ITMI961871A1 - Sistema elettropneumatico - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"SISTEMA ELETTROPNEUMATICO”

L'invenzione riguarda un sistema elettropneumatico ‘costituito da un regolatore che possiede un raccordo di entrata per una grandezza di guida w che fornisce un valore prescritto, un raccordo di entrata per una grandezza di regolazione X che fornisce un valore effettivo, ed un raccordo di uscita per una grandezza di controllo Y che fornisce un valore di controllo, con uno stadio pilota elettropneumatico ed un amplificatore pneumatico come stadio principale.

Tali sistemi elettropneumatici producono, alla loro uscita, una pressione che rappresenta essa stessa una grandezza di regolazione oppure è con essa in una relazione operativa a piacere. .

In generale, sistemi elettropneumatici vengono impiegati ,per la regolazione in vari circuiti di regolazione. Sono cosi particolarmente significativi l'impiego in regolatori di posizione per la regolazione della posizione di un elemento di strozzamento e l 'impiego in trasduttori elettropneumatici ad alta precisione per la regolazione di una pressione.

In particolare per l'inserimento in sistemi moderni di gestione di processi è vantaggioso che i sistemi elettropneumatici richiedano solo una piccola potenza elettrica. Così pure sistemi elettropneumatici vengono impiegati in apparecchi a due conduttori, tali apparecchi a due conduttori essendo normalmente comandati con segnali standard fra 4 mA e 20 mA, con punto neutro vivo a 4 mA e quindi solo con minima potenza elettrica a disposizione. Per il comando con segnali digitali occorrono così in generale convertitori digitale-analogico, come interfaccia o già integrati in modo fisso, per controllare, ad esempio, un flusso di bobina dal processore.

In seguito allo sviluppo consistente nel sostituire la tecnica elettrica analogica con la tecnica digitale intelligente, sono interessanti, in vista dell'inserimento in sistemi di gestione di processi e dell'impiego in un bus di campo, soprattutto sistemi elettropneumatici comandabili in modo digitale.

- Per ridurre al minimo l'assorbimento di potenza elettrica, si effettua per lo più una separazione fra lo stadio pilota elettropneumatico e lo stadio principale pneumatico.

In particolare per trasduttori elettropneumatici che lavorano in modo digitale è allora evidente l'impiego, come stadio pilota elettropneumatico, di due valvole a 2/2 vie, delle quali una commuta la funzione "immissione d'aria" e l'altra la funzione "scarico d'aria".

Così, ad esempio, dall'articolo "Ein intelligenter elektropneumatischer Stellungsregler" , di B. Koenig et al., Automatisierungstechnische Praxis, atp 31(1989)8, è noto un sistema nel quale, invece della separazione in stadio pilota e stadio principale, si impiegano valvole con sedi di valvole scaricate da pressione, che vengono comandate con segnali modulati dalla larghezza degli impulsi (segnali PWM).

Un concetto di regolazione analogo è descritto nell'articolo "Pneumatischer Positionierantrieb mit Schaltventilen", di M. Leufgen et al., Òlhydraulik und Pneumatik, O+P 35(1991) Ne 2. La posizione di un cilindro pneumatico viene cosi regolata con valvole a 2/2 vie che alimentano con pressione il cilindro pneumatico da due lati, mediante comando PWM, le valvole presentando una caratteristica fortemente non lineare.

Il posizionamento di un cilindro pneumatico è esposto anche nell'articolo "Servopneumatischer Kleinzylinderantrieb mit Schaltventilen" di P. Tappe, Òlhydraulik und Pneumatik, O+P 39(1995) ΝΞ 6. Per adattamento del regolatore là si usa una logica "confusa” (Fuzzy). Da ambo i lati del cilindro pneumatico sono così previste, per la regolazione della posizione del cilindro, due valvole a 3/2 vie e, per il comando, si prende in considerazione un comando asincrono come anche un comando o modulato in larghezza degli impulsi.

I sistemi noti comportano una serie di inconvenienti.

Essi non consentono alcun adattamento a pressioni di controllo differenti, necessarie.

^ Inoltre, si impiegano per lo più due valvole per produrre la pressione di controllo, per cui non era possibile finora convertire una caratteristica desiderata in una determinata dipendenza della pressione di controllo dal segnale di controllo Y. Non erano perciò ancora realizzabili possibilità di nuovi sistemi digitali intelligenti e di visualizzare errori e variazioni nel circuito di regolazione.

