DE10128447A1

DE10128447A1 - Elektropneumatischer Stellantrieb

Info

Publication number: DE10128447A1
Application number: DE2001128447
Authority: DE
Inventors: Thomas Georg Karte
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2003-01-02
Also published as: DE20122880U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Stellantrieb, bestehend aus einer elektrischen Einheit (11), einer pneumatischen Einheit (12), einem Positionssensor (13) und einem pneumatischen Antrieb (14) zur Betätigung eines Stellgliedes (31) in einer Armatur (3). Zur Verbesserung der Messgenauigkeit der Stellbewegung am Stellglied (31) wird vorgeschlagen, den Positionssensor (13) unmittelbar mit dem Stellglied (31) der Armatur (3) oder dem eigentlichen Ventilkegel zu verbinden und mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (131) auszustatten. Die elektrische Einheit (11) des elektropneumatischen Stellantriebs (1) ist mit einer zu der des Positionssensors (13) korrespondierenden drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (116) ausgestattet.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Stellantrieb bestehend aus einer elektrischen Einheit, einer pneumatischen Einheit, einem Positionssensor und einem pneumatischen Antrieb zur Betätigung eines Stellgliedes in einer Armatur gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Elektropneumatische Stellantriebe werden bevorzugt in verfahrenstechnischen Anlagen mit hohem Explosionsrisiko sowie mit hoher elektromagnetischer oder radioaktiver Strahlungsbelastung eingesetzt, in denen andersartige Antriebe unzulässig oder nur mit hohem zusätzlichen Aufwand für Schutzmaßnahmen verwendbar sind.
Stellantriebe dieser Art dienen zur geregelten Betätigung von Klappen und Ventilen. Derartige Ventile sind regelmäßig mit Hubstangen oder Schwenkstangen versehen, die an einem Ende mit einem elektropneumatischen Antrieb oder einem elektrischen Antrieb beaufschlagt werden, wobei das gegenüberliegende Hubstangenende die aufgeprägte Bewegung in den Ventilkörper derart einbringt, dass dort ein Verschlusselement, beispielsweise ein Ventilteller, betätigt werden kann. Ventile dieser Art sind als Prozessventile eingesetzt und müssen online während eines laufenden Prozesses betätigbar sein. Eine entsprechend geregelte Nachstellung der Ventilantriebe erfolgt dabei durch sogenannte Stellungsregler, der Gegenstand der elektrischen Einheit ist. Dieselben sind an dem besagten Ventil zumeist seitlich angebaut. Die entsprechende Ventilstangenbewegung wird dabei über einen mechanischen Abgriff auf den Stellungsregler übertragen.

Ein solcher Stellantrieb für Ventile der besagten Art ist aus der DE 42 39 432 C2 bekannt. Hierbei wird beispielsweise eine Vertikalbewegung bzw. eine Längsbewegung eines Ventilantriebsgliedes übertragen in eine Dreh- oder Schwenkbewegung einer entsprechenden Abgriffswelle des Stellungsreglers. Hierzu wird ein Übertragungsstift verwendet, der in eine Öffnung des Antriebsgliedes des Ventils hineingreift. Die Hubbewegung nimmt somit den besagten Stift in entsprechender Weise mit, der auf einem Verschwenkelement eine Umwandlung der Hubbewegung in eine Drehbewegung vornimmt, so dass die Eingangswelle des Stellungsreglers proportional zur Hubbewegung eine Drehbewegung ausführt. Wichtig ist hierbei in allen Fällen, dass die Übertragung zwischen Antriebsglied und dem Stellungsregler möglichst spielfrei ist. Je kleiner das dabei auftretende mechanische Spiel ist, um so kleiner ist die sich daraus insgesamt ergebende Hysterese. Die Minimierung derselben steht dabei im Vordergrund.

Insbesondere bei Großprozessventilen besteht das Problem, dass die Länge der Übertragungsglieder zur Übermittlung der Hubbewegung des Ventilantriebsgliedes zum Stellungsregler proportional zur Dimension des Prozessventils wächst und mit größer werdender Länge die Hysterese und damit die Messungenauigkeit steigt. Darüber hinaus stellt bereits die Masse der Übertragungsglieder eine verschleißbehaftete Belastung der Abgriffswelle des Stellungsreglers dar, die die Messgenauigkeit im Betrieb weiter vermindert. Weiterhin sind bei vielen Anwendungen Vibrationen zu beobachten, sogar mit Beschleunigungswerten größer der 10-fachen Erdbeschleunigung. Die wegen der auftretenden Hysterese federvorgespannten mechanischen Abgriffelemente neigen durch Vibration zu besonders starkem Verschleiß.

