NO772404L - Ventilstyresystem. - Google Patents

Description

"Vewtilstyrstysteia"

Foreliggende oppfinnelse angår et styresystem for en strømnings-styrende reguleringsventil og som omfatter en innstillingsanordning for forskyvning avN/entilens lukningselement, en stillingsangiver som angir lukningselementets stilling/en måleføler som angir den. trykkdlfferattsrSoro forårsakes av reguleringsventilen samt'en styreenhet som mottar angivelsesignaler fra stillingsangiveren og måleføleren og styrer innstillingsanordningen i samsvar med de gitte styredata som tilsvarer den ønskede strømning.

Nøyaktig styring.av ventiler en viktig arbeidsfunksjon i den moderne prosessindustri. I og med at tfsntiilenes størrelse, konstruksjon, og funksjonsprinsipp liksom det strømmende mediums egenskaper varierer ganske meget har det imidlertid voldet visse vanskeligheter å komme fremttil en nøyaktig almen s ty rdLngs anordning eller ventilreguleringssystem.

Selve ventiIkonstruksjonenes spesielle Kurver eller karakteristikker (avhengigheten av ventilens såKal.tte kv-verdi av manøvrerings armens stilling, f.eks. av vinkelen W) varierer betraktelig.)

For ventiler kan det vanligvis oppstilles en ligning:

hvori

F er materialstrømningen

^p er trykkdifferansen over vtentilen

&er det strømmende materials tetthet

kv er en karakteristisk størrelse for ventilen.

Koeffisienten kv er avhengig av stillingen av Ventilens lukningselement eller manøvreringsarm, og det foreligger i alminnelighet et ulin&srt avhengighetsforhold, som det må

tas hensyn til i ventilens reguleringssystem.

Det er forut kjent er reguleringssystem for en glidevtkntil, hvori innstillingsanordningen for glideren av rektangulær form styres ved hjelp av en forsterker, hvis ene inngang til-føres en ønskeverdi som tilsvarer ønsket strømning og hvis annen inngang tilføres produktet av trykkdifferansens kvadrat-rot og det lineart bevegelige lukkeelements stilling. Dette system fungerer imidlertid bare i forbindelse med den oven-

for angitte ventiIkonstruksjon, som ikke er i alminnelig bruk. Fra det tyske utAagningsskrift nr. 1.295.254 er dat kjent en styringsanordnincjav innledningsvis anéjitt art, og hvori et korreksjonsorgan styrer det lukkeelement som regulerer ventilens åpning på sådan måte at korreksjonsorganet først tilføres et styre- eller innstilllngssignal samt et signal som tilsvarer trykkdifferansen, hvoretter korreksjonsorganet regulerer lukningselementets innstillingsanordning slik at gjennom-strømningen er direkte proporsjonal med styresignalet. Da strømningshastigheten ikke alltid er nøyaktig proporsjonal med kvadratroten av trykkdifferansen (se formel (1)) på grunn av forandringer i strømningsforholdene (f.eks. varierende turbulens, er det imidlertid mulig i henhold til nevnte patentskrift også å anvende en korreksjonskoeffisient i og for kompensering av disse ulineære faictorér. Arbeidsfunksjonen for den r.analGge anordning i henhold til nevnte ut legnings skrift grunner seg imidlertid alltid på størrelsen av- den effektive åpning, men iidet denne effektive strømningsåpning er avhengig av strømningsforholdene og dessuten med forskjellig avhengighetsforhold alt etter lukningselementets forskjellige stillinger, kan denne effektive åpning ikke måles nøyaktig, og det må i stedet legges til grunn grove tilnærmelseverdler. Av denne grunn gir keiler ikke denne tidligere kjente problemløsning en stilstrekkelig nøyaktig arbeidsfunksjon. Når kjenskapet til strømningsåpningens størrelse ikke er nøyaktig, oppstår det

ved forandring av funksjonsforholdene feil som er ukjente med hensyn til sin størrelse og til og med med hensyn til sin retning.

Det er derfor et forjflål: for foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et forbedret, ,©ilment anvendbart ventilstyringssystem, som passer for ventiler av enhver type, hvis individuelle kalibrering til den foreliggende ventil i samband med ventilens '~røcrtfcering kan utføres nøyaktig og lett.

