WO2018087307A1 - Elektropneumatisches steuerungssystem und stellungsregler für ein derartiges system - Google Patents

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Robert Markus STEGMANNS
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    • F15B2211/8613—Control during or prevention of abnormal conditions the abnormal condition being oscillations

Definitions

  • the invention relates to an electro-pneumatic control system for ⁇ a pneumatic actuator according to the preamble of claim 1, an electro-pneumatic positioner for such a control system, a method for loading drive an electro-pneumatic control system, a
  • Computer program comprising program code instructions executable by a microcontroller of a positioner for implementing the method and a computer program product having such a computer program.
  • an electro-pneumatic Steue ⁇ assurance system with a positioner is known, which is suitable to fix on pneumatic linear or rotary actuators, the position of a connected actuator, such as a valve or flap position.
  • the positioner for example, via a fieldbus or via an analog 4 to 20 mA interface set a setpoint, and the Stellungsreg ⁇ ler forces the drive then this position corresponding position.
  • the pressure in a drive chamber or double-acting actuators in both drive chambers is changed until the predetermined position of the actuator is reached ⁇ member.
  • the current position with egg ⁇ nem displacement transducer such as a conductive plastic, and detects a signal generated by the position sensor feedback signal is fed to ⁇ together with the target value to a microcontroller of the positioner.
  • the microcontroller compares the two-dimensional Sig ⁇ , forms a control deviation, and calculates, taking into account the dynamics ⁇ of the pneumatic drive which require switching sary reactions downstream pneumatic valves.
  • One valve is located in the supply air branch for increasing the air pressure in the respective chamber, another valve in the exhaust branch and opens when the chamber is to be vented.
  • ⁇ SEN pneumatic actuators Since the air in the performance of the integrated electro-pneumatic positioner valves is limited, the installation of a flow booster is often required in large ⁇ SEN pneumatic actuators to reach a desired travel speed. For example, at Regelventi ⁇ len usually a maximum closing or opening time is given ⁇ , which must be complied with the electropneumatic control system. With such a booster, the air power compared to a simple positioner can be increased by a multiple, for example, twenty times.
  • the booster is installed between the positioner and the drive and, like the positioner, connected to supply air.
  • a first pneumatic control signal generated by the positioner serves to control the booster. Double-acting actuators install two such boosters, one for each chamber.
  • EP 1 769 159 B1 proposes to form a return signal in the volume flow booster for detecting its operating state and to include this in the control loop of the positioner.
  • the generation of the feedback signal in the booster and the lines for returning the signal to the electropneumatic positioner are associated with a considerable additional effort. Even with the use of a so-called bypass valve, this effort is considered necessary.
  • the invention has for its object to provide an electropneumatic tical control system for a pneumatic drive and a method for operating the control system, with which a setting of a bypass valve for good behavior of the control system can be obtained in a particularly simple manner.
  • a further object is to provide a suitable electropneumatic positioner for such a control system as well as a to create a suitable computer program for the positioner.
  • the new electropneumatic control system of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 and the new electropneumatic positioner specified in the characterizing part of claim 6 features.
  • a corresponding method for operating an electro-pneumatic control system, a computer program having executable by a microcontrollers troller a positioner program code instructions for implementing the method in claim 8 and a computer program product with such a Compu ⁇ terprogramm in claim 9 is described in claim 7.
  • Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
  • the invention has the advantage that an operating mode has been created for the electropneumatic control system, in which an operator is guided in a particularly simple and reliable manner to a suitable setting of a bypass valve.
  • Finding a suitable setting of the bypass valve is of particular importance because of the following problem:
  • the bypass valve on the booster is completely closed, even the smallest pressure changes of the first pneumatic control signal usually have an effect on the output of the booster, since these pressure changes become more pronounced its output, that is on the second pneumatic control signal, outputs.
  • ⁇ by a vibration of a valve provided with a pneumatic drive is likely to disadvantageously, since a fine control of the drive position with small amounts of air in such valve adjustment is not possible.
  • a wide opening of the bypass valve results in a sluggish response behavior of the booster to ⁇ and can also cause oscillations ⁇ conditions because of the so-bound ⁇ ver delay in position control loop.
  • the new electropneumatic control system has the advantage that the respective caster is determined quantitatively when approaching a new position and displayed to the operator.
  • the operator is allowed thereby to locate by varying the setting of the throttle valve that attitude to ⁇ reliably, which leads to a low or even at the lowest lag value and such a good transitional behavior to obtain the electro-pneumatic control system.
  • the change in the setting of the bypass valve can be manually diener or between the individual travel operations by a loading with automatic adjusting means, for example by means of an appropriately controlled step motor, to be vorgenom ⁇ men.
  • automatic adjusting means for example by means of an appropriately controlled step motor, to be vorgenom ⁇ men.
  • Adjustment range, and a second position in the upper half of the adjustment range, preferably between 60% and 90%, is moved back and forth.
  • the follow-up values that are determined when approaching the first position then form a first group of follow-up values
  • the follow-up values when approaching the second position form a second group.
  • Vorga ⁇ ben for the first position and 30% for the second position 70% of the control range have been found. These positions have in most cases a sufficient distance to determine the caster to the respective end positions.
  • the two positions are approached with a sufficiently high traversing speed to determine the trailing values.
  • an electropneumatic positioner for use in an electropneumatic control system which operates according to the method as described here and below and includes means for carrying out the method.
  • the invention is preferably implemented in software or in a combination of software / hardware.
  • the invention is thus on the one hand also a computer program with executable by a microcontroller of a positioner program code instructions and on the other hand, a storage medium with such a computer program, ie a computer program product with program ⁇ codeffenn, and finally an electropneumatic positioner, in its memory as means for performing the method and its Embodiments such a computer program is loaded or loadable.
