Beschreibung

Stellungsregler für Antriebe sowie pneumatisches Regelventil mit einem derartigen Stellungsregler

Die Erfindung betrifft einen Stellungsregler für Antriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein pneumatisches Regelventil mit einem derartigen Stellungsregler.

Aus der Informationsschrift "Elektropneumatische Stellungs- regier für optimale Reglerergebnisse" der Siemens AG, Be¬ stellnummer E80001-V0343-A020, ist der elektropneumatische Stellungsregler SIPART PS bekannt, der eingesetzt wird, um an pneumatischen Schub- oder Schwenkantrieben die Position eines angeschlossenen Stellgliedes, beispielsweise eine Ventil¬ oder Klappenstellung, zu regeln. Von einem Prozeßregler- oder -leitsystem wird dem Stellungsregler über eine analoge 4- bis 20 mA-Schnittstelle ein Sollwert vorgegeben, und der Stel¬ lungsregler erzwingt am Antrieb dann eine diesem Sollwert entsprechende Stellung. Der Druck in einer Antriebskammer oder bei doppeltwirkenden Antrieben in beiden Antriebskammern wird so lange verändert, bis die vorgegebene Position des Stellglieds erreicht ist . Dazu wird die aktuelle Position mit einem Weggeber, beispielsweise einem eitplastik-Potentio- meter, erfaßt und ein mit dem Weggeber erzeugtes Istwert¬ signal zusammen mit dem Sollwert einem ikrocontroller zu¬ geführt . Dieser vergleicht beide Signale, bildet eine Regel¬ abweichung und berechnet unter Berücksichtigung der Dynamik des pneumatischen Antriebs die erforderlichen Schaltreaktio- nen nachgeschalteter pneumatischer Ventile. Ein Ventil liegt

im Zuluftzweig für eine Erhöhung des Luftdrucks in der Kam¬ mer, ein anderes Ventil im Abluftzweig und öffnet, wenn die Kammer entlüftet werden soll.

Beim Verstellen von reibungsbehafteten Stellgliedern muß zu¬ nächst eine Stellkraft, insbesondere bei pneumatischen An¬ trieben ein Differenzdruck in den Membrankammern, entwickelt werden, die größer ist als die Reibungskraft der Ruhe, die Haftreibung. Wenn Stellschritte mit sehr kleiner Schrittweite gewünscht werden, fährt der Antrieb über den neuen Sollwert hinaus, da die Haftreibung größer ist als die Gleitreibung während der Bewegung. Daraus ergibt sich ein minimales Stell- inkrement oder eine kleinste Stellschrittweite des Antriebs. In einer Initialisierungsphase werden die minimalen Stell- inkremente ermittelt und eine optimale Totzone berechnet, d. h. ein Toleranzbereich um den Sollwert, innerhalb dessen eine Regelabweichung nicht ausgeregelt wird, festgelegt.

Pneumatische Regelventile weisen häufig eine starke Haft- reibung auf, die bei Schubantrieben vor allem in der Stopf¬ buchse, bei Schwenkantrieben in der Zylinder/Kolben-Abdich¬ tung begründet ist. Zur Unterdrückung von DauerSchwingungen bei unverändertem Sollwert ist die Totzone vorgesehen, die bei dem bekannten Stellungsregler größer als das minimale Steilinkrement sein muß. Wird im laufenden Prozeßbetrieb ein Ventil an der Stopfbuchse undicht und die Stopfbuchse stärker angezogen, so hat dies eine erhöhte Haftreibung zur Folge. Bei nun nicht mehr ausreichender Breite der Totzone kann dies eine Dauerschwingung um die Totzone verursachen, die das Regelergebnis nachteilig beeinträchtigt und sowohl den Luft-

verbrauch als auch den Verschleiß von Antrieb, Ventil und Stellungsregler erhöht. Um dies zu vermeiden, ist der be¬ kannte Stellungsregler mit einer Adaptionseinrichtung ausge¬ stattet, durch welche der Stellungsregler die veränderten Be¬ triebsbedingungen erkennt und durch automatisches Erweitern der Totzone einen stabilen Regelzustand ohne Schwingungen einstellt. Nachteilig dabei ist, daß eine erweiterte Totzone den Regelfehler vergrößert und sich negativ auf die statio¬ näre Regelgenauigkeit auswirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellungs- regier für Antriebe zu schaffen, durch den ein genaueres An¬ fahren von Sollwerten ermöglicht und zudem Dauerschwingungen bei Antrieben wirkungsvoll unterdrückt werden, ohne daß sich hierdurch die Regelgenauigkeit verschlechtert, sowie ein pneumatisches Regelventil mit einem derartigen Stellungs- regier zu versehen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Stellungsregler der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An¬ spruchs 1 bzw. das neue pneumatische Regelventil die im kenn¬ zeichnenden Teil des Anspruchs 6 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprü¬ chen beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Totzone zur Vermeidung von Dauerschwingungen bei konstantem Sollwert nicht zwangs¬ läufig größer sein muß als das minimale Stellinkrement eines Regelantriebs. Durch eine kleinere Totzone wird eine entspre- chend bessere Regelgenauigkeit erreicht. Ein weiterer Effekt,

