DE102008028190A1

DE102008028190A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektropneumatischen Ventils

Info

Publication number: DE102008028190A1
Application number: DE200810028190
Authority: DE
Inventors: Heiko Kresse; Stefan Tabelander
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-17
Also published as: CN101603556A; US8439329B2; US20090309052A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektropneumatischen Ventils (10) zur Ansteuerung von pneumatischen Stellantrieben (30) zur Betätigung von Armaturen in automatisierungstechnischen Anlagen. Das Ventil weist mindestens einen elektropneumatischen Wandler und einen pneumatischen Verstärker auf, wobei der pneumatische Verstärker mindestens ein 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung (11) zum wahlweisen Verbinden eines Zuluftkanals (12) oder eines Abluftkanals (13) mit einem Anschlusskanal (18) zum Stellantrieb (30) aufweist, die in Abhängigkeit von einem elektrischen Stellsignal (22) über den elektropneumatischen Wandler betätigt werden. Zur Verbesserung der Güte wird vorgeschlagen, mindestens eine Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung (11) zu messen und aus dem Messwert einen Korrekturwert der Stellgröße aus dem elektrischen Stellsignal (22) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektropneumatischen Ventils zur Ansteuerung von pneumatischen Stellantrieben zur Betätigung von Armaturen in automatisierungstechnischen Anlagen.
Elektropneumatische Ventile werden eingesetzt zur Ansteuerung sowie zur Positionsregelung von Stell- oder Regelantrieben und zwar gleichermaßen für einfachwirkende wie doppeltwirkende Ausführungen, so wie blockierende und entlüftende Ausführungen.
Derartige Ventile sind prinzipiell aus der EP 1758 007 A1 bekannt. Danach besteht das Ventil mindestens aus einem Steuerdruck-Regler, einem pneumatischen Verstärker und einem elektropneumatischen Wandler sowie einen Zuluftkanal, einen Abluftkanal und einen Anschlußkanal zum Stellantrieb.
Unter einem pneumatischen Verstärker wird im Rahmen dieser Beschreibung eine technische Einrichtung verstanden, die mit Hilfe eines pneumatischen Eingangssignals ein pneumatisches Ausgangssignal steuert.
Der elektropneumatische Wandler wird hierbei mit einem Betriebsmedium aus dem Zuluftkanal versogt. Dieses Betriebsmedium ist typischerweise ein komprimiertes Gas, aber auch jedes andere fluide Medium ist möglich. Das dem elektropneumatischen Wandler zugeführte Betriebsmedium hat üblicherweise einen pneumatischen Druck, der zur Stellung des Antriebs benötigt wird. Zur internen Steuerung des pneumatischen Verstärkers wird ein deutlich geringerer, möglichst konstanter Steuerdruck des gleichen Betriebsmediums dem Zuluftkanal entnommen. Hierfür wird das Medium einem Steuerdruck-Regler zugeführt, der den Druck des Betriebsmediums auf den gewünschten Steuerdruck reduziert und auf einen konstanten Wert regelt. Mit dem auf den Steuerdruck reduzierten Medium wird der pneumatische Verstärker gesteuert. Eventuelle Verunreinigungen werden mittels Filter aus dem pneumatischen System ferngehalten.
Die Aktivierung des elektropneumatischen Ventils geschieht – nach Versorgung des elektropneumatischen Ventils mit dem Beriebsmedium als pneumatischer Energieträger – mittels Zuführung von elektrischer Energie. Dazu ist das elektropneumatische Ventil mit einem elektropneumatischen Wandler ausgestattet, das elektrisch angescheuert wird und den Steuerdruck zur pneumatischen Ansteuerung des pneumatischen Verstärkers manipuliert.