  • FIG. 1 shows an electropneumatic control system
  • FIG. 2 shows a volume flow booster in a position "ventilating the drive"
  • FIG. 3 shows the booster according to FIG. 2 in a position "drive venting"
  • FIG. 4 shows a time segment from a position profile
  • FIG. 5 shows a block diagram of an electropneumatic component
  • An electropneumatic control system 1 for a pneumatic drive 2 comprises an electropneumatic
  • the positioner 3 is a setpoint w for the drive position, for example, from a in Fig. 1 for clarity not presented Darge ⁇ presented automation device or Guidance system specified.
  • the setpoint is w with the respectively currently measured actual value of the position x compared and generates a first pneumatic control signal 6 to the Ver ⁇ ring réelle the control deviation in dependence of the control difference thus formed.
  • a single-acting pneumatic actuator 2 with a comparatively large pressure chamber 7, which serves to actuate a valve 8.
  • the air power, which the positioner 3 with the first pneumatic control signal 6 makes available increased by means of the volume flow booster 4 by a multiple.
  • a second pneumatic control signal 9, which is generated by the booster 4 and which is guided onto the pressure chamber 7, can thus provide sufficient air power for a fast drive of the drive 2.
  • the booster 4 is a booster mounted externally by the positioner 3.
  • the booster can of course also be designed as a device integrated in the positioner 3.
  • Positioner 3 and Booster 4 are both connected directly to a compressed air supply line.
  • an additional operating mode is implemented in the positioner 3, which serves for its initialization in a control system with a volumetric flow booster, as in the embodiment shown when using the Volu ⁇ volume flow booster 4.
  • an operator for example, in a manual SET ⁇ development of a bypass valve, with which the booster 4 to Vibration suppression and to achieve a high travel speed is supported, as explained in more detail below.
  • the operation is first described for better understanding of the invention with reference to a Ausure ⁇ tion of the booster 4.
  • the first pneuma ⁇ schematic control signal 6 is supplied to a control input 20, the supply line 10 for compressed air on a Druck Kunststoffein- gear 21st At an output 22 which is connected to the chamber 7 ( Figure 1), the booster 4 provides the second pneumatic control signal 9. Another output 23 is guided to the outside and is used to vent the chamber 7.
  • a pressure difference between the output 22 to Drive 2 ( Figure 1) and the control input 20 is a piston 24, which serves to actuate a plunger 25, either to ventilate the outlet 22 or to vent.
  • an upper chamber 26 is supplied via the control input 20 from the positioner 3 ( Figure 1) with air, as indicated in Figure 2 by above the Kol ⁇ ben 24 drawn arrows.
  • a pressure prevailing in a lower chamber 27 corresponds to the pressure in the chamber 7 (FIG. 1) of the drive 2 (FIG. 1).
  • the piston 24 in turn pushes the plunger 25 down and the air can flow from the inlet 21 to the outlet 22 and thus to the drive.
  • the piston 24 moves upward and the plunger 25 closes the air passage. The ventilation process is over.
  • Pressure in the lower chamber 27 again corresponds to the chamber pressure of the drive. Since the upper chamber 26 now has a complicated nied ⁇ pressure than the lower chamber 27, the piston 24 is pressed upwards. The plunger 25, however, remains in its position and the air can flow from the drive via the outlet 22 to the exhaust air outlet 23. As soon as the pressure at the outlet 22 has adapted to the prevailing pressure in the upper chamber 26, the piston 24 moves down again and closes the air ⁇ passage to complete the venting process.
  • the booster 4 has a bypass 29, that is, a connection between the output 22 to the drive and the control input 20.
  • this bypass 29 is designed as a needle valve bypass valve 30 is arranged, with which the amount of air, which is exchanged ⁇ over the bypass 29, can be adjusted.
  • the setting of the bypass valve 30 takes place triebsart during the commissioning of the electro-pneumatic control system 1 ( Figure 1) using a Initial Deutschensbe-, that is after Stel ⁇ lung regulator 3, booster 4, pneumatic actuator 2, the valve 8 mounted with the necessary piping are and can be operated.
  • the correct setting of the bypass valve 30 is important for a later trouble-free operation of the Steue ⁇ insurance system. 1
  • the positioner 3 (FIG. 1) has thus been extended by an additional operating mode.
  • FIG. 4 shows a time segment of a position curve 41 of the pneumatic drive 2 (FIG. 1) that results.
  • On the abscissa is the continuous time t, plotted on the ordinate of each measured actual value x of the position as a percentage value in dependence of a control range between ⁇ before certain end positions.
  • the pneumatic drive is moved with maximum air power in the direction of a new, predetermined or predefinable position, which is approximately 30%.
  • the mode of operation in this process is designed in such a way that the method is unregulated.
  • the case covered traverse path is shown in Figure 4 as a correction value dxl been signed ⁇ net, the advertising option considered in the follow-up measurement the can.
  • An adjoining wake ⁇ is significantly influenced by the respective setting of the bypass valve 30.
  • this trailing ⁇ corresponds to the traverse path between the point 43 and a point 44 at which the drive has almost come to a standstill.
  • the caster value ⁇ forms a first value of a group of caster values which are measured for a multiple drive of the drive in this direction. Further traversing operations of the same kind are no longer shown in FIG. 4 for better clarity.
  • the individual follow-up values are output to the operator on a display. This has the ability to change the setting of the bypass valve between the individual traversing processes and thus to find a setting with a low follow-up value by varying the setting of the bypass valve and to select this for later operation of the electro-pneumatic control system.
  • Double-acting actuators often use two boosters, each acting in one direction. On the basis ⁇ therefore, also in the method in a second from the point 44 of trajectory 41 of the first opposing
  • Caster values of the first group, which are measured in the first direction, and caster values of the second group, which are measured in the second direction, which is opposite to the first direction, are displayed alternately on the display.