. Inoltre, l'impiego di più valvole significa un ulteriore aumento di costi, un'elevata richiesta di spazio ed anche una potenza elettrica assorbita elevata.

Molti di questi sistemi sono inoltre fortemente influenzati dalla temperatura, ciò che richiede l'adozione di misure di compensazione .

Scopo dell'invenzione è di perfezionare il sistema elettropneumatico del genere suesposto in modo che esso richieda poca potenza elettrica, manifesti poca dipendenza dalla temperatura, sia meccanicamente molto robusto e possa essere inoltre prodotto in mòdo economico e tale da richiedere poco spazio. Inoltre questo sistema elettropneumatico deve poter essere impiegato per diverse pressioni di controllo occorrenti, senza che si vada incontro ,ad una diminuzione della definizione elettronica per la regolazione. Inoltre il sistema elettropneumatico deve impiegare essenzialmente solo segnali digitali senza però essere limitato a ciò.

Secondo l'invenzione, si ottiene lo scopo dell'invenzione con un sistema elettropneumatico secondo la rivendicazione 1).

Le rivendicazioni dipendenti rappresentano inoltre realizzazioni convenienti dell'invenzione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risultano dalla descrizione che segue, nella quale viene esposto dettagliatamente un esempio di realizzazione dell'invenzione, in base ai disegni schematici, nei quali:

fig. 1 è una rappresentazione simbolica del sistema elettropneumatico secondo l'invenzione;

fig. 2 è una rappresentazione in sezione di una forma di realizzazione preferita della valvola a 3/2 vie del sistema elettropneumatico, con un componente pneumatico costituito da un .dispositivo di strozzamento e da un volume, secondo la fig. 1, in una forma costruttiva integrata; e

fig. 3 rappresenta esempi di segnali PWM in funzione del tempo.

La fig. 1 mostra un sistema elettropneumatico secondo l'invenzione costituito da un regolatore 11, che presenta un raccordo di entrata 13 per la grandezza di guida W, un raccordo di entrata 9 per la grandezza di regolazione X ed un raccordo di uscita 15 per la grandezza di controllo Y, con uno stadio pilota elettropneumatico 17, 19, 25, 27 e con un amplificatore pneumatico 33 quale stadio principale! Inoltre, in questo esempio di realizzazione, il regolatore 11 comprende un microprocessore. La struttura e il modo di funzionamento del sistema elettropneumatico sono come segue.

Un trasduttore elettrico 5 fornisce la retrosegnalazione della grandezza di regolazione X, che è preferibilmente in forma digitale, oppure viene convertita, mediante un convertitore A/D in un segnale digitale per il microprocessore. Questa grandezza viene confrontata, nel regolatore 11, con la grandezza di guida W, per produrre, in base all'algoritmo cola presente, la grandezza di controllo Y come un segnale PWM. Questo segnale PWM comanda direttamente uno stadio di pilotaggio 17 di una valvola a 3/2 vie 19, cosicché un organo di chiusura 35 della valvola a 3/2 vie 19 segue meccanicamente il segnale PWM Y e, dipendentemente dalla pressione preliminare, che viene applicata tramite una tubazione 29 alla valvola a 3/2 vie 19, provoca una modulazione di pressione. La pressione preliminare è così regolabile mediante un riduttore di pressione 25 con un elemento di regolazione 27. La pressione preliminare viene così variata, mediante l'elemento di regolazione 27, variando la precarica di una molla 28, la pressione preliminare regolata regolandosi come equilibrio di forze fra una membrana sottoposta a pressione e la molla 26. La pressione modulata della valvola a 3/2 vie 19 viene allora livellata tramite un dispositivo di strozzamento 21 ed un volume 23 e comanda quindi l'amplificatore pneumatico 33 come stadio pneumatico principale. La pressione di controllo prociotta all'uscita 3 dell'amplificatore pneumatico 33 è infine proporzionale al tasso di pulsazione del segnale PWM Y. La stessa pressione di controllo, o una grandezza che è in connessione attiva con essa, forma la grandezza di regolazione X e viene rilevata col trasduttore 5 per la chiusura del circuito di regolazione. Sia l'amplificatore pneumatico 33, sia il riduttore di pressione 25 sono connessi inoltre con un'alimentazione pneumatica 31.