Bei dem elektropneumatischen Wandler handelt es sich um einen Konverter, der aus einem elektrischen Eingangssignal den Steuerdruck-Kreis des pneumatischen Verstärkers gezielt beeinflusst. Mittels dieses elektropneumatischen Wandlers ist es möglich, den pneumatischen Verstärker so zu steuern, dass das Betriebsmedium in einer ersten Betriebsart gezielt vom Zuluftkanal in den Anschlußkanal zum pneumatischen Stellantrieb geleitet wird, oder in einer zweiten Betriebsart das Betriebsmedium gezielt aus dem pneumatischen Stellantrieb über den Abluftkanal in die Atmosphäre geleitet wird, oder in einer dritten Betriebsart das Betriebsmedium gezielt im Stellantrieb eingeschlossen wird, um die momentane Position des Stellantriebs zu halten. Dazu weist der pneumatische Verstärker ein erstes pneumatisches Ventil zur Verbindung des Zuluftkanals mit dem Anschlußkanal zum Stellantrieb und ein zweites pneumatisches Ventil zur Verbindung des Abluftkanals mit dem Anschlußkanal zum Stellantrieb auf. Eine derartige Anordnung wird normgerecht als 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung bezeichnet.
Aus der EP 1758 007 A1 ist ferner bekannt, den elektropneumatischen Wandler mit piezoelektrischen Biegewandlern auszustatten, die mit geringer elektrischer Energie angesteuert werden können. Der geringe Energiebedarf ist eine Kernanforderung für den Einsatz in Zweileitergeräten in der Automatisierungstechnik, die ihre Energie über ihr Ansteuersignal aus einer 4 ... 20 mA – Stromschleife beziehen.
Die Zuordnung des elektrischen Eingangssignals in einer elektrischen Einheit am elektropneumatischen Wandler zum Ausgangssignal am Anschlußkanal zum Stellantrieb als gestellter Öffnungsquerschnitt oder als Durchflusseinheit wird durch eine Übertragungskennlinie beschrieben. Die Übertragungskennlinie ist durch drei charakteristische Bereiche gekennzeichnet, die ausgehend vom Bereich des Entlüftens über den Bereich des Dichtschließens bis zum Bereich des Belüftens reicht.
Der Dichtschließbereich beschreibt den Bereich der elektrischen Ansteuerung, bei dem das elektropneumatische Ventil die am Anschlußkanal zum Stellantrieb befindliche Seite gegen alle möglichen Be- und Entlüftungswege dichtschließt. Im Bereich des Belüftens folgt der Luftausgang durch den Anschlußkanal zum Stellantrieb im wesentlichen proportional dem elektrischen Ansteuersignal mit einer weitestgehend konstanten Steigung bis zum vollen Luftausgangssignal. Im Bereich des Entlüftens folgt das Luftausgangssignal an der Abluftseite im wesentlichen proportional dem elektrischen Ansteuersignal mit einer weitestgehend konstanten Steigung bis zur vollen Abluftleistung.
Der Übergang vom Bereich des Dichtschließens in den Bereich des Entlüftens ist der Öffnungspunkt für das Entlüften und der Übergang vom Bereich des Dichtschließens in den Bereich des Belüftens ist der Öffnungspunkt für das Belüften. Die Öffnungspunkte für das Belüften und Entlüften sind für den Einsatz des elektropneumatische Ventils in einem elektro-pneumatischen Stellungsregler von großer Bedeutung für eine hohe Regelgüte bezogen auf den angeschlossenen Stellantrieb.
Eine hohe Regelgüte wird bei einem derartigen elektropneumatischen Ventil durch die Hysterese zwischen hin- und rücklaufender Kennlinie und die Drift der Öffnungspunkte behindert. Diese Effekte sind im Fall von elektropneumatischen Wandlern mit Piezo-Technologie im Besonderen der Piezo-Keramik zuzuordnen und sind abhängig von Umwelteinflüssen wie der Temperatur der Piezo-Keramik und/oder Feuchte/Verschmutzung an ihrer Oberfläche und daraus resultierenden Kriechströmen. Insbesondere Ventile mit Piezo-Biegern bieten hier eine entsprechende Oberfläche. Bei magneto-induktiven Ansteuerungen treten diese Effekte in ähnlicher Form auf.
