tra una posizione desiderata del pistone e una posizione effettiva del pistone all'interno del cilindro. The capacity? of the valve positioner to precisely regulate the fluid flow within a fluid loop ? an important feature. The valve positioner is used to move the actuator which ? conventionally consisting of a piston sealed within a cylinder. The valve positioner moves the piston by forcing compressed air into one end. of the cylinder while simultaneously extracting or discharging the compressed air from one end? opposite of the cylinder. The valve positioners are more? often used in closed loop systems where the position of the actuator and the speed? and/or the compressed air pressure flowing within the valve positioner are continuously monitored with a feedback device that generates system feedback signals. The controller uses feedback signals from the system to generate current signals which are received by the valve positioner to minimize the error between a desired piston position and an actual piston position within the cylinder.

Un esempio di posizionatore pneumatico ? descritto nel brevetto EP2238377B1 di titolarit? della scrivente. An example of a pneumatic positioner ? described in the EP2238377B1 patent owned by of the writer.

Con riferimento alla Figura 1 si descriver? lo schema esemplificativo e di alto livello di un posizionatore secondo la tecnica nota. With reference to Figure 1 it will be described? the exemplary and high-level diagram of a positioner according to the prior art.

Il posizionatore 1 comprende una valvola pneumatica PV che ? collegata ad una connessione pneumatica 2 di gas compresso (preferibilmente aria) che ? la sorgente di energia per muovere l?attuatore. The positioner 1 comprises a pneumatic valve PV which ? connected to a pneumatic connection 2 of compressed gas (preferably air) which ? the source of energy to move the actuator.

Il posizionatore 1 riceve un segnale in ingresso che contiene l?informazione della posizione desiderata dell?attuatore A al quale il posizionatore e collegato tramite tubazioni e sistema di rilievo della posizione ZT. The positioner 1 receives an input signal which contains the information of the desired position of the actuator A to which the positioner is connected via pipes and position measurement system ZT.

Il posizionatore pneumatico di tipo elettronico ? dotato di una scheda elettronica o un?unit? di controllo PCB che deve essere alimentata da energia elettrica, con potenza elettrica bassa, tipicamente pari a 0,04 W. Nel caso pi? frequente lo stesso segnale di ingresso ? anche la fonte di alimentazione elettrica analogica (4 ? 20 mA) o digitale, secondo differenti standard, per cui ? necessario almeno un cablaggio elettrico 3. Esistono dispositivi che necessitano di segale separato dalla alimentazione per cui occorre che vi siano almeno due cablaggi elettrici 3, 4. The electronic type pneumatic positioner ? equipped with an electronic card or a?unit? control PCB which must be powered by electricity, with low electrical power, typically equal to 0.04 W. In the case pi? frequent the same input signal ? also the analog (4 ? 20 mA) or digital power supply source, according to different standards, for which ? at least one electrical wiring 3 is required. There are devices that require a signal separate from the power supply, therefore there must be at least two electrical wiring 3, 4.

L?unit? di controllo PCB deve alimentare/controllare/leggere i dispositivi ad essa connessi, comprendenti almeno una valvola pilota I/P, almeno una valvola pneumatica PV, un sensore di posizione ZT, almeno un sensore di pressione. The unit control PCB must power/control/read the devices connected to it, including at least one I/P pilot valve, at least one PV pneumatic valve, a ZT position sensor, at least one pressure sensor.

Confrontando il segnale in ingresso con la posizione effettiva, lavorando in controllo ad anello chiuso, l?unit? di controllo PCB comanda tramite, energia elettrica, un primo stadio elettropneumatico (ad esempio, la valvola pilota I/P) che a sua volta controlla tramite energia pneumatica l?almeno una valvola pneumatica PV. La valvola pneumatica PV pressurizzando o scaricando la/le camere dell?attuatore A ne determina il movimento. By comparing the input signal with the actual position, working in closed loop control, the unit? control PCB controls an electro-pneumatic first stage (for example, the I/P pilot valve) via electrical energy, which in turn controls the at least one pneumatic valve PV via pneumatic energy. By pressurizing or discharging the chamber(s) of actuator A, the pneumatic valve PV determines its movement.

A seconda della complessit?, del numero di sensori aggiuntivi, della raffinatezza degli algoritmi nel firmware, il posizionatore 1 pu? essere pi? o meno intelligente comprendendo self tuning, diagnostica, diagnostica predittiva, gestione di outputs, inputs, etc. Il pi? frequente output aggiuntivo ? la ritrasmissione della posizione effettiva che viene portato a distanza tramite un aggiuntivo cablaggio dedicato che provvede anche alla alimentazione del circuito di ritrasmissione. Depending on the complexity, the number of additional sensors, the refinement of the algorithms in the firmware, the positioner 1 can? be more or less intelligent including self-tuning, diagnostics, predictive diagnostics, management of outputs, inputs, etc. The most frequent additional output ? the retransmission of the actual position which is carried remotely via an additional dedicated wiring which also supplies the power supply to the retransmission circuit.

