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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs
zur Bedienung von Stellgliedern der Automatisierungstechnik in verfahrenstechnischen
Anlagen.
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Derartige
Stellantriebe sind mit einer Regeleinrichtung ausgestattet, die
die aktuelle Ist-Position des Stellglieds mit einer vorgegebenen
Soll-Position vergleicht und den Stellantrieb derart ansteuert,
dass die Ist-Position ausgleichend in Richtung der vorgegebenen
Soll-Position verändert wird. Dazu weist der Stellantrieb
eine Positionssensoranordnung auf, die die aktuelle Ist-Position
des Stellglieds an die Regeleinrichtung meldet.
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Aus
der
DE 42 39 635 A1 ist
ein Verfahren zur Wegerfassung der Ventilstangenbewegung bei elektropneumatischen
Stellungsreglern bekannt, bei dem in einem induktiv arbeitenden
Sensor eine HF-Oszillation innerhalb eines LC-Resonanzkreises zur
Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes
angeregt wird, das über einen von der Ventilstange mitbewegten
elektrisch leitfähigen Körper wegabhängig
bedampft wird und bei dem das Oszillatorsignal demoduliert und unverstärkt
einem Mikrorechner zur Auswertung der wegabhängigen Oszillationsamplitudenbedämpfung
zugeführt wird. Zwar gestattet dieses Verfahren eine berührungslose
Wegmessung, doch ist der apparative Aufwand zur Durchführung
des Verfahrens recht hoch und die Messgenauigkeit hat sich insbesondere
bei Erschütterungen im rauhen Anlagenbetrieb als unzureichend
erwiesen.
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Ferner
ist aus der
DE 42 39
635 A1 bereits als Stand der Technik bekannt, zur Wegmessung
an Ventilstangen Potentiometer, kapazitive Sensoren sowie Differentialtransformatoren
zu verwenden, die über einen Hebelabgriff an der Ventilstange
betätigt werden. Die Nachteile dieser vorbekannten Lösungen
sind vielfältig. So sind Potentiometer in der Regel verschleißbehaftet,
insbesondere dann, wenn sie im Bereich starker mechanischer Vibrationen
oder Erschütterungen eingesetzt werden. Dieser Verschleiß macht
sich durch einen zunehmenden Abrieb am Arbeitspunkt des Potentiometers
bemerkbar. Die Verwendung von Drehkondensatoren ist sehr teuer,
da hierbei aufwendige Schutzmaßnahmen gegen Feuchtigkeit
getroffen werden müssen und außerdem sehr präzise
mechanische Lager notwendig sind. Die Verwendung von Differentialtransformatoren
ist nachteilig wegen der teuren mechanischen Lagerung, da Querbewegungen
des Magneten in der Spule unterdrückt werden müssen.
Die zur Versorgung entsprechend notwendige Elektronik ist außerdem
zu teuer und hat einen relativ hohen Leistungsverbrauch. Darüber
hinaus auf korrekten Einbau der drehwinkelbegrenzten Aufnehmer zu
achten.
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Aus
der
DE 100 16 636
A1 ist ein Stellungsregler, insbesondere für ein
durch einen Antrieb betätigbares Ventil, mit einem Positionsgeber
zur Erfassung der Ist-Position eines Stellglieds und mit einer Reglereinheit
zum Vergleich der Ist-Position mit einer vorgebbaren Soll-Position
und zur Erzeugung eines Stellsignals bekannt, bei dem als Positionsgeber
ein Magnet und ein magnetoresistiver Sensor vorgesehen sind, welche
korrespondierend zu einer Bewegung des Stellglieds relativ zueinander
dreh- oder verschiebbar sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
eines Stellantriebs anzugeben, das tolerant gegenüber menschlichen
Fehlhandlungen ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit den Schritten des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen
Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht aus von einem Stellantrieb zur Bedienung eines Stellglieds,
dem eine Positionserfassungseinrichtung zur Erfassung der Ist-Position
des Stellglieds zugeordnet ist, die mit einer Reglereinheit zum
Vergleich der Ist-Position mit einer vorgebbaren Soll-Position und
zur Erzeugung eines Stellsignals zur Ansteuerung des Stellantrieb
wirkverbunden ist. Die Positionserfassungseinrichtung umfasst eine
stationäre optische Abtasteinrichtung, deren optische Achse
auf ein endloses, optisch abtastbares Muster gerichtet ist, das
auf einem Musterträger angeordnet ist und dem numerische Äquivalente
zugeordnet sind.