La connessione fra lo stadio principale pneumatico 33 ed il regolatore 11 può essere formata in vari modi, a seconda dell'applicazione. Così, nel caso di applicazione per un regolatore di posizione elettropneumatico, per la regolazione di un elemento di posizione, la pressione di controllo è il comando pneumatico di una valvola di sollevamento, il trasduttore 5 è un sensore di percorso e la grandezza di regolazione X è la posizione dello stelo della valvola. In un caso di impiego pure importante per un trasduttore elettropneumatico ad alta precisione, la stessa pressione di controllo è la grandezza di regolazione X, ed il trasduttore 5 è realizzato come sensore di pressione.

La fig. 2 mostra una forma di realizzazione preferita della valvola a 3/2 vie dello stadio pilota elettropneumatico, con componenti pneumatici propri, che comprende il dispositivo di strozzamento 21 ed il volume 23 in forma costruttiva integrata.

Poiché per la qualità della regolazione è particolarmente importante la velocità dei componenti pneumatici, alla valvola commutante spetta soprattutto un ruolo particolare. La valvola a 3/2 vie comprende così, secondo la forma di realizzazione preferita, come elemento di commutazione meccanica, una valvola elettromagnetica, che è già stata esposta nella domanda di brevetto tedesco non prepubblicata 19505 233.1 e che viene brevemente descritta nel seguito.

La valvola a 3/2 vie 19 è realizzata in una forma incapsulata, con una camera pneumatica 43 nella quale l'organo di chiusura 35 viene commutato mediante un flusso magnetico variabile. La pressione preliminare presente nella tubazione 29 viene così applicata, tramite un'alimentazione di entrata 53, ad un ugello di entrata 47; a valle di un ugello di uscita 49 corrispondente è inserita un'uscita pneumatica 55; ed un elettromagnete è costituito da un giogo magnetico 39, da una bobina 41 e da un organo di chiusura 35 quale armatura.

L'organo di chiusura 35 è realizzato sotto forma di un'armatura piana, rigida, che è montata girevole attorno ad un asse di rotazione 57. Un elemento a molla 59 sull'organo di chiusura 35 produce un momento di rotazione attorno all'asse di rotazione 57, cosicché, nel caso in cui l'organo di chiusura non sia attratto dall'elettromagnete 37, l'ugello di entrata 47 è chiuso. Con l'armatura 35 attratta l'ugello di uscita 49 viene corrispondentemente chiuso. Sia l'ugello di entrata 47 sia l'ugello di uscita 49 sono trattenuti con un anello di tenuta 63 a tenuta di pressione e regolabile assialmente. Una guida meccanica 61, separata dall'elemento a molla 59, consente un movimento di rotazione senza attrito dell'organo di chiusura 35 attorno all'asse di rotazione 57.

Un canale di collegamento 67 rappresenta un'uscita pneumatica per la camera pneumatica 43 e connette questa, attraverso il dispositivo di strozzamento 21, col volume 23, cosicché in questa forma di realizzazione i componenti della valvola a 3/2 vie 19, il dispositivo di strozzamento 21 ed il volume 23 sono integrati in un contenitore comune 45 il quale, per un montaggio semplice, possiede una superficie 65 di separazione di contenitore lungo la camera pneumatica 43.

La fig. 3 rappresenta segnali PWM con i quali il regolatore

11 comanda l'elettromagnete 37 come grandezza di controllo Y. Così il tempo t è riportato in ascisse e la grandezza elettrica di controllo 71, 73 in ordinate, data come tensione U o corrente I, ad esempio con cinque segnali PWM 79a-79e.

Il segnale PWM è un segnale digitale Y con uno stato 71 per la grandezza elettrica di controllo "disinserito11 ed uno stato 73 per la grandezza elettrica di controllo "inserito". Questi due stati 71, 73 vengono commutati con frequenza o periodo T a piacere, ma costante, l'informazione di segnale essendo contenuta nel tasso di pulsazione delle due grandezze.

Nella trasduzione di un segnale analogico in un segnale PWM, il quoziente dei tempi t( "inserito")/T, che può essere rilevato come valore percentuale del valore massimo, corrisponde al segnale analogico.

Un inserimento e disinserimento di uguale lunghezza corri- * sponde così al segnale analogico 50%, vedi segnale 79a in fig. 3.

Così, secondo fig. 3, il segnale PWM 79b significa 25%, il 79c 75%, il 79d 0% e il 79e 100%.