  • an initialization may be added in another mode to determine new control parameters for the positioner, as the dynamics of the electropneumatics change with the setting of the bypass valve (s) Control system may have changed.
  • FIG. 5 shows a structure of an electropneumatic positioner 3, which comprises a microcontroller 50 with data memory 51 and program memory 52 as well as a display 53 and an input device 54 for operation.
  • a valve assembly is used to programmatically generate the first pneumatic control signal 6 55.
  • Said compo ⁇ components 50 ... 55 are connected by an internal bus system 56 municipal nikativ each other.
  • a computer program 57 is loaded, which is used to implement the described mode by which the adjustment of bypass valves is supported.
  • the computer program 57 can also be retrofitted into a conventional positioner 3 as part of a firmware update, for example.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektropneumatisches Steuerungssystem (1) für einen pneumatischen Antrieb (2) sowie einen elektropneumatischen Stellungsregler (3) für ein derartiges System. Dem Stellungsregler (3) ist zur Erhöhung der Luftleistung ein Volumenstrom-Booster (4) mit einem Bypass-Ventil (30) nachgeschaltet. Zur Unterstützung eines Bedieners (58) bei einer Einstellung des Bypass-Ventils (30) wird der pneumatische Antrieb (2) in einer neuen Betriebsart mehrfach mit maximaler Luftleistung in einer ersten Richtung verfahren. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Position wird die Luftleistung auf Null gesetzt, ein Nachlaufwert (Δx1) des pneumatischen Antriebs (2) ermittelt und für den Bediener (58) auf einer Anzeige (53) ausgegeben. Durch Variation der Einstellung des Bypass-Ventils (30) kann der Bediener eine Einstellung des Ventils (30) mit geringem Nachlauf auffinden und einstellen. Mit einer so gefundenen Einstellung kann das Übergangsverhalten des Steuerungssystems ohne zusätzlichen Aufwand deutlich verbessert werden.

Description

Beschreibung
Elektropneumatisches Steuerungssystem und Stellungsregler für ein derartiges System
Die Erfindung betrifft ein elektropneumatisches Steuerungs¬ system für einen pneumatischen Antrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen elektropneumatischen Stellungsregler für ein derartiges Steuerungssystem, ein Verfahren zum Be- treiben eines elektropneumatischen Steuerungssystems, ein
Computerprogramm mit durch einen MikroController eines Stellungsreglers ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens und ein Computerprogrammprodukt mit einem derartigen Computerprogramm.
Aus der EP 1 769 159 Bl ist ein elektropneumatisches Steue¬ rungssystem mit einem Stellungsregler bekannt, das geeignet ist, an pneumatischen Schub- oder Schwenkantrieben die Position eines angeschlossenen Stellglieds, beispielsweise eine Ventil- oder Klappenstellung, zu regeln. Von einem Prozessregler oder Leitsystem wird dem Stellungsregler beispielsweise über einen Feldbus oder über eine analoge 4 bis 20 mA- Schnittstelle ein Sollwert vorgegeben, und der Stellungsreg¬ ler erzwingt am Antrieb dann eine diesem Sollwert entspre- chende Stellung. Der Druck in einer Antriebskammer oder bei doppelt wirkenden Antrieben in beiden Antriebskammern wird solange verändert, bis die vorgegebene Position des Stell¬ glieds erreicht ist. Dazu wird die aktuelle Position mit ei¬ nem Weggeber, beispielsweise einem Leitplastikpotentiometer, erfasst und ein mit dem Weggeber erzeugtes Istwertsignal zu¬ sammen mit dem Sollwert einem MikroController des Stellungsreglers zugeführt. Der MikroController vergleicht beide Sig¬ nale, bildet eine Regelabweichung und berechnet unter Berück¬ sichtigung der Dynamik des pneumatischen Antriebs die erfor- derlichen Schaltreaktionen nachgeschalteter pneumatischer Ventile. Ein Ventil liegt im Zuluftzweig für eine Erhöhung des Luftdrucks in der jeweiligen Kammer, ein anderes Ventil im Abluftzweig und öffnet, wenn die Kammer entlüftet werden soll . Da die Luftleistung der in den elektropneumatischen Stellungsregler integrierten Ventile begrenzt ist, wird bei gro¬ ßen pneumatischen Antrieben häufig die Installation eines Volumenstrom-Boosters erforderlich, um eine gewünschte Verfahr- geschwindigkeit zu erreichen. Beispielsweise bei Regelventi¬ len ist meist eine maximale Schließ- oder Öffnungszeit vorge¬ geben, die mit dem elektropneumatischen Steuerungssystem eingehalten werden muss. Mit einem derartigen Booster kann die Luftleistung gegenüber einem einfachen Stellungsregler um ein Vielfaches, beispielsweise das Zwanzigfache, erhöht werden. Der Booster wird zwischen Stellungsregler und Antrieb eingebaut und, wie auch der Stellungsregler, an Versorgungsluft angeschlossen. Ein erstes pneumatisches Steuersignal, welches durch den Stellungsregler erzeugt wird, dient zur Steuerung des Boosters. Bei doppelt wirkenden Antrieben werden zwei derartige Booster installiert, jeweils einer für jede Kammer.
Die Verwendung von Boostern in elektropneumatischen Steuerungssystemen kann jedoch in nachteiliger Weise zu einem un- erwünschten Verhalten, insbesondere bei Positionsänderungen des Antriebs, führen. Zur Verbesserung des Verhaltens wird in der bereits eingangs genannten EP 1 769 159 Bl vorgeschlagen, im Volumenstrom-Booster zur Erfassung dessen Betriebszustands ein Rückführsignal zu bilden und dieses in den Regelkreis des Stellungsreglers einzubeziehen . Insbesondere die Erzeugung des Rückführsignals im Booster und die Leitungen zur Rückführung des Signals zum elektropneumatischen Stellungsregler sind jedoch mit einem erheblichen Zusatzaufwand verbunden. Selbst bei Verwendung eines so gennannten Bypass-Ventils wird dieser Aufwand für erforderlich erachtet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektropneuma- tisches Steuerungssystem für einen pneumatischen Antrieb sowie ein Verfahren zum Betreiben des Steuerungssystems zu schaffen, mit welchen in besonders einfacher Weise eine Einstellung eines Bypass-Ventils für ein gutes Verhalten des Steuerungssystems erhalten werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen geeigneten elektropneumatischen Stellungsregler für ein derartiges Steuerungssystem sowie ein ge- eignetes Computerprogramm für den Stellungsregler zu schaffen .