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Bei
jeder Änderung der Position des Stellglieds wird der Musterträger
entsprechend nachgeführt. Die Musteränderung im
Fokus der Abtasteinrichtung wird als Änderung der Ist-Position
des Stellglieds erkannt.
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Bei
der Inbetriebnahme des Stellantriebs wird zunächst eine
Endlage des Stellglieds angefahren und das aktuelle Muster im Fokus
der Abtasteinrichtung der tatsächlichen Ist-Position der
ersten Endlage zugeordnet. Sodann wird die entgegengesetzte Endlage
des Stellglieds angefahren und das aktuelle Muster im Fokus der
Abtasteinrichtung der tatsächlichen Ist-Position der zweiten
Endlage zugeordnet.
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Die
ermittelten numerischen Äquivalenten der erkannten Muster
in den Endlagen werden miteinander verglichen. Die Differenz zwischen
den numerischen Äquivalenten in den Endlagen ist der Verfahrbereich
des Stellglieds zwischen den Endlagen. Bei einem drehbetätigten
Stellglied ist der Verfahrbereich der Drehwinkel und bei einem linearbetätigten Stellglied
ist der Verfahrbereich der Hub. Dabei ist der Verfahrbereich des
Stellglieds unabhängig von Abfolge der Muster auf dem Musterträger.
Die Absolutposition des Musterträgers sowie des darauf
abgebildeten Musters ist unabhängig vom den Endlagen und
dem Verfahrbereich des Stellglieds. Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße
Verfahren resistent gegenüber fehlerhaftem stellungsbezogenen Einbau
des Musterträgers. Danach ist der Musterträger
bezüglich seiner Position im Fokus der Abtasteinrichtung
beliebig montierbar.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung wird im Verfahrbereich des
Stellglieds zwischen den Endlagen an mindestens einer Zwischenposition
das aktuelle Muster im Fokus der Abtasteinrichtung aufgenommen und
der tatsächlichen Zwischenposition zugeordnet. Aus dem
Vergleich der numerischen Äquivalenten der erkannten Muster
in den Endlagen und der mindestens einen Zwischenposition wird die Änderungsrichtung
der numerischen Äquivalente – steigende oder fallende
Werte – ermittelt.
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Vorteilhafterweise
ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur resistent
gegenüber einem fehlerhaften stellungsbezogenen Einbau
des Musterträgers sondern auch gegenüber einem
seitenverkehrten Einbau des Musterträgers.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines druckmittelbetriebenen Stellantriebs mit
einem Prozessventil
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2 eine
Prinzipdarstellung einer Positionserfassungseinrichtung mit scheibenförmigem Musterträger
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3 eine
Prinzipdarstellung einer Positionserfassungseinrichtung mit walzenförmigem
Musterträger
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In
der 1 ist eine fragmentarisch angedeutete Rohrleitung 1 einer
nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ein Prozessventil 2 eingebaut.
Das Prozessventil 2 weist in seinem Inneren einen mit einem
Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörper 4 zur
Steuerung der Menge durchtretenden Prozessmediums 5 auf.
Der Schließkörper 4 wird von einem Stellantrieb 6 über
eine Hubstange 7 linear betätigt. Der Stellantrieb 6 ist über
ein Joch 8 mit dem Prozessventil 2 verbunden.
An dem Joch 8 ist ein Stellungsregler 9 angebracht. Über
einen Positionsaufnehmer 10 wird der Hub der Hubstange 7 in den
Stellungsregler 9 gemeldet. Der erfasste Hub wird mit dem über
eine Kommunikationsschnittstelle 11 zugeführten
Sollwert in einer Regeleinheit 18 verglichen und der Stellantrieb 6 in
Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert.
Die Regeleinheit 18 des Stellungsreglers 9 weist
einen I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung
in einen adäquaten Steuerdruck auf. Der I/P-Umsetzer der
Regeleinheit 18 ist über eine Druckmittelzuführung 19 mit
dem Stellantrieb 6 verbunden.
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In
der 2 ist in teilweise geschnittener Darstellung eine
Positionserfassungseinrichtung gezeigt, die auf einer Welle 20,
die durch den Positionsaufnehmer 10 in Abhängigkeit
vom Hub der Hubstange 7 gedreht wird, einen rotationssymmetrischer, scheibenförmiger
Musterträger 21, aufweist, der über die
Welle 20 drehbar gelagert ist. Die Oberfläche
des Musterträgers 21 ist radial mit einem endlosen,
optisch abtastbaren Muster 22 bedeckt. Im Einzelnen ist auf
dem Musterträger 21 ein 16-Bit-Gray-Code konzentrisch
kreisringförmig aufgetragen.