Aber auch andere Einflüsse, wie Längendehnung der verwendeten Materialien, Reibung im Gesamtaufbau und Justage-Einrichtungen und das mechanische Setzverhalten des elektropneumatischen Wandlers, die insbesondere durch Temperaturzyklen über den zulässigen Temperaturbereich hervorgerufen sein können, sind hierfür ursächlich.
Da die Öffnungspunkte über die genannten Einflussgrößen driften, kann einer zuvor ermittelten elektrischen Stellgröße für das Vorsteuerventil ein Öffnungspunkt oder eine für eine Regelung ausreichend kleine Durchflussmenge am Ausgang nicht zuverlässig einen zu jedem Zeitpunkt geltenden konstanten Wert, der durch eine Kalibrierung bei der Inbetriebnahme ermittelt wird, zugewiesen werden.
Ebenfalls für die Regelgüte von Bedeutung ist die Kompensation der Hysterese. Da zwischen hin- und rücklaufender Kennlinie ein Versatz liegt, folgt der pneumatische Verstärker nicht direkt der elektrischen Stellgöße. Da die Größe der Hysterese ebenfalls den genannten Umwelteinflüssen unterliegt, ist zur Laufzeit nicht bekannt, wie stark die Stellgröße geändert werden muss, um den Öffnungsquerschnitt beziehungsweise die Luftmenge im pneumatischen Verstärker in der gewünschten Größenordnung in entgegengesetzter Richtung zu steuern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines elektropneumatischen Ventils anzugeben, das eine dem elektrischen Stellsignal entsprechende Einstellung der Luftmenge am Anschlußkanal zum Stellantrieb unabhängig von Drift und/oder Hysterese gestatten.
Die Erfindung geht von einem elektropneumatischen Ventil zur Ansteuerung von pneumatischen Stellantrieben aus, das mindestens einen elektropneumatischen Wandler und einen pneumatischen Verstärker aufweist, wobei der pneumatische Verstärker mindestens ein erstes pneumatisches Ventil zur Verbindung eines Zuluftkanals mit einem Anschlußkanal zum Stellantrieb und ein zweites pneumatisches Ventil zur Verbindung eines Abluftkanals mit dem Anschlußkanal zum Stellantrieb aufweist, die in Abhängigkeit von einem elektrischen Stellsignal über den elektropneumatischen Wandler betätigt werden.
Die Erfindung geht ferner von der Erkenntnis aus, dass eine hohe Regelgüte in allen Einsatzbereichen der jeweiligen Endanwendung, insbesondere in einem elektropneumatischer Stellungsregler, nur dann zu erreichen ist, wenn die gewünschten Querschnitte des Ventils und damit die Mengen des Betriebsmediums zuverlässig gestellt beziehungsweise dosiert werden können. Dazu ist die Kenntnis der tatsächlichen Öffnungspunkte entscheidend. Die Steigung der Kennlinie ist dabei weitestgehend unbetroffen.
Erfindungsgemäß wird mindestens eine Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung gemessen und aus dem Messwert ein Korrekturwert der Stellgröße aus dem elektrischen Stellsignal ermittelt.