Dette styringssystem i henhold til oppfinnelsen har som særtrekk at det omfatter organer for overføring av signaler fra stO lings angi veren og måleføleren til digitalfonn, og styreenfeeten utgjøres av en datamaskin, fortrinnsvis en mikfco-datamaskin, som er anordnet for å motta nevnte signaler i digitalform, mens det i maskinens hukommelse på forhånd er registrert ventilens kv-verdi som funksjon av lukningselementets stilling for det foreliggende strømningsmedium, således at styringen av innstillingsanordningen fra maskinen kan finne sted på grunnlag av denne kv-verdi f uftlK^joø. Anvendelse av mikro-datamaskiner i reguleringsteknikken er ganske vanlig,bg på grunnlag av dette alt vanligere bruk har så-danne datamaskiner også falt i pris i sådan grad at det meget vel kan surøåndes en egen mikro-datarøaskin for en gitt ventil.

& visse tilfeller kan naturligvis to eller flere ventiler styres av en og samme mikro-dataenhet, f.eks. i det tilfelle ventilene ligger nære inntil hverandre eller særlig om en viss avhengighet ønskes mellom ventilenes arbeidsfunksjoner.

Ventilen3kv-verdi kan være innlagt i datamaskinens hukommelse f.eks. i tabellform, hvori verdiene av den fri variable slikrsom f.eks. vintøfe-ls tilling en av ventilens manøvrer ingsarm, er så tett anaitt at man over de mellomliggende avsnitt av kv-kurven trytft kan anvende en lineær tilnærmelse. Ventilens kv-verdi kan naturligvis også angis ved en matematisk funksjon, og i dette tilfelle vil datamaskinen regne ut funksjonsvexddlen for enhver gitt verdi av den fri variable..

Fordelene ved styringssystemet i henhold til foreliggende oppfinnelse sammenlignet med forut kjente konstruksjon er hovedsakeligefølgende:

it

Reguleringen '•blir mer lineær, hvilket vil si at nøyaktigheten forbedres og svingningstendensene dempes,

funksjonshastigheten økas fordi regulatorens;forsterkning be-finner seg ved sin høyeste verdi innenfor hele reguleringsområdet (forsterkningen er en funksjon av kv-kurven).

Anvendelse av en mikro-datamaskin gjør det mulig å oppnå

lett korreksjon av ventilens kv-verdi,

hysterese og mekanisk spillerom elimineres i og med at sitentilspindelens stilling måles direkte,

det er mulig å anvende ventiler med lavtpris i reguleringen (ikke-lineære karakteristikker),

det vil være mulig å forandre det strømmende medium parametere, (f.eks. dets viskositet).

Anvendelse av mikro-datamaskin gjør det også mulig på relativ enkel måte og oppfrå kumulativ måling, fcVilKet vil si at man kan regne ut den totale mengde av vedkommende medium som har strømmet forbi fra og med et visst begynnelsetidspunkt. Regnetékn&sk innebærer dette naturligvis integrering av strøm-ningen med hensyn på.1 tiden. Anvendelse av mikro-datamaskin gjør det videre mulig å oppnå digital angivelse av alle viktige størrelser på et styring3panel eller på ønsket sted uten nevneverdige ekstra oppkoblinger eller omkostninger.

Oppfinnelsens ventilstyringssystem og dets særtrekk vil nå

bli nærmere beskrevet ved hjelp av et utførelse>se&sempel og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser et blokkskjema av et ventilstyringssystem i

henhold til oppfinnelsen,

Fig. 2a og 2b viser arbeidsprinsippet for ventilens stillingsangiver, Fig. 3 gjengir ventilens karakteristikk i form av en kurve, Fig. 4 viser mikro-datamaskinens arbeidsskjema i hovedtrekk,

og

Fig. 5 viser strømningsreguleringen i henhold til fig. 4 i form

av et blokkskjema.

I fig. 1 angir henvisningstall 1 et rør hvori^xtédkommende strømningofinner sted, mens henvisningstallet 2 angir en ventil innsatt i ledningen dg styrt av dets styringssystem i henhold til foreliggende oppfinnelse med det formål å oppnå regulering av strømningen i ledningen 1.

Ventilen kan f.eks. være en ventil med et sete samt en manøvreringsarm eller spindel som drives av en elektrisk motor 3 for dreining av tfentilk&afiÆan eller ventiltallerkenen. Motorens styres elektronisk ved hjelp av styringsanOrdningen 5, som er av kjent type og er tilpasset den foreliggende motor.

Målingen av ventilens stilling kan utføres på forskjellige kjente måter. En mulig, nøyaktig utførelse er en optisk føler, hvis høye pris imidlertid er en ulempe.