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue elektropneumatische Steuerungssystem der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. der neue elektropneumatische Stellungsregler die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 angegebenen Merkmale auf. Ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines elektropneumatischen Steuerungssystems ist in Anspruch 7, ein Computerprogramm mit durch einen Mikrocon- troller eines Stellungsreglers ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens in Anspruch 8 und ein Computerprogrammprodukt mit einem derartigen Compu¬ terprogramm in Anspruch 9 beschrieben. Vorteilhafte Ausge- staltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine Betriebsart für das elektropneumatische Steuerungssystem geschaffen wurde, in welcher ein Bediener in besonders einfacher und zuverlässiger Weise zu einer geeigneten Einstellung eines Bypass-Ventils hingeführt wird.
Das Auffinden einer geeigneten Einstellung des Bypass-Ventils ist aufgrund folgender Problematik von besonderer Bedeutung: Wenn das Bypass-Ventil am Booster komplett geschlossen ist, wirken sich meist bereits kleinste Druckänderungen des ersten pneumatischen Steuersignals auf den Ausgang des Boosters aus, da dieser Druckänderungen verstärkt auf seinen Ausgang, das heißt auf das zweite pneumatische Steuersignal, ausgibt. Da¬ durch ist in nachteiliger Weise ein Schwingen einer mit einem pneumatischen Antrieb versehenen Armatur wahrscheinlich, da eine feine Regelung der Antriebsposition mit kleinen Luftmengen bei derartiger Ventileinstellung nicht möglich ist. Ein weites Öffnen des Bypass-Ventils führt zu einem trägen An¬ sprechverhalten des Boosters und kann aufgrund der damit ver¬ bundenen Verzögerung im Positionsregelkreis ebenfalls Schwin¬ gungen verursachen. Ein Öffnen des Bypass-Ventils um einen gewissen Betrag ermög¬ licht eine Dämpfung der Druckänderungen auf den pneumatischen Steuersignalen, da kleinste Änderungen nun über das Bypass- Ventil ausgeglichen werden können. Ein Auffinden einer dafür gut geeigneten Einstellung des Bypass-Ventils gestaltete sich bisher jedoch vergleichsweise schwierig. Durch manuelle Eingabe musste der Stellungsregler dazu veranlasst werden, den pneumatischen Antrieb zu verfahren. Beim Anhalten des Antriebs musste ein Bediener das Verhalten des pneumatischen Antriebs bzw. der damit betriebenen Armatur visuell bewerten. War ein Nachlauf des Antriebs zu erkennen, wurde das Bypass- Ventil am Volumenstrom-Booster weiter geöffnet. Da diese Vorgehensweise lediglich eine qualitative Bewertung des Über¬ gangsverhaltens zuließ, war das Auffinden einer Einstellung des Drosselventils mit geringem Nachlauf eher dem Zufall überlassen .
Dagegen hat das neue elektropneumatische Steuerungssystem den Vorteil, dass der jeweilige Nachlauf beim Anfahren einer neu- en Position quantitativ ermittelt und dem Bediener angezeigt wird. Dem Bediener wird es damit ermöglicht, durch Variation der Einstellung des Drosselventils diejenige Einstellung zu¬ verlässig aufzufinden, welche zu einem geringen oder sogar zum geringsten Nachlaufwert führt und so ein gutes Übergangs- verhalten des elektropneumatischen Steuerungssystems zu erhalten .
Die Veränderung der Einstellung des Bypass-Ventils kann zwischen den einzelnen Verfahrvorgängen manuell durch einen Be- diener oder mit automatischen Einstellmitteln, beispielsweise mittels eines geeignet angesteuerten Schrittmotors, vorgenom¬ men werden. Bei einer automatischen Einstellung kann es sinnvoll sein, Kennwerte für die jeweiligen Einstellungen des Bypass-Ventils, mit welchen die verschiedenen Nachlaufwerte beim Anfahren neuer Positionen ermittelt wurden, dem Bediener ebenfalls anzuzeigen.
Da sich die pneumatischen Eigenschaften des Steuerungssystems beim Be- und Entlüften einer Antriebskammer voneinander un- terscheiden können, oder da bei doppelt wirkenden Antrieben mehrere Booster zum Einsatz kommen, kann es weiterhin von Vorteil sein, eine erste Gruppe von Nachlaufwerten für ein Verfahren in einer ersten Richtung und eine zweite Gruppe von Nachlaufwerten für ein Verfahren des Antriebs in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung, zu ermitteln und für jede Gruppe anhand der jeweils zugeordneten Nachlaufwerte eine Einstellung des oder der Bypass-Ventile mit geringem Nachlauf zu finden.
Bei der Inbetriebnahme elektropneumatischer Steuerungssyste¬ me, insbesondere bei ihrer Verwendung zur Betätigung von Regelventilen, werden häufig zunächst die beiden Endlagen des pneumatischen Antriebs angefahren, um den Stellbereich des Antriebs zu ermitteln. Mit Kenntnis des Stellbereichs ist es in einer für den Bediener besonders anschaulichen Weise möglich, die zur Unterstützung des Bedieners bei einer manuellen Einstellung des Bypass-Ventils ermittelten Nachlaufwerte als Prozentwerte des Stellbereichs anzuzeigen.