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Die
Positionserfassungseinrichtung umfasst darüber hinaus eine
Abtasteinrichtung, deren Fokus auf das Muster 22 gerichtet
ist. Die Abtasteinrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Sensor 31,
in dessen auf das Muster 22 gerichteten, optischen Achse
eine Linse 32 angeordnet ist. Der Sensor 31 ist
an die Regeleinheit 18 angeschlossen. Für den Sensor 31 kann
eine CCD-Zeile vorgesehen sein.
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Zur
Ermittlung der aktuellen Position der Hubstange 7 wird
der jeweilige Code im Fokus des Sensors 31 ausgelesen.
Bei jeder Änderung der Position der Hubstange 7 wird
der Musterträger 21 entsprechend nachgeführt.
Die Codeänderung im Fokus der Abtasteinrichtung wird als Änderung
der Ist-Position der Hubstange 7 erkannt. Dabei besteht
eine feste Beziehung zwischen dem Positionsaufnehmer 10 und
den Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7. Wird durch
eine Fehlhandlung bei der Montage des Musterträgers 21 die
vorgesehene Beziehung zwischen dem Positionsaufnehmer 10 und
den Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7 verändert,
dann stimmen die tatsächlichen Codes nicht mehr mit den erwarteten
Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7 überein.
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Erfindungsgemäß wird
bei der Inbetriebnahme des Stellantriebs zunächst eine
Endlage der Hubstange 7 angefahren und der aktuelle Code
im Fokus der Abtasteinrichtung der tatsächlichen Ist-Position der
ersten Endlage zugeordnet. Dazu wird der Code im Fokus unabhängig
von seinem numerischen Äquivalent in seiner relativen Zuordnung
zur Stellung des Positionsaufnehmers 10 ausgelesen. Demgegenüber
besteht eine absolute Zuordnung der endliegenden Hubstange 7 zur
Stellung des Positionsaufnehmers 10.
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In
einem weiteren Schritt wird die entgegengesetzte Endlage der Hubstange 7 angefahren
und der aktuelle Code im Fokus der Abtasteinrichtung der tatsächlichen
Ist-Position der zweiten Endlage zugeordnet. Auch in dieser Endlage
besteht eine absolute Zuordnung der endliegenden Hubstange 7 zur
Stellung des Positionsaufnehmers 10 und eine relativen Zuordnung
des Codes und seines numerischen Äquivalents zur Stellung
des Positionsaufnehmers 10.
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Die
Differenz zwischen den numerischen Äquivalenten der erkannten
Codes in den Endlagen ist der Verfahrbereich der Hubstange 7 zwischen
den Endlagen. Bei einem drehbetätigten Stellglied ist der Verfahrbereich
der Drehwinkel und bei einem linearbetätigten Stellglied
gemäß 1 ist der Verfahrbereich der
Hub. Dabei ist der Verfahrbereich des Stellglieds unabhängig
von Abfolge der Codes auf dem Musterträger 21.
Die Absolutposition des Musterträgers 21 sowie
der darauf abgebildeten Codes ist unabhängig vom den Endlagen
und dem Verfahrbereich des Stellglieds.
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Bei
einem scheibenförmigen Musterträger 21 kann
vorgesehen sein, das Muster 22, 23 in Form von
konzentrisch umlaufenden, kreisringförmigen Spuren deckungsgleich
auf beiden Scheibenseiten auszubilden. Unabhängig von der
Einbaulage ist stets eine der Spuren im Fokus der Abtasteinrichtung und
damit die aktuelle Position der Hubstange 7 erfassbar.
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In
der 3 ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen
für gleiche Mittel in teilweise geschnittener Darstellung
eine Positionserfassungseinrichtung gezeigt, bei der ein rotationssymmetrischer, walzenförmiger
Musterträger 21 auf einer Welle 20, die
durch den Positionsaufnehmer 10 in Abhängigkeit
vom Hub der Hubstange 7 gedreht wird, befestigt und über
die Welle 20 drehbar gelagert ist. Der Mantel des Musterträgers 21 ist
teilweise mit einem optisch abtastbaren Muster 22 bedeckt.
Im Einzelnen ist auf dem Musterträger 21 ein 16-Bit-Gray-Code
reifenförmig aufgetragen.
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Dem
Musterträger 21 ist eine Abtasteinrichtung im
Wesentlichen bestehend aus einem Sensor 31 und einer Linse 32 derart
zugeordnet, dass das Muster 22 im Fokus des Sensors 31 ist.
