DE102009004570B4

DE102009004570B4 - Verfahren und elektronische Einrichtung zum Finden des Öffnungspunktes bei einem geregelten elektro-pneumatischen Ventil eines pneumatischen Stellantriebs

Info

Publication number: DE102009004570B4
Application number: DE102009004570.8A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kresse Heiko
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: CN101782094A; DE102009004570A1; US20100181513A1

Abstract

Verfahren zum Finden des Öffnungspunktes bei einem elektro-pneumatischen Ventil (13), das in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsregelung des Schaltgliedes (7) eines pneumatischen Stellantriebes (6) für eine hiervon zu betätigende Armatur (2) eingesetzt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:a) das elektro-pneumatische Ventil (13) wird mit einem Ansteuersignal erregt, das einem geschätzten Öffnungspunkt entspricht,b) die Regelkreiseigenschaften bei diesem Ansteuersignal werden durch sensortechnische Erfassung der Bewegung des Schaltgliedes (7) eingemessen,c) falls die ermittelten Regelkreiseigenschaften bei dem aktuellen Öffnungspunkt nicht den Sollvorgaben entsprechen, so wird das Ansteuersignal nach Maßgabe des Auswertungsergebnis geändert, um einen besser angepassten Öffnungspunkt zu erzeugen und der Findungsprozess beginnt anschließend erneut mit Schritt a).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Finden des Öffnungspunktes bei einem elektro-pneumatischen Ventil, das in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsreglung des Schaltgliedes eines pneumatischen Stellantriebes eine hiervon zu betätigende Armatur eingesetzt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine elektronische Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein hiermit im Zusammenhang stehendes Computerprogrammprodukt nebst Datenträger.
Die vorliegende Erfindung wird hauptsächlich im Rahmen pneumatischer Stellantriebe eingesetzt, welche einen Stellungsregler umfassen, der nach Maßgabe eines vorgegebenen Sollwerts einen gewünschten Öffnungsgrad einer am pneumatischen Stellantrieb angeschlossenen Armatur einregelt. Die Armatur kann beispielsweise ein Prozessventil innerhalb eines Rohrleitungssystems einer verfahrenstechnischen Anlage sein. Daneben ist ein pneumatischer Stellantrieb der hier interessierenden Art auch zur Betätigung anderer industrieller Armaturen und dergleichen geeignet.
Der Produktprospekt „Der kompakte, intelligente Stellungsregler“ (ABB Automation Products GmbH, Drucknummer: 50/18-19 DE RevA, Auflage: Juni 2005) offenbart einen elektronischen Stellungsregler für einen pneumatischen Stellantrieb. Der Stellungsregler ist als eine Art Elektronikbox ausgebildet, die am pneumatischen Stellantrieb anbringbar ist. Der Stellungsregler ist ein parametierbares und - vorzugsweise per Feldbus - kommunikationsfähiges Gerät. Im Funktionsmittelpunkt steht der mikroprozessorgesteuerte Ablauf des Reglungsprogramms mit einer Abtastrate von 20ms. Die Sollwertvorgabe erfolgt hier über einen in Zweileitertechnik ausgeführten Feldbusanschluss. Der Stellungsregler weist weiterhin einen Zuluftanschluss für einen Luftdruck bis maximal 6bar sowie einen Arbeitsanschluss zur Weiterleitung des vom Stellungsregler generierten Steuerdrucks an die Steuerkammer des pneumatischen Stellungsreglers auf.
Weiterhin ist ein Sensoreingang für den Istwert der aktuellen Position des vom pneumatischen Stellantrieb betätigten Schaltgliedes vorgesehen, welche über einen am Schaltglied angeordneten Positionssensor gewonnen wird. Die pneumatische Ansteuerung des Stellantriebes erfolgt stetig mit einem I/P-Modul mit nachgeschaltetem 3/3-Wegeventil. Das 3/3-Wegeventil verstellt möglichst proportional den Durchlass zum Be- oder Entlüften des Stellantriebes. In einer Mittelposition wird eine Abschlussstellung eingenommen, bei welcher sämtliche äußeren Anschlüsse blockiert sind. Die Parametrierung und Beobachtung des Betriebszustandes des Stellungsreglers kann entweder mit einem eingebauten Bedienpanel direkt vor Ort oder über den Kommunikationsanschluss auf Basis des Busprotokolls per übergeordneter Steuereinheit zentral erfolgen.