Als besonders vorteilhaft hat sich ein durch den elektropneu- matischen Stellungsregler automatisch ausgeführter Positionswechsel des Antriebs erwiesen, bei welchem der Antrieb alter¬ nierend zwischen einer ersten Position in der unteren Hälfte des Stellbereichs, vorzugsweise zwischen 10% und 40% des
Stellbereichs, und einer zweiten Position in der oberen Hälfte des Stellbereichs, vorzugsweise zwischen 60% und 90%, hin und her bewegt wird. Die Nachlaufwerte, die beim Anfahren der ersten Position ermittelt werden, bilden dann eine erste Gruppe von Nachlaufwerten, die Nachlaufwerte beim Anfahren der zweiten Position eine zweite Gruppe. Bei einer prakti¬ schen Erprobung haben sich als besonders vorteilhafte Vorga¬ ben für die erste Position 30% und für die zweite Position 70% des Stellbereichs erwiesen. Diese Positionen weisen in den meisten Fällen eine zur Ermittlung des Nachlaufs ausreichende Distanz zu den jeweiligen Endlagen auf. Zudem werden die beiden Positionen mit zur Ermittlung der Nachlaufwerte ausreichend hoher Verfahrgeschwindigkeit angefahren. Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einem elektropneuma- tischen Stellungsregler zur Verwendung in einem elektropneu- matischen Steuerungssystem gelöst, der nach dem Verfahren wie hier und im Folgenden beschrieben arbeitet und dazu Mittel zur Durchführung des Verfahrens umfasst. Die Erfindung ist dabei bevorzugt in Software oder in einer Kombination Soft- /Hardware implementiert. Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Mikrocontroller eines Stellungsreglers ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programm¬ codemitteln, sowie schließlich ein elektropneumatischer Stellungsregler, in dessen Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ein solches Compu- terprogramm geladen oder ladbar ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Figur 1 ein elektropneumatisches Steuerungssystem,
Figur 2 einen Volumenstrom-Booster in einer Stellung „Antrieb Belüften",
Figur 3 den Booster gemäß Figur 2 in einer Stellung „An- trieb Entlüften",
Figur 4 einen zeitlichen Ausschnitt aus einem Positionsverlauf und Figur 5 ein Blockschaltbild eines elektropneumatischen
Stellungsreglers .
Ein elektropneumatisches Steuerungssystem 1 für einen pneumatischen Antrieb 2 umfasst gemäß Figur 1 einen elektropneuma- tischen Stellungsregler 3, einen Volumenstrom-Booster 4 sowie einen Positionsgeber 5 zur Erfassung eines Istwerts x der Position des pneumatischen Antriebs 2. Dem Stellungsregler 3 wird ein Sollwert w für die Antriebsposition beispielsweise von einem in Figur 1 der Übersichtlichkeit wegen nicht darge¬ stellten Automatisierungsgerät oder Leitsystem vorgegeben. In einem geregelten Betrieb des Stellungsreglers 3 wird der Sollwert w mit dem jeweils aktuell gemessenen Istwert x der Position verglichen und in Abhängigkeit der so gebildeten Re- geldifferenz ein erstes pneumatisches Steuersignal 6 zur Ver¬ ringerung der Regeldifferenz erzeugt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen einfach wirkenden pneumatischen Antrieb 2 mit vergleichsweise großer Druckkammer 7, der zur Betätigung eines Ventils 8 dient. Um dennoch kurze Schließ- und Öffnungszeiten des Ventils 8 zu erreichen, wird die Luftleistung, welche der Stellungsregler 3 mit dem ersten pneumatischen Steuersignal 6 zur Verfügung stellt, mittels des Volumenstrom-Boosters 4 um ein Vielfaches erhöht. Ein durch den Booster 4 erzeugtes zweites pneumatisches Steu- ersignal 9, welches auf die Druckkammer 7 geführt ist, kann somit für ein schnelles Verfahren des Antriebs 2 ausreichende Luftleistung bereitstellen.
Bei dem Booster 4 handelt es sich um einen extern vom Stel- lungsregler 3 montierten Booster. Alternativ kann der Booster selbstverständlich auch als in dem Stellungsregler 3 integriertes Gerät ausgeführt sein. Stellungsregler 3 und Booster 4 sind beide direkt an eine Versorgungsleitung für Druckluft angeschlossen .
Um beim Betrieb des elektropneumatischen Steuerungssystems 1 zuverlässig ein Schwingen des pneumatischen Antriebs 2 zu verhindern, ist im Stellungsregler 3 eine zusätzliche Betriebsart implementiert, die zu dessen Initialisierung in ei- nem Steuerungssystem mit einem Volumenstrom-Booster dient, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel bei Verwendung des Volu¬ menstrom-Boosters 4. Durch diese Initialisierungsbetriebsart wird ein Bediener beispielsweise bei einer manuellen Einstel¬ lung eines Bypass-Ventils , mit welchem der Booster 4 zur Schwingungsunterdrückung und zur Erreichung einer hohen Ver- fahrgeschwindigkeit ausgestattet ist, unterstützt, wie es im Folgenden näher erläutert wird. Anhand der Figuren 2 und 3 wird zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst die Funktionsweise anhand eines Ausfüh¬ rungsbeispiels des Boosters 4 beschrieben. Das erste pneuma¬ tische Steuersignal 6 ist auf einen Steuereingang 20, die Versorgungsleitung 10 für Druckluft auf einem Druckluftein- gang 21 geführt. An einem Ausgang 22, der mit der Kammer 7 (Figur 1) verbunden ist, liefert der Booster 4 das zweite pneumatische Steuersignal 9. Ein weiterer Ausgang 23 ist nach außen geführt und dient zum Entlüften der Kammer 7. Sobald eine Druckdifferenz zwischen Ausgang 22 zum Antrieb 2 (Figur 1) und dem Steuereingang 20 besteht, bewegt sich ein Kolben 24, der zur Betätigung eines Stößels 25 dient, entweder um den Ausgang 22 zu belüften oder zu entlüften.