La necessit? del cablaggio rende il posizionatore poco flessibile dl punto di vista del suo utilizzo, in particolare allorquando ? necessario regolare un numero di valvole maggiore di uno: infatti, poich? ogni valvola di regolazione necessita di un posizionatore dedicato, in questo caso ? necessario predisporre una pluralit? di posizionatori e, di conseguenza, una pluralit? di cablaggi. The necessity? of the wiring makes the positioner not very flexible from the point of view of its use, in particular when ? necessary to adjust a number of valves greater than one: in fact, since? each control valve needs a dedicated positioner, in this case? necessary to prepare a plurality? of positioners and, consequently, a plurality? of wiring.

Esiste pertanto l?esigenza di definire un innovativo posizionatore intelligente che superi gli inconvenienti sopra menzionati. There is therefore the need to define an innovative intelligent positioner which overcomes the above mentioned drawbacks.

Sintesi dell?invenzione Summary of the invention

Oggetto della presente invenzione ? quindi un posizionatore intelligente e del tutto senza cablaggi (wireless). L?invenzione si riferisce quindi ad un posizionatore che comprende un?unit? di controllo che gestisce almeno una valvola pilota, almeno una valvola pneumatica e un sensore di posizione. Object of the present invention ? therefore an intelligent and completely wireless positioner. The invention therefore refers to a positioner which comprises a unit? control that manages at least one pilot valve, at least one pneumatic valve and one position sensor.

Vantaggiosamente, il posizionatore mantiene come opzione i collegamenti fisici con cablaggi ma non richiede necessariamente alcun cablaggio elettrico. Advantageously, the positioner retains the physical wiring connections as an option but does not necessarily require any electrical wiring.

Disponendo al suo interno di un micro-generatore elettro-pneumatico produce la poca energia elettrica necessaria per l?alimentazione dell?unit? di controllo e del sistema di comunicazione wireless. Having an electro-pneumatic micro-generator inside it, it produces the little electrical energy necessary to power the unit. control and wireless communication system.

Pertanto, la soluzione oggetto del presente brevetto ? un posizionatore intelligente e wireless, come specificato nella rivendicazione indipendente annessa. Therefore, the solution object of the present patent ? an intelligent and wireless positioner, as specified in the attached independent claim.

Le rivendicazioni dipendenti delineano particolari e ulteriormente vantaggiosi aspetti dell?invenzione. The dependent claims outline particular and further advantageous aspects of the invention.

Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings

Questi ed altri vantaggi dell?invenzione saranno ora descritti in modo dettagliato, con riferimento alle figure allegate, che rappresentano una forma di attuazione esemplificativa dell?invenzione, in cui: These and other advantages of the invention will now be described in detail, with reference to the accompanying figures, which represent an exemplary embodiment of the invention, wherein:

- la Figura 1 illustra uno schema di un posizionatore secondo la tecnica nota, e - Figure 1 illustrates a diagram of a positioner according to the prior art, e

- la Figura 2 illustra un posizionatore wireless, secondo una forma di attuazione della presente invenzione. - Figure 2 illustrates a wireless positioner, according to an embodiment of the present invention.

Descrizione dettagliata Detailed description

Con riferimento alla Figura 2, secondo una forma di attuazione della presente invenzione, un posizionatore intelligente e wireless ? indicato con il riferimento 10. L?invenzione si riferisce quindi ad un posizionatore che comprende un?unit? di controllo PCB che gestisce almeno una valvola pilota I/P, almeno una valvola pneumatica PV, un sensore di posizione ZT e almeno un sensore di pressione. Referring to Figure 2 , according to one embodiment of the present invention, a wireless smart positioner ? indicated with the reference 10. The invention therefore refers to a positioner which comprises a unit? control PCB which manages at least one I/P pilot valve, at least one pneumatic valve PV, one position sensor ZT and at least one pressure sensor.

Vantaggiosamente, il posizionatore mantiene come opzione i collegamenti fisici con cablaggi 3, 4 ma non richiede necessariamente alcun cablaggio elettrico. Advantageously, the positioner maintains, as an option, the physical connections with harnesses 3, 4 but does not necessarily require any electrical harness.