Aus der US 2007/0045579 A1 geht ein pneumatischer Stellungsregler hervor, der als I/P-Modul mit 3/3-Wegeventil ausgebildet ist. Die 3/3-Schaltfunktion ermöglicht die Schaltstellungen Belüften, Abschlussstellung und Entlüften eines Arbeitsanschlusses, der den Steuerdruck für den angeschlossenen pneumatischen Stellantrieb liefert. Das elektro-pneumatische Ventil mit 3/3-Schaltfunktion weist zwei ineinander entgegengesetzte Richtungen der Stellbewegung weisende und untereinander gleich groß wirksame Verschlusselemente auf, die jeweils eine interne Steuerkammer begrenzen, wobei beide Steuerkammern ein gemeinsamer Steuerdruckanschluss zugeordnet ist. Während das eine Verschlusselement der Belüftung des Arbeitsanschlusses dient, dient das andere Verschlusselement der Entlüftung des Arbeitsanschlusses. Werden beide Verschlusselemente nicht betätigt, so befindet sich das Ventil in der Abschlussstellung.
Bei der Stellungsreglung soll ein solches elektro-pneumatisches Ventil ein möglichst proportionales Verhalten von elektrischen Ansteuersignal zu dem gelieferten pneumatischen Stellwert des Schaltglieds liefern, wobei auf der pneumatischen Seite Störgrößen rückwirken, welche von den Kräften am Schaltglied der Armatur sowie der Hysterese verursacht werden. Weiterhin stören Einflussgrößen, wie Temperaturschwankungen, Druckschwankungen und dergleichen das ideale Proportionalitätsverhältnis. Um dennoch ein möglichst lineares Verhalten zu erzielen, berücksichtigt der Stellungsregler teilweise sensortechnisch ermittelte Korrekturwerte. Die hiermit erzielbaren Ergebnisse sind jedoch meist nicht zufriedenstellend. Ein wesentlicher Einflussfaktor bildet auch die Hysterese der Ventilmechanik. All diese Einflussfaktoren erschweren die Auffindung des idealen Öffnungspunktes des elektro-pneumatischen Ventils, der zur Erzielung einer hohen Regelgenauigkeit erforderlich ist.
Gemäß des allgemeinen Standes der Technik erfolgt das Auffinden des korrekten Öffnungspunktes bei der Initialisierung des Stellungsreglers gewöhnlich unter Zuhilfenahme einer Positionssensorik, welche die Stellung des Schaltgliedes zu Beginn einer Be- oder Entlüftung feststellt. Auf diese Weise werden Stellungsregler nach der Fertigung vom Hersteller eingemessen.
Aus der DE 10 2005 014 097 A1 ist ein Verfahren zum Kalibrieren der Öffnungscharakteristik eines elektrisch ansteuerbaren, analog regelnden Ventils bekannt, bei dem das auf ein vorgegebenes Ventilöffnungssignal geflossenen Druckmittelvolumen bestimmt wird, aus dem dann die Durchflussöffnung des zu kalibrierenden Ventils in Abhängigkeit vom jeweiligen Ventilöffnungssignal ermittelt wird.
Aus der DE 101 42 040 A1 ist ein iteratives Verfahren zur Anpassung der Ansteuercharakteristik eines Druckregelventils an störende Einflüsse bekannt, bei dem die elektrische Ansteuerung in der Druckhaltephase langsam variiert wird, bis eine erkennbare Druckänderung in dem dem Druckregelventil zugeordneten Aktor erfolgt.
Schließlich ist aus der EP 1651 485 B1 ein Verfahren zur Justage eines elektromagnetisch ansteuerbaren Stellgeräts bekannt, bei dem die Erregung mit einem sägezahn- oder rampenförmigen Ansteuersignal erfolgt und das Verhalten am Aktor durch Messung der induzierten Spannung an der Erregerspule und/oder einer Messspule im magnetischen Kreis gemessen.
Darüber hinaus ist es auch allgemein bekannt, das Einmessen direkt über eine Auswertung des Geschwindigkeitsprofils über den Hubweg des Schaltgliedes vorzunehmen. Problematisch hierbei ist, dass die Regelkreiseigenschaft unberücksichtigt bleibt. Insbesondere bei kleinvolumigen pneumatischen Stellantrieben besteht die Gefahr eines Endanschlags am Hubweg, was Beschädigungen des Geräts nach sich ziehen kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine elektronische Einrichtung zum Finden des Öffnungspunktes zu schaffen, womit auf einfache Weise eine Initialisierung des Geräts im Zuge der Inbetriebnahme durchführbar ist, um eine hohe Regelgüte zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Im Hinblick auf eine hierzu korrespondierende elektronische Einrichtung wird auf Anspruch 7 verwiesen. Der Anspruch 8 beinhaltet ein das Verfahren umsetzendes Computerprogrammprodukt, welches