Zum Belüften des Antriebs 2 (Figur 1) wird eine obere Kammer 26 über den Steuereingang 20 vom Stellungsregler 3 (Figur 1) mit Luft versorgt, wie es in Figur 2 durch oberhalb des Kol¬ bens 24 eingezeichnete Pfeile angedeutet ist. Ein in einer unteren Kammer 27 herrschender Druck entspricht dem Druck in der Kammer 7 (Figur 1) des Antriebs 2 (Figur 1) . Der Kolben 24 wiederum drückt den Stößel 25 nach unten und die Luft kann vom Eingang 21 zum Ausgang 22 und somit zum Antrieb fließen. Sobald sich der Druck am Ausgang 22 und damit der Druck in der unteren Kammer 27 dem Druck der oberen Kammer 26 ange- passt hat, bewegt sich der Kolben 24 nach oben und der Stößel 25 schließt den Luftdurchgang. Der Belüftungsvorgang ist damit beendet.
Zum Einleiten eines Entlüftungsvorgangs wird, wie es durch Pfeile in Figur 3 oberhalb des Kolbens 24 angedeutet ist, die obere Kammer 26 über den Steuereingang 20 entlüftet. Der
Druck in der unteren Kammer 27 entspricht wiederum dem Kammerdruck des Antriebs. Da die obere Kammer 26 nun einen nied¬ rigeren Druck als die untere Kammer 27 hat, wird der Kolben 24 nach oben gedrückt. Der Stößel 25 bleibt allerdings in seiner Position und die Luft kann vom Antrieb über den Ausgang 22 zum Abluftausgang 23 fließen. Sobald sich der Druck am Ausgang 22 dem in der oberen Kammer 26 herrschenden Druck angepasst hat, bewegt sich der Kolben 24 wieder nach unten und schließt zum Beenden des Entlüftungsvorgangs den Luft¬ durchgang .
Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, besitzt der Booster 4 einen Bypass 29, d. h. eine Verbindung zwischen Ausgang 22 zum Antrieb und dem Steuereingang 20. In diesem Bypass 29 ist ein als Nadelventil ausgeführtes Bypass-Ventil 30 angeordnet, mit welchem die Luftmenge, die über den Bypass 29 ausge¬ tauscht wird, eingestellt werden kann. Die Einstellung des Bypass-Ventils 30 erfolgt mithilfe einer Initialisierungsbe- triebsart im Rahmen der Inbetriebnahme des elektropneumati- schen Steuerungssystems 1 (Figur 1), das heißt nachdem Stel¬ lungsregler 3, Booster 4, pneumatischer Antrieb 2, Ventil 8 mit der erforderlichen Verrohrung montiert sind und betrieben werden können. Die richtige Einstellung des Bypass-Ventils 30 ist wichtig für einen später problemlosen Betrieb des Steue¬ rungssystems 1.
Um die Einstellung des Bypass-Ventils 30 für einen Bediener zu vereinfachen und um die Einstellung zudem reproduzierbar zu machen, wurde der Stellungsregler 3 (Figur 1) somit um eine zusätzliche Betriebsart erweitert.
Figur 4 zeigt einen zeitlichen Ausschnitt eines sich dabei ergebenden Positionsverlaufs 41 des pneumatischen Antriebs 2 (Figur 1) . Auf der Abszisse ist die fortlaufende Zeit t, auf der Ordinate der jeweils gemessene Istwert x der Position als Prozentwert in Abhängigkeit eines Stellbereichs zwischen vor¬ bestimmten Endlagen aufgetragen. Beginnend von einer beliebigen Startposition - der als Beispiel dargestellte Ausschnitt des Verlaufs 41 beginnt bei einer Position von etwa 90% - wird der pneumatische Antrieb mit maximaler Luftleistung in Richtung einer neuen, vorgegebenen oder vorgebbaren Position, die bei etwa 30% liegt, verfahren. Die Betriebsart bei diesem Vorgang ist so gestaltet, dass das Verfahren ungeregelt er- folgt, das heißt der Stellungsregler be- oder entlüftet so¬ lange den oder - falls mehrere Booster angeschlossen sind - die Ausgänge, bis der in dem Steuerungssystem zurückgeführte Istwert der Antriebsposition die vorgegebene neue Position überschreitet. Dabei ist anzumerken, dass zur Vereinfachung der Ausdrucksweise in der vorliegenden Anmeldung ein Verfahren des Antriebs über die neue Position hinaus unabhängig von der jeweiligen Richtung immer als „Überschreiten" bezeichnet wird, also auch dann, wenn - wie bei dem Punkt 42 des Ver- laufs 41 - eine horizontale Linie, welche die neue Position markiert, nach unten hin „überschritten" wird. Bei Überschreiten der neuen Position, also beim Punkt 42, wird die Luftleistung auf Null gesetzt, das heißt das Be- bzw. Entlüf¬ ten gestoppt. Der Antrieb verfährt zunächst noch mit unverän- derter Geschwindigkeit weiter bis zu einem Punkt 43 des Ver¬ laufs 41. Dies ist durch unvermeidliche interne Verzögerungen des Stellungsreglers begründet. Der dabei zurückgelegte Ver- fahrweg ist in Figur 4 als ein Korrekturwert dxl eingezeich¬ net, der optional bei der Nachlaufmessung berücksichtigt wer- den kann. Ein sich daran anschließender Nachlauf Δχΐ wird wesentlich von der jeweiligen Einstellung des Bypass-Ventils 30 beeinflusst. Dieser Nachlauf Δχΐ entspricht im Diagramm gemäß Figur 4 dem Verfahrweg zwischen dem Punkt 43 und einem Punkt 44, bei welchem der Antrieb nahezu zum Stillstand ge- kommen ist. Der Nachlaufwert Δχΐ bildet einen ersten Wert einer Gruppe von Nachlaufwerten, die für ein mehrfaches Verfahren des Antriebs in dieser Richtung gemessen werden. Weitere Verfahrvorgänge der gleichen Art sind in Figur 4 der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht mehr dargestellt. Die einzelnen Nachlaufwerte werden für den Bediener auf einer Anzeige ausgegeben. Dieser hat die Möglichkeit, zwischen den einzelnen Verfahrvorgängen die Einstellung des Bypass-Ventils zu verändern und so durch Variation der Einstellung des Bypass-Ventils eine Einstellung mit einem geringen Nachlaufwert aufzufinden und diese für den späteren Betrieb des elektro- pneumatischen Steuerungssystems auszuwählen.