Druckmittelbetriebene Stellantriebe sind aber nicht ausschließlich nur mit Hubantrieben versehen. Ebenso sind Drehantriebe möglich, bei denen das Ziel ist, sowohl den Abgriff als auch die Übertragung der Längsbewegung in eine Drehbewegung spielfrei zu halten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektropneumatischen Stellantrieb der gattungsgemäßen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Genauigkeit der Messung der Hubbewegung des Ventilantriebsgliedes bei möglichst geringer Hysterese unabhängig von der Dimension des Stellantriebs und vom Verschleiß ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von einem elektropneumatischen Stellantrieb bestehend aus einer elektrischen Einheit, einer pneumatischen Einheit, einem Positionssensor und einem pneumatischen Antrieb aus. Der Stellantrieb ist mit einer Armatur verbunden. Die Betätigungseinheit der pneumatischen Einheit ist über ein Antriebsglied mit dem Stellglied der Armatur verbunden.

Erfindungsgemäß ist der Positionssensor unmittelbar mit dem Stellglied der Armatur verbunden und mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet. Dabei wird unter dem Stellglied der Armatur auch dessen einstückig angeformtes Betätigungselement verstanden. Darüber hinaus ist die elektrische Einheit des elektropneumatischen Stellantriebs mit einer zu der des Positionssensors korrespondierenden drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgestattet. Durch den Wegfall mechanische Gelenke, Kupplung oder Zahnräder ist die Anordnung verschleißfrei, insbesondere gegenüber Vibrationsbelastung.

Der Positionssensor folgt unmittelbar und zwangsweise der Bewegung des Stellglieds der Armatur. Damit ist der Messwert der Position des Stellglieds in der Armatur unabhängig von der Dimension des Stellantriebs hysteresefrei. Darüber hinaus entfällt der Aufwand für die Übertragungsglieder zur mechanischen Übertragung der Position zum Positionssensor ersatzlos.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Positionssensor mit Mitteln zur dezentralen Energieversorgung ausgestattet. Damit entfällt der Aufwand zur Verkabelung des Positionssensors mit der elektrischen Einheit. Insbesondere in explosionsgefährdeten verfahrenstechnischen Anlagen, in denen gemäß einschlägigen Rechtsvorschriften elektrotechnische Einrichtungen Limitierungen unterliegen, ist der Wegfall galvanischer Verbindungen zwischen einzelnen Einrichtungen vorteilhaft.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die pneumatische Einheit und der pneumatischen Antrieb zu einer Baueinheit zusammengefasst. Damit entfällt der Aufwand für pneumatische Verbindungsleitungen und Anschlussstellen. Darüber hinaus verringert sich die Anzahl der Dichtstellen im pneumatischen System. Ein besonderer Vorteil dieses Merkmals liegt in der Verringerung der Signallaufzeit zwischen den Mitteln der pneumatischen Einheit und dem pneumatischen Antrieb. Damit wird das Antwortverhalten des elektropneumatischen Stellantriebs verbessert.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die elektrische Einheit von der pneumatischen Einheit und der Armatur entfernt angeordnet. Damit wird erreicht, dass insbesondere in verfahrenstechnischen Anlagen mit hoher elektromagnetischer oder radioaktiver Strahlungsbelastung der strahlungsunempfindliche pneumatische Antrieb unter Verzicht auf vielgliedrige Kraftübertragungselemente unmittelbar mit der Armatur verbunden und strahlungsempfindliche elektrische Einheit in einem entfernt angeordneten, strahlungsgeschützten Bereich untergebracht ist. Durch die freizügige Positionierbarkeit der elektrischen Einheit wird darüber hinaus eine Verbesserung der Handhabung von Bedien- und Beobachtungselementen der elektrischen Einheit erreicht.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die elektrische Einheit Schnittstellen zum Anschluss weiterer Messwertaufnehmer desselben prozessualen Regelkreises auf. Vorteilhafterweise lassen sich aus der Kombination von Messwerten und Stellwerten desselben prozessualen Regelkreises der Verschleiß des Stellantriebs und der Armatur ermitteln und somit vor deren Ausfall signalisieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines elektropneumatischen Stellantriebs an einer Klappenarmatur

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines elektropneumatischen Stellantriebs an einer Ventilarmatur