der sich vorteilhaft auf eine Steigerung der Regelgenauigkeit auswirkt, ist der, daß ein Antrieb, wenn er einmal in die Gleitreibungsphase übergegangen ist, sehr kleine Änderungen der Schrittweite zuläßt, die erheblich unter dem minimalen Stellinkrement liegen. D. h., die kleinste Schrittweite stellt eine untere Grenze für die einstellbare Schrittweite dar, bei größeren Sollwertsprüngen können kontinuierlich grö¬ ßere Schrittweiten eingestellt werden. Daraus ergibt sich, daß ein Sollwert auch bei kleinen Sollwertsprüngen oder Regelabweichungen sehr genau angefahren werden kann, indem durch einen zwischengeschalteten Stellschritt zunächst eine Position des Antriebs angefahren wird, die zumindest um die kleinste Schrittweite von dem Sollwert entfernt ist. Unge- nauigkeiten, die vor allem bei kleinen Sollwertsprüngen auf- treten, können somit vermieden werden. Da die Neigung eines

Regelantriebs zu DauerSchwingungen nun weniger von der Breite der Totzone abhängt, kann diese vorwiegend in Abhängigkeit anderer Betriebsparameter, insbesondere der gewünschten Regelgenauigkeit, festgelegt werden. In vorteilhafter Weise werden durch die verringerte Zahl von Stellschritten, die durch das genauere Anfahren von Sollwerten und die Vermeidung von Dauerschwingungen erreicht wird, der Verschleiß und die zum Betrieb des Antriebs erforderliche Energie minimiert.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild eines Regelventils mit Stel- lungsregler und Figur 2 ein Zeitdiagramm mit einem Verlauf eines Regel- Vorgangs.

Ein pneumatischer Antrieb weist gemäß Figur 1 ein Antriebs¬ gehäuse 1 auf, in dem ein Antriebselement, hier ein Membran¬ teller 2, beweglich gelagert ist. Das Antriebselement 2 ist mit einer Schubstange 3 verbunden, die zur Betätigung eines Stellglieds 17, hier ein Stellventil, dient. Auf der Ober¬ seite des Membrantellers 2 befinden sich innerhalb des An¬ triebsgehäuses 1 drei Federn 4, 5 und 6, die auf den Membran- teller 2 eine Druckkraft Fo ausüben. Die Unterseite des Mem- brantellers 2 bildet zusammen mit dem Unterteil des Antriebs- gehäuses 1 eine Druckkammer 7, die über eine Zuleitung 8 be- und über eine Ableitung 15 entlüftet werden kann. In Ab¬ hängigkeit von dem in der Druckkammer 7 herrschenden Druck wirkt eine Kraft Fu auf die Unterseite des Membrantellers 2. Zur Erfassung der aktuellen Position der Schubstange 3 ist ein Stellungsmelder 9 vorgesehen, der über einen Stellungs- abgriff mit der Schubstange 3 gekoppelt ist und ein elek¬ trisch auswertbares Stellungssignal 10 an einen Stellungs- regier 11 liefert. Zur Betätigung des pneumatischen Antriebs öffnet oder schließt der Stellungsregler 11 ein Piezoventil 12, das auf der einen Seite mit einer Leitung 13 eines Druck¬ luftversorgungsnetzes und dessen andere Seite mit der Zu¬ leitung 8 verbunden ist. Zur schnellen Entlüftung ist ein Ventil 14 vorgesehen, das die Ableitung 15 zur Umgebung hin öffnet oder schließt. An den Stellungsregler 11 ist eine An-