Bei einfach wirkenden Antrieben wäre prinzipiell bereits ein mehrfaches Verfahren in der bisher beschriebenen einen Rieh- tung zur korrekten Einstellung des Bypass-Ventils ausreichend. Bei doppelt wirkenden Antrieben werden häufig zwei Booster verbaut, die jeweils in eine Richtung wirken. Ausge¬ hend vom Punkt 44 der Verlaufskurve 41 wird daher auch beim Verfahren in einer zweiten, der ersten entgegengesetzten
Richtung eine Nachlaufmessung durchgeführt. Dazu wird der Antrieb auf einen neuen Sollwert der Position verfahren, der im gezeigten Ausführungsbeispiel bei etwa 70 % des Stellbereichs liegt. Bei einem Punkt 45 des Verlaufs 41 überschreitet der gemessene Istwert den Sollwert, behält wiederum die gleiche
Verfahrgeschwindigkeit bis zu einem Punkt 46 aufgrund der in¬ ternen Verzögerung bei und kommt bei einem Punkt 47 etwa zum Stillstand. Analog zu den durchgeführten Messungen in der ersten Richtung werden auch bei der zweiten Richtung ein Kor- rekturwert dx2 sowie ein Nachlaufwert Δχ2 gemessen. Bei meh¬ reren Verfahrvorgängen in der zweiten Richtung erhaltene Nachlaufwerte Δχ2 werden jeweils zur Anzeige gebracht, so dass der Bediener auch die Möglichkeit hat, ein an einem zweiten Booster befindliches Bypass-Ventil für einen geringen Nachlauf einzustellen.
Nachlaufwerte der ersten Gruppe, die bei der ersten Richtung gemessen werden, und Nachlaufwerte der zweiten Gruppe, die bei der zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Rich- tung gemessen werden, werden auf der Anzeige im Wechsel ausgegeben. Selbstverständlich wäre es auch möglich, zunächst lediglich die Nachlaufwerte der ersten Gruppe zur Unterstüt¬ zung eines Bedieners bei der manuellen Einstellung eines ersten Bypass-Ventils und anschließend die Nachlaufwerte der zweiten Gruppe für die Einstellung eines zweiten Bypass- Ventils auszugeben.
In jedem Fall ist es möglich, während des laufenden Initiali¬ sierungsbetriebs die Einstellung eines Bypass-Ventils an ei- nem Booster zwischen den einzelnen Messungen zu verändern, mit den jeweiligen Einstellungen erhaltene Werte des Nachlaufs zu beobachten und durch geeignete Veränderung der Einstellung des Bypass-Ventils darauf zu reagieren. Um eine problemlose Regelung durch das elektropneumatische Steue- rungssystem zu gewährleisten und um eine möglichst kurze Einstellzeit bei Sollwertänderungen zu erhalten, sollte dabei das Ziel verfolgt werden, eine Einstellung des Bypass- Ventils für einen möglichst geringen Nachlauf zu wählen.
Nach der Beendigung der Einstellung des oder der Bypass-Ven- tile kann sich eine Initialisierung in einer weiteren Betriebsart anschließen, um neue Regelparameter für den Stellungsregler zu ermitteln, da sich mit geänderter Einstellung des oder der Bypass-Ventile auch die Dynamik des elektropneu- matischen Steuerungssystems verändert haben kann.
In Figur 5 ist eine Struktur eines elektropneumatischen Stellungsreglers 3 dargestellt, der einen MikroController 50 mit Datenspeicher 51 und Programmspeicher 52 sowie zur Bedienung eine Anzeige 53 und eine Eingabeeinrichtung 54 umfasst. Zur programmgesteuerten Erzeugung des ersten pneumatischen Steuersignals 6 dient eine Ventilgruppe 55. Die genannten Kompo¬ nenten 50...55 sind mittels eines internen Bussystems 56 kommu- nikativ miteinander verbunden. In den Programmspeicher 52 ist unter anderem ein Computerprogramm 57 geladen, welches zur Implementierung der beschriebenen Betriebsart dient, durch welche die Einstellung von Bypass-Ventilen unterstützt wird. Das Computerprogramm 57 kann beispielsweise im Rahmen eines Firmware-Updates auch nachträglich in einen herkömmlichen Stellungsregler 3 geladen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektropneumatisches Steuerungssystem für einen pneumati¬ schen Antrieb,
mit einem elektropneumatischem Stellungsregler (3) zur Erzeugung eines ersten pneumatischen Steuersignals (6) in Abhängigkeit eines vorgegebenen oder vorgebbaren Stellungssollwerts (w) und eines gemessenen Istwerts (x) der Position des pneumatischen Antriebs (2) und
mit zumindest einem Volumenstrom-Booster (4) zur Erhöhung der Luftleistung des Stellungsreglers (3) und zur Erzeugung eines zweiten pneumatischen Steuersignals (9), welches auf den pneumatischen Antrieb (2) geführt ist, in Abhängigkeit des ersten pneumatischen Steuersignals (6), wobei ein einstellba- res Bypass-Ventil (30) in einer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten pneumatischen Steuersignal (6; 9) angeord¬ net ist, dadurch gekennzeichnet,
dass der elektropneumatischer Stellungsregler (3) dazu ausgebildet ist, den pneumatischen Antrieb (2) mehrfach mit maxi- maier Luftleistung bei jeweils verschiedenen Einstellungen des Bypass-Ventils (30) in einer ersten Richtung zu verfahren, bis eine vorgegebene oder vorgebbare Position erreicht ist, jeweils bei Überschreiten der Position die Luftleistung auf Null zu setzen, einen Nachlaufwert (Δχΐ) des pneumati- sehen Antriebs (2) für die jeweilige Einstellung des Bypass- Ventils (30) zu ermitteln und auf einer Anzeige (53) auszuge¬ ben .