Fig. 3 eine Detaildarstellung des Positionssensors

Fig. 4 eine Detaildarstellung der elektrischen Einheit

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer Prozessanordnung

In Fig. 1 ist ein elektropneumatischer Stellantrieb an einer Klappenarmatur dargestellt. Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel zeigt Fig. 2 einen elektropneumatischen Stellantrieb an einer Ventilarmatur.
Gemäß Fig. 1 und 2 besteht der elektropneumatische Stellantrieb aus einer elektrischen Einheit 11, einer pneumatischen Einheit 12, einem Positionssensor 13 und einem pneumatischen Antrieb 14. Die elektrische Einheit 11 ist über eine Anschlussleitung 111 mit der pneumatischen Einheit 12 verbunden. Der pneumatische Antrieb 14 des Stellantriebs ist auf eine Armatur 3 abgestützt.
Die pneumatische Einheit 12 wandelt das elektrische Stellsignal in ein pneumatisches Stellsignal um. Dazu wird pneumatische Hilfsenergie zugeführt. Diese sogenannten e/p Wandler sind bekannt und beispielsweise in DE 32 05 576 C2 beschrieben.
Die pneumatische Einheit 12 und der pneumatischen Antrieb 14 können zu einer Baueinheit zusammengefasst sein. Damit entfällt der Aufwand für pneumatische Verbindungsleitungen und Anschlussstellen. Darüber hinaus verringert sich die Anzahl der Dichtstellen im pneumatischen System. Ein besonderer Vorteil dieses Merkmals liegt in der Verringerung der Signallaufzeit zwischen den Mitteln der pneumatischen Einheit 12 und dem pneumatischen Antrieb 14. Damit wird das Antwortverhalten des elektropneumatischen Stellantriebs verbessert.
Die elektrische Einheit 11 ist von der pneumatischen Einheit 12 und der Armatur 3 entfernt angeordnet. Das pneumatische System bestehend aus der pneumatischen Einheit 12 und und dem pneumatischen Antrieb 14 sowie die Armatur 3 sind prozessnah im durch Explosionsgefahr beziehungsweise durch elektromagnetische oder radioaktive Strahlung belasteten Bereich 5 angeordnet. Die elektrische Einheit 11 ist in einem von diesen Belastungen freien Bereich 6 angeordnet.
Die Armatur 3 weist ein bewegliches Verschlusselement 31 auf, mit dem der freie Querschnitt einer Rohrleitung 2 einstellbar ist. Zur gezielten Betätigung des Verschlusselements 31 weist der pneumatische Antrieb 14 eine Hubstange 141 auf.
Bei der Klappenarmatur nach Fig. 1 wird die Hubbewegung der Hubstange 141 dem Verschlusselement 31 mittels Hebel 142 in eine Drehbewegung umgewandelt aufgeprägt. Bei der Ventilarmatur nach Fig. 2 ist eine Kupplung 143 zur Verbindung der Hubstange 141 und dem Ventilschaft des Verschlusselements 31 vorgesehen.
Der Positionssensor 13 des Stellantriebs ist auf dem Verschlusselement 31 angeordnet und weist gemäß Fig. 3 ein Sensorelement 134 und eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 131 auf. Darüber hinaus verfügt der Positionssensor 13 über Mittel 132 zur dezentralen Energieversorgung. Dazu kann in einer ersten Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Positionssensor 13 mit Solarelementen ausgestattet ist. In einer weiteren Ausführungsform kann der Positionssensor 13 mit Mitteln zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie ausgestattet sein. Dabei wird aus der Drehbewegung des Verschlusselements 31 elektrische Energie gewonnen. In einer dritten Ausführungsform kann der Positionssensor 13 mit Mitteln zur Umwandlung kinetischer Energie bewegter Materie in elektrische Energie ausgestattet sein. Dabei wird die Bewegung des durch die Rohrleitung 2 und die Armatur 3 strömenden Mediums zur Erzeugung elektrischer Energie nutzbar gemacht. Alternativ wird aus der zum Betrieb des elektropneumatischen Stellantriebs erforderlichen Druckluft elektrische Energie gewonnen. Dazu kann eine Turbine vorgesehen sein. Zusätzlich ist der Positionssensor 13 mit einem Akkumulator 133 zur Speicherung elektrischer Energie ausgestattet. Damit werden Zeiten überbrückt, in denen die primäre mechanische oder kinetische Energie bewegter Materie temporär nicht zur Verfügung steht.
Der Positionssensor 13 folgt unmittelbar und zwangsweise der Bewegung des Verschlusselements 31 der Armatur 3. Dazu kann vorgesehen sein, den Positionssensor 13 an der in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 13a bezeichneten Position an dem einstückig an das Verschlusselement 31 angeformten Betätigungselement anzuordnen. Alternativ kann vorgesehen sein, den Positionssensor 13 an der in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 13b bezeichneten Position unmittelbar an dem Verschlusselement 31 anzuordnen. In der alternativen Ausführungsform wird direkt die Abmessung der aktiven Ventilöffnung erfasst. Damit ist der Messwert der Position des Verschlusselements 31 in der Armatur 3 unabhängig von der Dimension des Stellantriebs hysteresefrei. Toleranzen und mechanische Lose der Kraftübertragungsglieder zwischen dem Stellantrieb und dem Verschlusselement 31 bleiben ohne Einfluss auf den Positionsmesswert. Der ermittelte Positionsmesswert wird über die drahtlosen Kommunikationsschnittstelle an die elektrische Einheit 11 übertragen. Die drahtlose Kommunikationsschnittstelle des Positionssensors 13 ist als Funksender ausgebildet.
Die elektrische Einheit 11 umfasst gemäß Fig. 4 einen Mikrocontroller 112, an den eine Anzeigeeinheit 113 und eine Tastatur 114 angeschlossen sind, sowie eine zu der des Positionssensors 13 korrespondierende drahtlose Kommunikationsschnittstelle, die als Funkempfänger ausgebildet ist. Darüber hinaus ist die elektrische Einheit 11 mit Messwertanschlüssen 115 zum Anschluss weiterer Messwertaufnehmer desselben prozessualen Regelkreises ausgestattet.
In Fig. 5 ist eine Prozessanordnung ausschnittweise prinzipiell dargestellt. Der prozessuale Regelkreis betrifft einen Abschnitt einer Rohrleitung 2, in dem eine Armatur 3 mit einem Stellantrieb 1 zur Steuerung des Durchflusses eines in der Rohrleitung 2 strömenden Mediums angeordnet ist. Der Abschnitt einer Rohrleitung 2 ist darüber hinaus mit einem Temperatursensor 21, einem Drucksensor 22, einem Durchflusssensor 23 und einem Differenzdrucksensor 24 ausgestattet. Der Temperatursensor 21, der Drucksensor 22, der Durchflusssensor 23 und der Differenzdrucksensor 24 sind jeweils für sich mit der elektrischen Einheit 11 des Stellantriebs 1 verbunden. Dazu sind jeweils Anschlussleitungen zwischen den Messwertanschlüssen 115 der elektrischen Einheit 11 und den Sensoren 21, 22 und 23 vorgesehen. Aus der Kombination von Messwerten für die Temperatur, den Druck, den Differenzdruck über dem Ventil und den Durchfluss wird der Verschleiß des Stellantriebs und der Armatur ermittelt.
So sind für ein gegebenes Ventil, das zum Beispiel zur Regelung einer Gasströmung eingesetzt wird, der Differenzdruck über dem Ventil, die das Ventil durchströmende Gasmenge und die Ventilstellung über die sogenannte Ventilkennlinie miteinander verknüpft. Stehen als Messgrößen Durchfluß und Druck zusätzlich zur Ventilstellung zur Verfügung, kann aus einer Änderung des Verhältnisses der Größen zueinander auf Änderung und Verschleiß am Ventilkegel durch Abrasion oder Kavitation geschlossen werden. Bezugszeichenliste 1 Stellantrieb
11 elektrische Einheit
111 Anschlussleitung
112 Mikrocontroller
113 Anzeigeeinheit
114 Tastatur
115 Messwertanschluss
116 Empfänger
12 pneumatische Einheit
121 Druckluftanschluss
13 Positionssensor
131 Sender
132 Energieversorgung
133 Energiespeicher
134 Sensorelement
14 pneumatischer Antrieb
141 Hubstange
142 Hebel
143 Kupplung
2 Rohrleitung
21 Temperatursensor
22 Drucksensor
23 Durchflusssensor
3 Armatur
31 Verschlusselement
5 belasteter Bereich
6 belastungsfreier Bereich