zeige 16 angeschlossen, die beispielsweise zur Ausgabe ak¬ tueller Stellungswerte dient. Zusätzlich können Informationen des Stellungsreglers über eine Busschnittstelle, die in Fi¬ gur 1 nicht dargestellt ist, einem übergeordneten Prozeßleit- System gemeldet oder umgekehrt von diesem eine Parametrierung oder eine Sollwertvorgabe an den Stellungsregler übermittelt werden. Die Schubstange 3 ist am Antriebsgehäuse 1 durch eine Dichtung 18 und am Ventil 17 durch eine in der Figur nicht dargestellte Stopfbuchse geführt. Diese Führungen, insbeson- dere wenn die Stopfbuchse aufgrund von Undichtigkeiten des Ventils 17 fest angezogen wurde, verursachen eine starke Haftreibung. Bei Sollwertänderungen muß in der Antriebskammer 7 zunächst ein Druck aufgebaut werden, der ein Kräfte¬ ungleichgewicht zwischen den Kräften Fo und Fu verursacht, das in der Lage ist, diese Haftreibung zu überwinden. Selbst wenn unmittelbar nach dem Eintritt in die Gleitreibungsphase jegliche Belüftung der Antriebskammer 7 unterbrochen wird, bewegt sich der Antrieb aufgrund des Kammerdrucks um eine gewisse Wegstrecke, die kleinste Schrittweite, weiter. Diese kleinste erreichbare Schrittweite ist von den geometrischen

Antriebsabmessungen, dem verwendeten Luftdruck, der Regler¬ dynamik, dem Verhältnis zwischen Gleit- und Haftreibung, der jeweiligen Position und weiteren Faktoren abhängig. In einer Initialisierungsphase werden daher durch den Stellungsregler 11, der eine Recheneinheit und einen Datenspeicher enthält, für verschiedene Positionen des Antriebs die kleinste Schrittweite sowie die für verschiedene Schrittweiten er¬ forderlichen pneumatischen Ansteuersignale ermittelt und im Datenspeicher nach Art von Kennlinien hinterlegt. Diese Kenn- linien werden während des späteren Betriebs angepaßt, sobald

sich durch Alterungseffekte und Verschleiß das Verhalten des Antriebs wesentlich ändert. Überschreitet die kleinste Schrittweite einen vorgegebenen Grenzwert, so wird durch den Stellungsregler 11 eine Fehlermeldung ausgegeben und das Regelventil muß einer Wartung unterzogen werden.

Anhand Figur 2, in der ein beispielhaf er Verlauf des Posi¬ tions-Istwerts x über der Zeit t qualitativ aufgetragen ist, soll im folgenden erläutert werden, wie eine Dauerschwingung eines Antriebs um einen Sollwert xs vermieden wird. Eine

Dauerschwingung kann durch den Stellungsregler 11 (Figur 1) ohne weiteres erkannt werden, z. B. indem bei aufeinander¬ folgenden Richtungswechseln der SchubStangenbewegung trotz unverändertem Sollwert die jeweilige Schrittweite erfaßt und mit vorhergehenden verglichen wird. Bei gleicher oder zumin¬ dest ähnlicher Schrittweite liegt eine Dauerschwingung vor, deren Amplitude der kleinsten einstellbaren Schrittweite c entspricht. Zum Zeitpunkt tl erzeugt der Stellungsregler aus einer ersten Antriebsstellung xl heraus, die dem Schwingungs- Scheitelpunkt entspricht und um einen Betrag d von dem Soll¬ wert xs entfernt ist, einen ersten Stellschritt, dessen Schrittweite als Summe der Regelabweichung d bei der ersten Antriebsstellung xl und der zuvor ermittelten kleinsten Stellschrittweite c bemessen ist. Durch einen darauffolgenden zweiten Stellschritt, dessen Schrittweite wiederum gleich der kleinsten Schrittweite c ist, wird im Idealfall aus der zwei¬ ten Antriebsstellung x2 heraus der Sollwert xs als Antriebs¬ stellung erreicht. In Figur 2 ist mit durchbrochenen Linien die Totzone des Stellungsreglers eingezeichnet, innerhalb der Regelabweichungen nicht ausgeregelt werden. Die Totzonen-

breite a genügt bereits, um Dauerschwingungen wirkungsvoll zu unterdrücken und erlaubt in vorteilhafter Weise gleichzeitig eine gute Regelgenauigkeit. Demgegenüber wäre bei dem ein¬ gangs beschriebenen bekannten Regler eine erheblich größere Totzone, beispielsweise der Breite b, erforderlich, die zu einer weit schlechteren Regelgenauigkeit führen würde.

In dem Ausführungsbeispiel ist ein pneumatisches Regelventil beschrieben; der Erfindungsgedanke ist ohne weiteres aber auch bei anderen Antriebsarten, beispielsweise hydraulischen oder elektromotorischen, sowie bei anderen Stellgliedern, beispielsweise Klappen, Schiebern oder Doppelsitzventilen, anwendbar.