Disponendo al suo interno di un micro-generatore PG, elettro-pneumatico, il posizionatore produce la poca energia elettrica necessaria per l?alimentazione dell?unit? di controllo PCB e del sistema di comunicazione wireless 20. Having an electro-pneumatic PG micro-generator inside, the positioner produces the little electrical energy required to power the unit. control PCB and wireless communication system 20.

Il posizionatore 10 comprende una valvola pneumatica PV che ? collegata ad una connessione pneumatica 2 di gas compresso (preferibilmente aria) che ? la sorgente di energia per muovere l?attuatore. The positioner 10 comprises a pneumatic valve PV which ? connected to a pneumatic connection 2 of compressed gas (preferably air) which ? the source of energy to move the actuator.

Il posizionatore 10 riceve un segnale in ingresso che contiene l?informazione della posizione desiderata dell?attuatore A al quale il posizionatore e collegato tramite tubazioni e sistema di rilievo della posizione ZT. The positioner 10 receives an input signal which contains the information of the desired position of the actuator A to which the positioner is connected by pipes and position detection system ZT.

L?unit? di controllo PCB deve alimentare/controllare/leggere i dispositivi ad essa connessi, comprendenti almeno una valvola pilota I/P, almeno una valvola pneumatica PV, un sensore di posizione ZT, nonch? almeno un sensore di pressione. The unit control PCB must feed / control / read the devices connected to it, including at least one pilot valve I / P, at least one pneumatic valve PV, a position sensor ZT, as well as? at least one pressure sensor.

Confrontando il segnale in ingresso con la posizione effettiva, lavorando in controllo ad anello chiuso, l?unit? di controllo PCB comanda tramite, energia elettrica, un primo stadio elettropneumatico (ad esempio, la valvola pilota I/P) che a sua volta controlla tramite energia pneumatica l?almeno una valvola pneumatica PV. La valvola pneumatica PV pressurizzando o scaricando la/le camere dell?attuatore A ne determina il movimento. By comparing the input signal with the actual position, working in closed loop control, the unit? control PCB controls an electro-pneumatic first stage (for example, the I/P pilot valve) via electrical energy, which in turn controls the at least one pneumatic valve PV via pneumatic energy. By pressurizing or discharging the chamber(s) of actuator A, the pneumatic valve PV determines its movement.

A seconda della complessit?, del numero di sensori aggiuntivi, della raffinatezza degli algoritmi nel firmware, il posizionatore 10 pu? essere pi? o meno intelligente comprendendo self tuning, diagnostica, diagnostica predittiva, gestione di outputs, inputs, etc. Il pi? frequente output aggiuntivo ? la ritrasmissione della posizione effettiva che viene portato a distanza tramite un aggiuntivo cablaggio dedicato che provvede anche alla alimentazione del circuito di ritrasmissione. Depending on the complexity, the number of additional sensors, the refinement of the algorithms in the firmware, the positioner 10 can be more or less intelligent including self-tuning, diagnostics, predictive diagnostics, management of outputs, inputs, etc. The most frequent additional output ? the retransmission of the actual position which is carried remotely via an additional dedicated wiring which also supplies the power supply to the retransmission circuit.

La comunicazione wireless 20 rende virtualmente infiniti il numero di comunicazioni ingresso/uscita gestibili e predispone il posizionatore 10 al collegamento non pi? ?one-to-one? (un singolo cablaggio tra sistema di controllo e singolo posizionatore) ma da dispositivo inserito in un network 30 che pu? gestire da solo una pluralit? di collegamenti wireless ai posizionatori (?one-to-many?). Il network 30 potr? comprendere uno o pi? tra un collegamento in remoto, una sala di controllo, un centro diagnostico, un dispositivo wireless locale, un cloud e similari, predisponendo diversi livelli di accesso, a seconda delle autorizzazioni. The wireless communication 20 makes the number of manageable input/output communications virtually infinite and prepares the positioner 10 for connection no longer? ?one-to-one? (a single wiring between the control system and single positioner) but from a device inserted in a network 30 that can? manage alone a plurality? of wireless connections to the positioners (?one-to-many?). The network 30 will be able include one or more between a remote connection, a control room, a diagnostic center, a local wireless device, a cloud and the like, setting up different levels of access, depending on the authorizations.

Per l?aggiuntiva di uno o pi? posizionatori al network, ? sufficiente collegare il/i posizionatore/i all?aria compressa e configurare il collegamento wireless al/ai sistema/i di controllo. For the addition of one or more? positioners to the network, ? simply connect the positioner(s) to the compressed air and configure the wireless connection to the control system(s).