2. Elektropneumatisches Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektropneumatische
Stellungsregler (3) weiterhin dazu ausgebildet ist, den pneumatischen Antrieb (2) mit maximaler Luftleistung mehrfach bei jeweils verschiedenen Einstellungen des Bypass- Ventils (30) in einer zweiten, der ersten Richtung entge- gengesetzten Richtung zu verfahren, bis eine vorgegebene oder vorgebbare Position erreicht ist, jeweils bei Er¬ reichen der Position die Luftleistung auf Null zu set¬ zen, einen Nachlaufwert (Δχ2) des pneumatischen Antriebs (2) zu ermitteln und auf der Anzeige (53) auszugeben.
3. Elektropneumatisches Steuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektropneumatische Stellungs¬ regler (3) dazu ausgebildet ist, Nachlaufwerte (Δχΐ, Δχ2) als Prozentwerte in Abhängigkeit eines Stellbereichs des pneumatischen Antriebs (2) zwischen vorbestimmten Endlagen anzuzeigen .
4. Elektropneumatisches Steuerungssystem nach Anspruch 3, da- durch gekennzeichnet, dass eine erste Position in einem Be¬ reich zwischen 10% und 40% des Stellbereichs und eine zweite Position in einem Bereich zwischen 60% und 90% des Stellbereichs vorgegeben ist und dass der elektropneumatische Stel¬ lungsregler (3) dazu ausgebildet ist, alternierend den pneu- matischen Antrieb (2) von der ersten zur zweiten Position und umgekehrt zu verfahren.
5. Elektropneumatisches Steuerungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Position bei 30% und die zweite Position bei 70% des Stellbereichs vorgegeben ist.
6. Elektropneumatischer Stellungsregler für ein elektropneumatisches Steuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stellungsregler (3) ausgebildet ist zur Erzeugung eines ersten pneumatischen Steuersignals (6) in Abhängigkeit eines vorgegebenen oder vorgebbaren Stellungssoll¬ werts (w) und eines gemessenen Istwerts (x) der Position des pneumatischen Antriebs (2) und wobei dem Stellungsregler (3) zumindest ein Volumenstrom-Booster (4) zur Erhöhung seiner Luftleistung nachschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektropneumatische Stellungsregler (3) dazu ausgebildet ist, zur Einstellung eines Bypass-Ventils (30) eines Volumen¬ strom-Boosters (4) den pneumatischen Antrieb (2) mehrfach mit maximaler Luftleistung bei jeweils verschiedenen Einstellun- gen des Bypass-Ventils (30) in einer ersten Richtung zu verfahren, bis eine vorgegebene oder vorgebbare Position er¬ reicht ist, jeweils bei Überschreiten der Position die Luft¬ leistung auf Null zu setzen, einen Nachlaufwert (Δχΐ) des pneumatischen Antriebs (2) für die jeweilige Einstellung des Bypass-Ventils (30) zu ermitteln und auf einer Anzeige auszugeben (53) .
7. Verfahren zum Betreiben eines elektropneumatischen Steuerungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5, für einen pneumatischen Antrieb (2), mit einem elektropneumatischen Stellungsregler (3) zur Erzeugung eines ersten pneumatischen Steuersignals (6) in Abhängigkeit eines vorgegebenen oder vorgebbaren Stellungssollwerts (w) und eines gemessenen Istwerts (x) der Position des pneumati¬ schen Antriebs (2) und mit zumindest einem Volumenstrom- Booster (4) zur Erhöhung der Luftleistung des Stellungsreglers (3) und zur Erzeugung eines zweiten pneumati¬ schen Steuersignals (9), welches auf den pneumatischen Antrieb (2) geführt ist, in Abhängigkeit des ersten pneumatischen Steuersignals (6), wobei ein einstellbares Bypass-Ventil (30) in einer Verbindung (29) zwischen dem ersten und dem zweiten pneumatischem Steuersignal (6; 9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch den elektropneumatischen Stellungsregler (3) der pneumatischer Antrieb (2) mehrfach mit maximaler Luftleistung bei jeweils verschiedenen Einstellungen des Bypass-Ventils (30) in einer ersten Richtung verfahren wird, bis eine vorgegebene oder vorgebbare Position erreicht ist, dass jeweils bei Überschreiten der Position die Luftleistung auf Null gesetzt, ein Nachlaufwert (Δχΐ) des pneumati¬ schen Antriebs (2) ermittelt und auf einer Anzeige (53) ausgegeben wird.
8. Computerprogramm mit durch einen Mikrocontroller ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens nach Anspruch 7, wenn das Computerpro¬ gramm auf einem Mikrocontroller (50) eines elektropneumatischen Stellungsreglers (3) ausgeführt wird.
9. Computerprogrammprodukt, insbesondere Datenträger oder Speichermedium, mit einem durch einen Mikrocontroller (50) ausführbaren Computerprogramm (57) gemäß Anspruch 8.
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