En mere økonomisk løsning er en potensiometerpføler, som

er skjematisk vist i fig. 2a. Ventilens manøvreringsarm 8 er her forbundet med den bevegelige kontakt for et presisjons-potensiometer, hvorfra det oppnås en viss andel V, avhengig av manøvreringsarmens stilling, av den påtrykte referanse-speiining V A' ;ver potensiometeref).. I henhold til en viss rer

utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er potensiometer-føleren modifisert på Ælådan måte at forholdet vref/v benyttes som ny variabel ved anvendelse av såRalt "dual slope"-inte-

grerende spenningsmålere, f.eks. ,Wotorola<*>s integrerte krets MC 1505, i samsvar med fig. 2. Herunder elimineres eventuelle variasjoner i referansespenningen. Følerens anad>oge utgangs-signaler omformes til digiteale verdier ved hjelp av en A/D-omformer.

Trykkdifferansen Ap som forårsakes av ventilen i ledningen 1 avføles ved hjelp av en vanlig differansetrykkføler, hvis ut-gangssignaler omformes til digitale verdier ved hjelp av A/D-omformer.

Det ventilstlllingssignal (f .eks. uttrykk for v&nk&fcen <r) og differansetrykksignal (App) som oppnår? fra A/D omformerne over-førerrtil mikro-datamaskinen 6, som f^eks. kan være en mafeKin av typen MC 6800 fremstilt av Motorola. Nærmere detaljer om denne datamaskin vil fremgå av håndboken "Users Manual MC 6800, 2. opplag, 1975". I datamaskinens hukommelse er det på forhånd, lagret ventilens karakteristikk kv <= kv (oc), fieks. i form av verdiparoc^, kvR(punkter på kurven), slik som vist i fi^. 3.

Når det på dette grunnlag ønskes en gitt strømning F (se ligni ng ( 1)),,regner datamaskinen først ut tilsvarende kv-verdi (= F//A p/p) og deretter den tilsvarende aJ-verdi ved hjelp av den foreliggende karakteristikk. Herunder kan det mellom de gitte verdier kvRtrygt benyttes lineær tilnærmelse i og med at den ønsk&de -verdi regnes ut på grunnlag av følgende ligning (2) (se fig. 3).

Det vil være åpenbart at karakteristikken også kan være ^itt i form av en polynomfuksjon<c>^= f(kv), slik som allerede påpekt ovenfor, og i dette tilfelle vil datamaskinel, regne ut ^-verdien ved hjelp av vedkommende polynom. Det bør d<S?g bemerkes at lineær tilnærmelse gir tilstrekkelig nøyaktig resultat Mr de gitte verdipar er riktig valgt.

Flytdiagrammet for mikro-datamaskinens arbeidsfunksjon er vist

i fig. 4. Datamaskinen mottar først de signaler som avgis fra stillingsavgiveren og différanstrykkangiveren og omformer i digitalform til momentane eller faktiske verdier. Fra manøvreringspanelet 7 tilføres den ønskede strømningsverdi F, det strømmende mediums tetthet _g, tempera turkoe f f isienteosv. Signalene som angit ønsket strømningsverdi kan naturligvis tilføres datamaskinen over en fjernstyringsiinje eller fra

en eller annen måleføler i den prosess som jwan ønsker å regulere strømningen F i samsvar med. En sådan måleføler kan f.eks. være et organ for væskenivåmåling. I datamaskinens hukommelse innskrives også karakteristikkens rekke av verdipar Gt , kv , taviis ikke disse verdier allerede er lagret i hukommelsen.

I samsvar med éet som er angitt ovenfor, regner datamaskinen deretter ut den nødvendige c£-verdi. Hvis denne verdi avviker fra den avledte faktiske verdi, avgir datamaskinen til motorisns styringsanordningc 5 en tilsvarende puls eller et antall impulser for flytting av ventilens ihnstillingsanordning til en stilling som tilsvarer den ønskede <f£-verdi. Den avgitte styrepuls kan ha en gitt lengde som tilsvarer den nødvendige forflytnings-avstand, eller vedkommende signal kan omfatte et visst antall pulser, i det tilfelle ventilens lukningselement flyttes ved hjelp av en trinnmotor. Korreksjonsforflytningen kan eventuelt ha en viss fast størrelse, idet denne faste for-flytning da utføres i vedkommende retning hver gang forskjellen mellom den øaskede og faktiske verdi overskrider en gitt terskelverdi.

Alternativt kan dette forhold være ordnet slik at de aktiverings-pulser som mikro-datamaakinen eller styringsanordningen avgis til innstillingsanordningen er inndelt i to deler, således at innstillingsanordningen under aktiveringspulsens første del forskyver lukningselementet tett inntil den beregnede nye verdi, samt under pulsens annen del til den nøyaktige beregnede verdi, idet dette alltid finner sted fra en og samme retning, fortrinnsvis den retning som er<p>ftøtsatt retningen av den kraft som fremkalles av trykket. Dette betyr således at lukningselementet xmder pulsens første del forflyttes forbi den beregnede stilling idet tilfellet strømningen skal økes, mens forflytningen Wlnges til å gjøre et opphold litt under den utregnede stilling, hvis det gjelder å nedsette strømningen.