L'organo di chiusura 35 segue, col suo movimento di rotazione attorno all'asse di rotazione 57, il segnale PWM, cosicché

si crea, nella camera pneumatica 43, una pressione modulata che, attraverso il canale di collegamento 67, mediante il dispositivo di strozzamento 21 ed il volume 23, diventa una pressione analogica livellata che, attraverso l'uscita 51, viene applicata all'entrata dell'amplificatore pneumatico 33,

In analogia all'elettrotecnica, il dispositivo di strozzamento 21 può essere interpretato come resistenza ohmica ed il volume come condensatore, cosicché il circuito analogico equivalente rappresenta un filtro passa basso destinato al livellamento.

Il campo di impiego del sistema elettropneumatico secondo l’invenzione non è però limitato ai sistemi digitali. In una variante conveniente del sistema elettropneumatico, il regolatore 11 è realizzato come regolatore analogico, cioè senza microprocessore.· Una forma di realizzazione particolarmente semplice realizza il regolatore 11 come regolatore P con entrate analogiche ed amplificazione fissa, cosicché con pochi elementi si ottiene un sistema elettropneumatico particolarmente semplice ed economico. Così questo regolatore utilizza come elemento costruttivo digitale solo lo stadio di conversione per produrre il segnale PWM.

I vantaggi dell'invenzione appaiono sotto molti aspetti. Così si deve citare innanzitutto il semplice adattamento a diverse pressioni di controllo occorrenti. In tutti i campi che si possono scegliere è inoltre utilizzabile l'intera gamma dei segnali PWM, cosicché la precisione della regolazione non soffre di una variazione del campo di pressione di controllo.

Questa precisione e la pressione di controllo analogica significano in particolare, in confronto con sistemi elettropneumatici che utilizzano due valvole a commutazione binaria, la possibilità di ottenere regolatori migliori con algoritmi finora non realizzabili.

Poiché la pressione di controllo segue direttamente il segnale PWM, al vero e proprio segnale di controllo può essere sovrapposto un segnale ad alta frequenza, per cui, nel caso di;impiego come regolatore di posizione, l'isteresi dell'apparecchio posizionatore può essere misurata e controllata in funzione. Un procedimento corrispondente per il controllo di un regolatore di posizione elettropneumatico è descritto, ad esempio, nella domanda di brevetto tedesco non prepubblicata 44 19548.6.

Inoltre, dal confronto della grandezza di guida W con la grandezza di regolazione X, si può dedurre riguardo alla pressione di controllo effettivamente presente, il che può essere utilizzato per migliorare la regolazione.

Allo stesso modo, con dinamica dei sistemi nota, si possono riconoscere anche errori nel circuito di regolazione, come ad esempio una mancanza di tenuta o la mancanza di retrosegnalazione.

Un grande vantaggio del presente sistema è inoltre il comando semplice e diretto con un segnale PWM, che consente di fare a meno di segnali elettrici analogici.

L'errore di temperatura del sistema elettropneumatico secondo l'invenzione è anche minimo, poiché l'organo di chiusura 35 della valvola a 3/2 vie 19 non deve essere tenuto in un equilibrio di forze, bensi, invece, si muove sempre fra le sue posizioni di estremità. La temperatura influenza perciò solo i tempi di commutazione, ma non la caratteristica.

Così pure, dato il movimento fisso dell'organo di chiusura 35, non si ha alcuna isteresi, alcuna zona morta e solo un minimo errore a lungo termine.

Essendo necessaria una sola valvola per la realizzazione 'del sistema elettropneumatico secondo l'invenzione, si risparmiano costi, si riducono le dimensioni costruttive e si minimizza anche l'assorbimento di potenza elettrica.

Inoltre il sistema elettropneumatico secondo l'invenzione è particolarmente robusto nei confronti dei disturbi meccanici, in quanto disturbi che agiscono solo durante alcuni periodi del segnale PWM possono portare ad alterazioni pure solo durante questo tempo. Il tempo dei periodi è però anche relativamente breve, cosicché la pressione di controllo ne subisce difficilmente 1'.influenza. In particolare, non si ha alcuna oscillazione, come è difficilmente evitabile, per motivi meccanici, nel caso di valvole con componenti di compensazione di forza, poiché l'organo di chiusura 35 segue un movimento continuamente forzato.

Indipendentemente dalla forma di realizzazione descritta, dei componenti secondo la fig. 1 funzionalmente vicini possono naturalmente anche essere posti singolarmente o in varia combinazione ciascuno in un proprio contenitore o insieme in una forma costruttiva integrata.