Quanto descritto ? sicuramente fattibile con lo stato della tecnologia attuale. Un consumo pneumatico aggiuntivo ? previsto, ma tale consumo dovrebbe teoricamente essere irrilevante rispetto ai consumi necessari per la movimentazione dell?attuatore. Il tipo di micro-generatore PG, elettro-pneumatico, non influisce su questo aspetto. How described? definitely feasible with the current state of technology. An additional tire consumption? foreseen, but this consumption should theoretically be irrelevant compared to the consumption necessary for the movement of the actuator. The type of micro-generator PG, electro-pneumatic, does not affect this aspect.

Un?ulteriore implementazione alternativa o integrativa al consumo di gas compressi ? la possibilit? di sfruttare l?energia residua contenuta nei flussi pneumatici scaricati in atmosfera che sono comunque gi? presenti nei posizionatori tradizionali. A further alternative or supplementary implementation to the consumption of compressed gases? the possibility? to exploit the?residual energy contained in the pneumatic flows discharged into the atmosphere that are, however, already? present in traditional positioners.

Anche se almeno una realizzazione esemplificativa ? stata presentata nella descrizione sommaria ed in quella dettagliata, deve essere compreso che esiste un grande numero di varianti rientranti nell?ambito di protezione dell?invenzione. Inoltre, deve essere inteso che la realizzazione o le realizzazioni presentate sono solamente esempi che non intendono limitare in alcun modo l?ambito di tutela dell?invenzione o la sua applicazione o le sue configurazioni. Piuttosto, la descrizione sommaria e quella dettagliata forniscono al tecnico esperto del settore una conveniente guida per implementare almeno una realizzazione esemplificativa, essendo ben chiaro che numerose varianti possono essere apportate nella funzione e nell?assemblaggio degli elementi quivi descritti, senza fuoriuscire dall?ambito di protezione dell?invenzione come stabilito dalle rivendicazioni allegate e dai loro equivalenti tecnico-legali. Even if at least one exemplary realization ? been presented in the summary description and in the detailed description, it should be understood that there are a large number of variations which fall within the scope of the invention. Furthermore, it must be understood that the embodiment or embodiments presented are only examples which are not intended to limit in any way the scope of protection of the invention or its application or configurations. Rather, the summary description and the detailed one provide the expert technician of the sector with a convenient guide for implementing at least one exemplary embodiment, it being clear that numerous variants can be made in the function and in the assembly of the elements described herein, without departing from the scope of protection of the invention as established by the attached claims and their technical-legal equivalents.

Claims (6)

RIVENDICAZIONI 1. Posizionatore (10) intelligente che comprende un?unit? di controllo (PCB) che a sua volta gestisce almeno una valvola pilota (I/P), almeno una valvola pneumatica (PV) e almeno un sensore di posizione (ZT), il posizionatore essendo caratterizzato dal fatto di essere wireless e dal fatto di comprendere un microgeneratore (PG), configurato per erogare l?energia elettrica necessaria per l?alimentazione dell?unit? di controllo (PCB) e di un sistema di comunicazione wireless (20).1. Intelligent positioner (10) comprising a unit? controller (PCB) which in turn manages at least one pilot valve (I/P), at least one pneumatic valve (PV) and at least one position sensor (ZT), the positioner being characterized by being wireless and by include a micro-generator (PG), configured to deliver the electricity needed to power the unit? control board (PCB) and a wireless communication system (20). 2. Posizionatore secondo la rivendicazione 1, in cui il micro-generatore (PG) ? del tipo elettro-pneumatico.2. Positioner according to claim 1, wherein the micro-generator (PG) is of the electro-pneumatic type. 3. Posizionatore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui sono presenti collegamenti fisici con cablaggi (3, 4).The positioner according to claim 1 or 2, wherein there are physical connections with harnesses (3, 4). 4. Posizionatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema di comunicazione wireless (20) collega il posizionatore (10) ad una singola valvola.The positioner according to one of the preceding claims, wherein the wireless communication system (20) connects the positioner (10) to a single valve. 5. Posizionatore secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui il sistema di comunicazione wireless (20) collega il posizionatore (10) con un network (30) che consente di gestire una pluralit? di valvole.The positioner according to one of claims 1 to 3, wherein the wireless communication system (20) connects the positioner (10) with a network (30) which allows to manage a plurality of of valves. 6. Posizionatore secondo la rivendicazione 5, in cui il network (30) comprende uno o pi? tra un collegamento in remoto, una sala di controllo, un centro diagnostico, un dispositivo wireless locale, un cloud. 6. Positioner according to claim 5, wherein the network (30) comprises one or more? between a remote connection, a control room, a diagnostic center, a local wireless device, a cloud.
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