I og med at den påkrevede regnetid i mikro-datamaskinen vanligvis er forsvinnende kort sammenlignet med forskyvnings-hastigheten for ventilens mekaniske regulering, kan også dataitiaskinensprogrammev-e9S<1>iÉ.Cl å utføre vedkommende beregning på grunnlag av middelverdien av flere målinger. Dette er fordelaktig, særlig når det gjelderAp, idet det i denne størrelse kan forekomme vilkårlige forstyrrelser som en følge av det strømmende mediums uensartethet. I programmet kan det også innføres en filtreringsalgoritme, således at helt åpenbart uriktige måleverdier tas bort, mens de gjenværende verdier danner en middelverdi, som andandes for den endelige beregning av lukningselementets stilling.

Mikrodatamaskinen kan naturligvis programmeres slik at eventuelt forekommende glapp mellom styringsanordningen 5

og ventilens spindel allerede tas hensyn til i de avgitte styrepulser.

Hvis ventilens manøvreringsarm dreies ved hjelp av en elektrisk motor og tannhjulsutveksling, holdes manøvreringsarmens i den innstilte stilling når motoren står stille. I det tilfelle innstillingsanordningen er av en annen ty.pe kan det naturligvis være nødvendig å forbinde denne anordning med en bremse-anordning, som forhindrer innstillingsanordningens bevegelse 4 fravær av forflytningspulser.

Det reguleringssystem som tilsvarer det angitte program i

fig. 4 for strømningsreguleringen, er vist i form av et blokkskjerna i fig. 5. I dette skjema angis:

fQ strømningens innstilte verdi

f den målte strømning

(Xq den ønskede verdi for ventilspindelens stilling kp forsterkningsfaktoren

CCmåleverdien for spindelstillingen

dem målte trykkforskjell over ventilen.

Reguleringskretsen utfører her først arbeidsfunksjonene i henhold til den ytre krets og gjennomløper deretter den indre sløyfe en gang, hvoretter den går tilbake til å utføre måleoppgaver etc.

Claims (4)

1. Styresystem for en strønsningsstyrende reguleringsventll og som omfatter en innstillingsanordning (3) for forskyvning av ventilens lukningselement, en stillingsangiver som angir lukningselemente^bs stilling, en måleføler (4) som angir den trykkdifferans^som forårsakes av reguleringsventilen, samt en styreénhet (6) som mottar angivelsesignaler fra stillingsangiveren og måleføleren og styrer innstillingsanordningen (3) i samsvar med gitte styredata som tilsvarer den ønskede strømning (f); karakterisert ved at systemet omfatter organer (A/D) for overføring av signaler fra stillingsangiveren og måleføleren til digitalform, og styreenheten utgjøres av en datamaskin, fortrinnsvis en mikro-datamaskin (6) , sonMt?r anordnet for å motta nevnte signaler i digitalform, mens det i maskinens hukommelse på forhånd er registrert ventilens kv-verdi som funksjon av lukningselementets stilling for det foreliggende strø mningsmedium, således at styringen av innstillingsanordningen (3) fra ma&kinen kan finne sted på grunnlag av denne kv-verdlfunksjon.

2. Styresystem som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte funksjon er angitt i form av verdipar , kvn ) som angir innbyrdes tilsvarende verdier av henholdsvis lukningselementets innstilling og ventilens kv-verdi, *n*ilket vil si i form av en rekke punkter langs kurven for den foreliggende kv-verdifunksjon, idet mikro-datamaskinen er innrettet for å utføre lineær tilnærmelse i områdene mellom de respektive punkter på nevnte kurve.

3. Styresystem som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte funksjon er angitt i form av en polynomfunksjon, fortrinnsvis som lukningselementets innstilling som-( funksjon av kv-verdien (a = f (kv)).

4. Styresystem som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at de funksjonspulser spm avgis av mikro-datamaskinen til innstillingsanordningen (3), er oppdelt i to deler, således at innstillingsanordningen ved mottagelse av den første pulsdel forskyver lukningsélementets nær inntil den beregnede nye stilling, samt ved mottagelse av den annen pulsdel forskyver elementet helt frem til den beregnede stilling, fortrinnsvis fra den retning som er motsatt den kraft som forårsakes av trykket.