Claims

1. Elektropneumatischen Stellantrieb bestehend aus einer elektrischen Einheit, einer pneumatischen Einheit, einem Positionssensor und einem pneumatischen Antrieb zur Betätigung eines Stellgliedes in einer Armatur, dadurch gekennzeichnet,
dass der Positionssensor (13) unmittelbar mit dem Stellglied (31) der Armatur (3) verbunden ist,
dass der Positionssensor (13) mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (131) ausgestattet ist und
dass die elektrische Einheit (11) des elektropneumatischen Stellantriebs (1) mit einer zu der des Positionssensors (13) korrespondierenden drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (116) ausgestattet ist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (113) mit Mitteln zur dezentralen Energieversorgung ausgestattet ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (13) mit Solarelementen ausgestattet ist.

4. Stellantrieb nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (13) mit Mitteln zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie ausgestattet ist.

5. Stellantrieb nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (13) mit Mitteln zur Umwandlung kinetischer Energie bewegter Materie in elektrische Energie ausgestattet ist.

6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (13) mit Mitteln zur Speicherung elektrischer Energie ausgestattet ist.

7. Stellantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatische Einheit (12) und der pneumatischen Antrieb (14) als eine Baueinheit ausgebildet ist.

8. Stellantrieb nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Einheit (11) von der pneumatischen Einheit (12) und der Armatur (3) entfernt angeordnet ist.

9. Stellantrieb nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Einheit (11) Schnittstellen (115) zum Anschluss weiterer Messwertaufnehmer (21, 22, 23) desselben prozessualen Regelkreises aufweist.