Durch die Erfassung der tatsächlichen Stellung des beobachteten pneumatischen Ventils werden sowohl die Einflüsse der Drift des Öffnungspunktes als auch die Hysterese auf die Einstellung der Luftmenge am Anschlußkanal zum Stellantrieb eliminiert.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung während einer Kalibrierungsphase gemessen. Vorteilhafterweise wird dadurch bereits zu Beginn des laufenden Betriebes erreicht, korrekte Luftmengen einzustellen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Kalibrierung während des laufenden Betriebes adaptiert. Dadurch wird erreicht, dass die Einflüsse der Drift des Öffnungspunktes kompensiert werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines elektropneumatischen Ventils
2 eine Prinzipdarstellung einer Kennlinie eines elektropneumatischen Ventils
In der 1 ist ein elektropneumatisches Ventil 10 zur Ansteuerung eines pneumatischen Stellantriebs 30 dargestellt, das mindestens einen elektropneumatischen Wandler 16 und mindestens einen pneumatischen Verstärker aufweist, der als 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung 11 aufweist. Das 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung 11 ist zur wahlweisen Verbindung eines Anschlußkanals 18 zum Stellantrieb 30 mit einem Zuluftkanal 12 oder mit einem Abluftkanal 13 ausgebildet. Die bestimmungsgemäße Betätigung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 erfolgt durch einen elektropneumatischen Wandler 16 in Abhängigkeit von einem elektrischen Stellsignal 22. Dazu ist der elektropneumatische Wandler 16 über einen Druckregler 14 und eine Drosseleinrichtung 15 mit dem Zuluftkanal 12 verbunden und somit mit einem geringen und konstanten Druck versorgt.
Der Stellantrieb 30 ist über eine Hubstange 31 mit einer Armatur 32 verbunden, die geeignet ist, den Durchfluß eines prozessualen Mediums durch eine Rohrleitung zu steuern.
Das elektrische Stellsignal 22 zur Betätigung des elektropneumatischen Wandlers 16 wird mit Hilfe einer Signalverarbeitungseinrichtung 20 aus einem Sollwert 21 abgeleitet. Dabei ist die in 2 dargestellte Übertragungskennlinie des elektropneumatischen Ventils 10 zu berücksichtigen. Der Verlauf der Luftleistung L als Maß für die Luftdurchtrittsmenge pro Zeiteinheit in Durchtrittsrichtung über die Steuerspannung S des elektrischen Stellsignals 22 zeigt drei signifikante Bereiche.
In einem ersten Bereich zwischen 0% Steuerspannung S und einem mit P₁ bezeichneten Öffnungspunkt ist die Luftleistung L negativ; das bedeutet, der Stellantrieb 30 wird entlüftet. Dabei ist das 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung 11 so eingestellt, dass der Anschlußkanal 18 zum Stellantrieb 30 mit dem Abluftkanal 13 verbunden ist. Folglich entweicht die im Stellantrieb 30 gespeicherte Luft durch den Abluftkanal 13 in die Umgebung.
In einem darauffolgenden zweiten Bereich der Steuerspannung S zwischen den Öffnungspunkten P₁ und P₂ ist die Luftleistung L gleich Null; das bedeutet, dass der Anschlußkanal 18 zum Stellantrieb 30 gegen alle möglichen Be- und Entlüftungswege dichtschließt. Dabei ist das 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung 11 in seiner Sperrmittelstellung. Folglich wird die Luft im Stellantrieb 30 gespeichert. Der Dichtschließbereich erstreckt sich nahezu symmetrisch um etwa 50% der Steuerspannung S.
Schließlich ist in einem darauffolgenden dritten Bereich der Steuerspannung S zwischen dem Öffnungspunkt P₂ und 100% Steuerspannung S die Luftleistung L positiv; das bedeutet, der Stellantrieb 30 wird belüftet. Dabei ist das 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung 11 so eingestellt, dass der Anschlußkanal 18 zum Stellantrieb 30 mit dem Zuluftkanal 12 verbunden ist. Folglich wird der Stellantrieb 30 mit Luft befüllt.
Darüber hinaus ist das Verhalten des elektropneumatischen Ventils 10 hysteresebehaftet. Das bedeutet, dass eine Richtungsänderung der Steuerspannung S erst nach einer Beharrung in eine äquivalente Änderung der Luftleistung L übernommen wird. Dieses Hysterese genannte Verhalten ist in 2 durch schraffierte Flächen an den betroffenen Kennlinienabschnitten dargestellt.