Der Sensor 31 ist an die Regeleinheit 18 angeschlossen.
Für den Sensor 31 kann eine CCD-Zeile vorgesehen
sein.
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Zur
Ermittlung der aktuellen Position der Hubstange 7 wird
der jeweilige Code im Fokus des Sensors 31 ausgelesen.
Bei jeder Änderung der Position der Hubstange 7 wird
der Musterträger 21 entsprechend nachgeführt.
Die Codeänderung im Fokus der Abtasteinrichtung wird als Änderung
der Ist-Position der Hubstange 7 erkannt. Dabei besteht
eine feste Beziehung zwischen dem Positionsaufnehmer 10 und
den Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7. Wird durch
eine Fehlhandlung bei der Montage des Musterträgers 21 die
vorgesehene Beziehung zwischen dem Positionsaufnehmer 10 und
den Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7 verändert,
dann stimmen die tatsächlichen Codes nicht mehr mit den erwarteten
Codes im Verfahrbereich der Hubstange 7 überein.
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Erfindungsgemäß wird
bei der Inbetriebnahme des Stellantriebs zunächst eine
Endlage der Hubstange 7 angefahren und der aktuelle Code
im Fokus der Abtasteinrichtung der tatsächlichen Ist-Position der
ersten Endlage zugeordnet. Dazu wird der Code im Fokus unabhängig
von seinem numerischen Äquivalent in seiner relativen Zuordnung
zur Stellung des Positionsaufnehmers 10 ausgelesen. Demgegenüber
besteht eine absolute Zuordnung der endliegenden Hubstange 7 zur
Stellung des Positionsaufnehmers 10.
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In
einem weiteren Schritt wird die entgegengesetzte Endlage der Hubstange 7 angefahren
und der aktuelle Code im Fokus der Abtasteinrichtung der tatsächlichen
Ist-Position der zweiten Endlage zugeordnet. Auch in dieser Endlage
besteht eine absolute Zuordnung der endliegenden Hubstange 7 zur
Stellung des Positionsaufnehmers 10 und eine relativen Zuordnung
des Codes und seines numerischen Äquivalents zur Stellung
des Positionsaufnehmers 10.
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Die
Differenz zwischen den numerischen Äquivalenten der erkannten
Codes in den Endlagen ist der Verfahrbereich der Hubstange 7 zwischen
den Endlagen. Bei einem drehbetätigten Stellglied ist der Verfahrbereich
der Drehwinkel und bei einem linearbetätigten Stellglied
gemäß 1 ist der Verfahrbereich der
Hub. Dabei ist der Verfahrbereich des Stellglieds unabhängig
von Abfolge der Codes auf dem Musterträger 21.
Die Absolutposition des Musterträgers 21 sowie
der darauf abgebildeten Codes ist unabhängig vom den Endlagen
und dem Verfahrbereich des Stellglieds.
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Darüber
hinaus ist in einem weiteren Schritt vorgesehen, im Verfahrbereich
der Hubstange 7 zwischen den Endlagen an mindestens einer
Zwischenposition den aktuellen Code im Fokus der Abtasteinrichtung
aufzunehmen und der tatsächlichen Zwischenposition zuzuordnen.
Aus dem Vergleich der numerischen Äquivalente der erkannten
Muster in den Endlagen und der mindestens einen Zwischenposition
wird die Änderungsrichtung der numerischen Äquivalente
ermittelt.
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Auf
diese Weise werden über Winkelfehlstellungen des Musterträgers 21 hinaus
auch die Folgen solcher Fehlstellungen eliminiert, die die Reihenfolge der
aufgetragenen Codes verändern.
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Bei
einem Drehantrieb kann vorgesehen sein, dass der Musterträgers 21 unmittelbar
auf der Drehachse des Drehantriebs angeordnet ist.
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- 1
- Rohrleitung
- 2
- Prozessventil
- 3
- Ventilsitz
- 4
- Schließkörper
- 5
- Prozessmedium
- 6
- Stellantrieb
- 7
- Ventilstange
- 8
- Joch
- 9
- Stellungsregler
- 10
- Positionsaufnehmer
- 11
- Kommunikationsschnittstelle
- 18
- Regeleinheit
- 19
- Druckmittelzuführung
- 20
- Welle
- 21
- Musterträger
- 22,
23
- Muster
- 30
- Abtasteinrichtung
- 31
- Sensor
- 32
- Linse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4239635
A1 [0003, 0004]
- - DE 10016636 A1 [0005]