auf der elektronischen Einrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass das elektro-pneumatische Ventil eines pneumatischen Stellantriebs mit einem Ansteuersignal erregt wird, das einem geschätzten Öffnungspunkt entspricht. Anschließend werden die Regelkreiseigenschaften bei diesem Ansteuersignal durch sensortechnische Erfassung der Bewegung des Schaltgliedes eingemessen. Falls dies zu dem Ergebnis führt, das die ermittelten Regelkreiseigenschaften bei dem aktuellen Öffnungspunkt nicht einer definierten Sollwertvorgabe entspricht, so wird das Ansteuersignal nach Maßgabe des Auswertungsergebnisses geändert, um einen besser angepassten Öffnungspunkt zu erzeugen. Schließlich beginnt der Findungsprozess wieder mit dem vorstehend erläuterten ersten Verfahrensschritt. Diese Verfahrensschleife wird solange durchlaufen, bis die ermittelten Regelkreiseigenschaften bei dem aktuellen Öffnungspunkt den Sollvorgaben entsprechen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, das sich während der Inbetriebnahme des Geräts auf einfache Weise der ideale Öffnungspunkt zur Erzielung einer hohen Regelgenauigkeit finden lässt, in dem die vorstehend erläuterte Verfahrensschleife automatisch durchgeführt wird. Ein aufwendiger Abgleich von separat sensortechnisch ermittelten Messwerten entfällt somit. Außerdem entfällt die hiermit in Verbindung stehende zusätzliche Sensorik. Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich auch bei kleinvolumigen pneumatischen Stellantrieben, da Beschädigungsgefahren hierdurch ausgeschlossen werden kann.
Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass zur Erregung des elektro-pneumatischen Ventils die Ansteuerparameter für Belüftung und Entlüftung getrennt vorgegeben werden. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, die obere und die untere Kennlinienkurve getrennt zu optimieren, damit der ideale Öffnungspunkt sich für das Be- und Entlüften separat finden lässt.
Das Einmessen der Regelkreiseigenschaften kann auf verschiedene Weise erfolgen. Falls die Hysterese im Wesentlichen von Gleitreibung dominiert wird, kann die sich zwischen Losbrechen und wieder Anhalten des Schaltgliedes vorliegende mittlere Geschwindigkeit herangezogen werden. Falls die Hysterese andererseits von Haftreibung dominiert ist, kann zum Einmessen der Regelkreiseigenschaften der Zeitpunkt des Losbrechens des Schaltgliedes ab Beginn der Anregung herangezogen werden, d.h. also die Zeitspanne. Falls sich das Schaltglied hierbei zu langsam bewegt, so kann in Konsequenz hieraus zum Ansteuersignal ein so großer Offset hinzugefügt werden, dass eine schnellere Bewegung des Schaltglieds erfolgt. Hierdurch kann eine schrittweise Annäherung des Ansteuersignals an das Optimum erzielt werden, um den idealen Öffnungspunkt zu finden.
Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, dass die Auswertung der Regelkreiseigenschaften bei aktuellem Ansteuersignal mit dem Nullstellensuchverfahren nach Newton oder einem ähnlichen Verfahren durchgeführt wird, das auf einer binären Suche basiert, um den idealen Öffnungspunkt schnell aufzufinden.
Das vorstehend allgemein beschriebene Verfahren lässt sich in Form eines Computerprogrammprodukts als Routine zur Ermittlung der Regelcharakteristik verkörpern, welches aus entsprechenden in einer Software hinterlegten Steuerungsbefehlen umgesetzt und von einer elektronischen Regeleinheit ausgeführt wird. Die elektronische Regeleinheit umfasst insoweit mindestens einen Mikroprozessor mit Speichereinheit zur Hinterlegung der Software sowie zumindest der den Ablauf beeinflussenden Parameter. Die elektronische Regeleinheit, welche Bestandteil des geschlossenen Regelkreises des pneumatischen Stellantriebs ist, lässt sich in eine elektronische Einrichtung als Stellungsregler vorzugsweise direkt an dem pneumatischen Antrieb zur Betätigung einer hiermit gekoppelten Armatur anbringen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1 eine schematische Seitenansicht eines pneumatischen Stellantriebs einer Armatur, und
2 ein Flussdiagramm der Routine zum Finden des Öffnungspunktes eines elektro-pneumatischen Ventils des pneumatischen Stellantriebs nach 1.