Gemäß 1 weist der durch das 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 gebildete pneumatische Verstärker mindestens einen Sensor 17 zur Erfassung der Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 auf. In bevorzugter Ausführung des elektropneumatischen Ventils 10 ist der Sensor 17 von berührungslos erfassendem Typ. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Sensor 17 vom magnetoinduktiv erfassendem Typ ist. Insbesondere ist der Sensor 17 durch eine Luftspule gebildet.
Dieser Sensor 17 ist mit der Signalverarbeitungseinrichtung 20 verbunden. Aus dem Messwert der Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 wird in der Signalverarbeitungseinrichtung 20 ein Korrekturwert der Stellgröße aus dem elektrischen Stellsignal 22 ermittelt. Dazu wird mindestens eine Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 bei einem vorgebbaren elektrischen Signal, dem ein manipulierter Steuerdruck entspricht, gemessen und aus dem Messwert ein Korrekturwert der Stellgröße aus dem elektrischen Stellsignal 22 ermittelt. In bevorzugter Ausführung wird die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 während einer Kalibrierungsphase gemessen.
Aus dem Stellsignal und der gemessenen tatsächlichen Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 wird ein Korrekturwert ermittelt, der als Offset auf den Sollwert 21 das zugehörige elektrische Stellsignal 22 ergibt. Vorzugsweise wird die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 in der vollbelüftenden Stellung gemessen.
Alternativ kann vorgesehen sein, die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 in der vollentlüftenden Stellung zu messen.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 in der dichtschließenden Stellung zu messen.
In weiterführender Ausgestaltung der Erfindung wird die Kalibrierung während des laufenden Betriebes adaptiert. Dadurch wird der Drift der Öffnungspunkte entgegengewirkt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Kalibrierung des elektropneumatischen Ventils 10 während der Kalibrierung des gesteuerten pneumatischen Stellantrieben 30 durchgeführt.
Alle beschriebenen Ausführungsformen weisen einen so geringen Energiebedarf auf, dass ein Einsatz in Zweileitergeräten in der Automatisierungstechnik, die ihre Energie über ihr Ansteuersignal aus einer 4 ... 20 mA – Stromschleife beziehen, möglich ist.

10: elektropneumatisches Ventil
11: 3/3-Wegeventil
12: Zuluftkanal
13: Abluftkanal
14: Druckregler
15: Drosseleinrichtung
16: elektropneumatischer Wandler
17: Sensor
18: Anschlußkanal
20: Signalverarbeitungseinrichtung
21: Sollwert
22: elektrisches Stellsignal
30: Stellantrieb
31: Hubstange
32: Armatur
L: Luftleistung
S: Steuerspannung
P₁, P₂: Öffnungspunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1758007 A1 [0003, 0008]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines elektropneumatischen Ventils (10) zur Ansteuerung von pneumatischen Stellantrieben (30), das mindestens einen elektropneumatischen Wandler (16) und mindestens einen pneumatischen Verstärker aufweist, wobei der pneumatische Verstärker mindestens ein 3/3-Wegeventil mit Sperrmittelstellung (11) zur wahlweisen Verbindung eines Anschlußkanals (18) zum Stellantrieb (30) mit einem Zuluftkanal (12) oder mit einem Abluftkanal (13) aufweist, das in Abhängigkeit von einem elektrischen Stellsignal (22) über den elektropneumatischen Wandler (16) betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung (11) gemessen wird und aus dem Messwert ein Korrekturwert der Stellgröße aus dem elektrischen Stellsignal (22) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung (11) während einer Kalibrierungsphase gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung während des laufenden Betriebes adaptiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung (11) in der vollbelüftenden Stellung gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung (11) in der vollentlüftenden Stellung gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung (11) in der dichtschließenden Stellung gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung des elektropneumatischen Ventils (10) während der Kalibrierung des gesteuerten pneumatischen Stellantriebs (30) durchgeführt wird.