Le caratteristiche dell'invenzione esposte nella presente descrizione, nei disegni o nelle rivendicazioni possono essere essenziali, singolarmente o in qualsiasi combinazione, per la realizzazione dell'invenzione nelle sue varie forme di realizzazione.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sistema elettropneumatico costituito da un regolatore, che possiede un raccordo di entrata per una grandezza di guida W che fornisce un valore prescritto, un raccordo di entrata per una grandezza di regolazione X, che fornisce un valore effettivo, ed un raccordo di uscita per una grandezza di controllo Y che fornisce un valore di controllo, con uno stadio pilota elettropenumatico e con un amplificatore pneumatico come stadio principale, caratterizzato da ciò che il regolatore (1), che produce la grandezza di controllo Y sotto forma di un segnale PWM (71, 73, 79a fino a 79e), è connesso con uno stadio di comando (17) dello stadio pilota elettropneumatico sotto forma di una valvola a 3/2 vie (19) per l’azionamento dello stadio di comando (17) da parte del segnale PWM (71, 73, 79a fino a 79e) in modo tale che la valvola a 3/2 vie (19) commuta fra.due posizioni di estremità seguendo meccanicamente il segnale PWM (71, 73, 79a fino a 79e); l'altra entrata della valvola a 3/2 vie (19) è connessa con un riduttore di pressione (25) per la regolazione della pressione preliminare su questa entrata della valvola a 3/2 vie (19); l'uscita della valvola a 3/2 vie (19) è connessa con un dispositivo di strozzamento (21) e con un volume (23) posto a valle dello stesso, per livellare la pressione modulata all'uscita della valvola a 3/2 vie (19); il volume (23) posto a valle è connesso con l'entrata dell'amplificatore pneumatico (33), per trasmettere la pressione livellata; l'uscita dell'amplificatore pneumatico (33), su cui è presente la pressione di controllo, è connessa con un trasduttore elettrico (5); e il trasduttore (5), da parte sua, è connesso col regolatore (11) per retrosegnalare ad esso una grandezza di regolazione X dipendente dalla pressione di controllo.
2. 2) Sistema elettropneumatico come nella rivendicazione 1), caratterizzato da ciò che il riduttore di pressione (25) comprende una molla (28) la cui pretensione è regolabile.
3. 3) Sistema elettropneumatico come nelle rivendicazioni 1) o 2),- caratterizzato da ciò che il regolatore (11) comprende un microprocessore ed i raccordi (9, 13, 15) del regolatore (11) possono ricevere e trasmettere segnali digitali.
4. 4) Sistema elettropneumatico come nella rivendicazione 3), caratterizzato da ciò che il regolatore (11) è costituito solo da un microprocessore.
5. 5) Sistema elettropneumatico come nelle rivendicazioni 1) o 2), caratterizzato da ciò che il regolatore (11) può ricevere alle sue entrate segnali analogici ed elaborarli internamente.
6. 6) Sistema elettropneumatico come nella rivendicazione 5), caratterizzato da ciò che il regolatore (11) è realizzato come regolatore P con amplificazione fissa.
7. 7) Sistema elettropneumatico come in una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che la valvola a 3/2 vie (19) presenta una forma costruttiva incapsulata, con una camera pneumatica (43).
8. 8) Sistema elettropneumatico come in una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che la valvola a 3/2 vie (19) presenta una forma costruttiva non incapsulata, con un organo di chiusura (35) secondo il principio ugello-piastra d'urto, é la connessione della valvola a 3/2 vie (19) al dispositivo di strozzamento (21) è realizzata come presa pneumatica fra la tubazione (29) che applica la pressione preliminare e l'organo di chiusura (35) che funge da piastra di protezione.
9. 9) Sistema elettropneumatico come in una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che la valvola a 3/2 vie (19) è realizzata in modo monostabile.
10. 10) Sistema elettropneumatico come in una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che la valvola a 3/2.vie (19) è realizzata in modo bistabile.
11. 11 ) Sistema elettropneumatico come in una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che la valvola a 3/2 vie (19) è commutabile mediante un flusso magnetico variabile.
12. 12) Sistema elettropneumatico come in una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che la valvola a 3/2 vie (19) è commutabile in modo piezoelettrico.
13. 13) Sistema elettropneumatico come in una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che i componenti funzionalmente vicini del sistema elettropneumatico, come il regolatore (11) e lo stadio di comando (17), o la valvola a 3/2 vie (19), il dispositivo di strozzamento (21) e il volume (23), o l'amplificatore pneumatico (33) e il volume (23), sono posti ciascuno in un proprio contenitore o insieme in una forma costruttiva integrata.