Gemäß 1 ist in einer hier nur andeutungsweise dargestellten Rohrleitung 1 einer verfahrenstechnischen Anlage eine Armatur 2 in Form eines Prozessventils in Sitzbauweise eingebaut. Die Armatur 2 besitzt in ihrem Inneren einen mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörper zur Steuerung der Menge durchtretenden Prozessmediums 5. Der Schließkörper 4 wird von einem pneumatischen Stellantrieb 6 über ein Schaltglied 7 als Hubstange linear betätigt. Über ein Joch 8 ist der pneumatische Stellantrieb 6 mit der Armatur 2 fest verbunden. An dem Joch 8 ist weiterhin ein Stellungsregler 9 in Form eines Elektronikmoduls angebracht.
Mittels Positionssensor 10 wird der Hub des Schaltgliedes 7 in den Stellungsregler 9 gemeldet. Der erfasste Hub wird für den normalen Betrieb mit dem von außen her zugeführten Sollwert, welcher in einer Speichereinheit hinterlegt ist, durch eine Regeleinheit 12 verglichen und der Stellantrieb 6 in Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert. Die Regeleinheit 12 des Stellungsreglers 9 weist ein elektro-pneumatisches Ventil 13 als I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung in einen adäquaten Steuerdruck auf. Das elektro-pneumatische Ventil 13 der Regeleinheit 12 ist über eine Druckmittelzuführung 14 mit dem Stellantrieb 6 verbunden. Innerhalb des Stellantriebs 6 wird durch den über die Druckmittelzuführung 19 zugeführten Steuerdruck eine innenliegende - hier nicht weiter erkennbare - Schaltmembran beaufschlagt, die das Schaltglied 7 betätigt.
Zur Initialisierung des pneumatischen Stellantriebes 6 führt die Regeleinheit 12 eine Routine zum Finden des idealen Öffnungspunkts aus. Somit kann eine automatischen Anpassung des Stellungsreglers 9 an den durch diesen betriebenen pneumatischen Stellantrieb 6 sowie die wiederum hierüber betätigte Armatur 2 realisiert werden. Zum Finden des Öffnungspunktes erregt die Regeleinheit 12 das elektro-pneumatische Ventil 13 mit einem Ansteuersignal, das einem geschätzten Öffnungspunkt entspricht. Durch sensortechnische Erfassung der hierdurch ausgelösten Bewegung des Schaltgliedes 7 werden die Regelkreiseigenschaften eingemessen. Das Messergebnis, welches sich als Messkurve entlang des Zeitstrahls darstellt, wird ausgewertet um das Ansteuersignal zu ändern, falls die ermittelten Regelkreiseigenschaften bei dem aktuellen Öffnungspunkt nicht den Sollwertvorgaben entsprechen.
Die 2 illustriert die wesentlichen Verfahrensschritte zum Finden des Öffnungspunktes in der Abfolge:

a) Erregung mit einem Ansteuersignal, dass einen geschätzten Öffnungspunkt entspricht;
b) Einmessen der Regelkreiseigenschaften bei diesem Ansteuersignal durch sensortechnische Erfassung der Schaltgliedbewegung;
c) Vergleich mit Sollvorgaben für gewünschte Regelkreiseigenschaften und Rücksprung zum Schritt a) falls diese nicht den Sollvorgaben entsprechen, wobei das Ansteuersignal beim nächsten Schleifendurchlauf in Richtung verbesserter Regelkreiseigenschaften geändert wird.

Hierdurch lässt sich ein an die gewünschte Regelkreiseigenschaften angepasste Öffnungspunkt unabhängig von zum Einsatz kommenden pneumatischen Stellantrieb in einfacher Weise während der Initialisierung des Geräts auffinden.
Bezugszeichenliste

1: Rohrleitung
2: Armatur
3: Ventilsitz
4: Schließkörper
5: Prozessmedium
6: pneumatischer Stellantrieb
7: Schaltglied
8: Joch
9: Stellungsregler
10: Positionssensor
11: Speichereinheit
12: Regeleinheit
13: Ventil
14: Druckmittelzuführung

Claims

Verfahren zum Finden des Öffnungspunktes bei einem elektro-pneumatischen Ventil (13), das in einem geschlossenen Regelkreis zur Stellungsregelung des Schaltgliedes (7) eines pneumatischen Stellantriebes (6) für eine hiervon zu betätigende Armatur (2) eingesetzt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) das elektro-pneumatische Ventil (13) wird mit einem Ansteuersignal erregt, das einem geschätzten Öffnungspunkt entspricht, b) die Regelkreiseigenschaften bei diesem Ansteuersignal werden durch sensortechnische Erfassung der Bewegung des Schaltgliedes (7) eingemessen, c) falls die ermittelten Regelkreiseigenschaften bei dem aktuellen Öffnungspunkt nicht den Sollvorgaben entsprechen, so wird das Ansteuersignal nach Maßgabe des Auswertungsergebnis geändert, um einen besser angepassten Öffnungspunkt zu erzeugen und der Findungsprozess beginnt anschließend erneut mit Schritt a).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerparameter zur Erregung des elektro-pneumatischen Ventils (13) für die Be- und Entlüftung des Ventils (13) getrennt vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einmessen der Regelkreiseigenschaften die sich zwischen Losbrechen und Wiederanhalten des Schaltgliedes (7) ergebende mittlere Geschwindigkeit herangezogen wird, falls die Hysterese durch Gleitreibung dominiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einmessen der Regelkreiseigenschaften der Zeitpunkt des Losbrechens des Schaltgliedes (7) ab Beginn der Anregung herangezogen wird, falls die Hysterese durch Haftreibung dominiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine schrittweise Änderung des Ansteuersignals infolge eines unbefriedigenden Auswerteergebnisses ein festlegbarer fixer Offset auf das Ansteuersignal gegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Regelkreiseigenschaften bei aktuellem Ansteuersignal mit dem Nullstellensuchverfahren durchgeführt wird.
Elektronische Einrichtung zum Finden des Öffnungspunktes bei einem elektro-pneumatischen Ventil (13) eines Stellungsreglers (9) für ein Schaltglied (7) eines pneumatischen Stellantriebes (6) zur Betätigung einer Armatur (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (12) das elektro-pneumatische Ventil (13) mit einem Ansteuersignal erregt, das einem geschätzten Öffnungspunkt entspricht, und die Regelkreiseigenschaften bei diesem Ansteuersignal durch sensortechnische Erfassung der Bewegung des Schaltgliedes (7) einmisst, um das Ansteuersignal nach Maßgabe des Auswertungs¬ergebnis zu ändern, falls die ermittelten Regelkreiseigenschaften bei dem aktuellen Öffnungspunkt nicht den Sollvorgaben entsprechen.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-pneumatische Ventil (13) eine 3/3-Schaltfunktion aufweist, mit den Schaltstellungen Belüften, Abschlussstellung und Entlüften.
Computerprogrammprodukt für eine elektronische Einrichtung nach Anspruch 7, welche nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 betreibbar ist, wobei die Routine zum Finden des Öffnungspunktes durch entsprechende in einer Software hinterlegte Steuerungsbefehle umgesetzt ist.
Datenträger mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9.