DE102007058778B4 - Stellantrieb mit einem Stellungsgeber - Google Patents
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Abstract
Stellantrieb mit einem Stellungsregler zur Bedienung eines Stellgliedes (2), wobei der Stellungsregler (9) mit einem rotatorischen, mechanisch in seinem Schwenkbereich begrenzten Messsystem ausgerüstet ist, wobei das rotatorische Messsystem eine Welle (13) aufweist, die formschlüssig und unverwechselbar mit einem Abgriffshebel (10) verbunden ist, der durch den Stellantrieb (6) oder das Stellglied (2) angelenkt ist, und wobei die Welle (13) und das rotatorische Messsystem über eine Rutschkupplung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,- dass auf dem Wellenumfang der Welle (13) isoazimut zur Drehachse der Welle (13) zur Autokalibrierung des Stellungsreglers (9) Markierungen angeordnet sind, die eine Winkelinformation über den Winkel der Markierungsposition zum Abgriffshebel (10) beinhalten,- dass der digitale Stellungsregler (9) eine Sensorik zur Erkennung und Auswertung der Markierungen aufweist, wobei die Sensorik zur Autokalibrierung des Stellungsreglers (9) eingeschaltet ist und aus der Winkelinformation ein Korrekturwert ermittelt wird, welcher im Linearisierungsalgorithmus berücksichtigt wird, und- dass die Rutschkupplung eine Hysterese aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem Stellungsregler zur Bedienung eines Stellgliedes mit einem Positionierer in einer verfahrenstechnischen Anlage.
- Der in dieser Offenbarung verwendete Begriff „digitaler Stellungsregler“ steht für ein System das entsprechend mehrerer Eingangssignale ein oder mehrere Ausgangssignale steuert. Ein Teil der Eingangssignale repräsentieren einen statischen oder dynamischen Sollzustand, ein anderer Teil der Eingangssignale charakterisiert einen statischen oder dynamischen Istzustand. Die Ausgangssignale dienen dazu, den Istzustand mit dem Sollzustand in Übereinstimmung zu bringen. Der Algorithmus dazu ist in Software auf einem Mikrocontroller implementiert. Im Allgemeinen steuern die Ausgangssignale - mit oder ohne Einsatz von Hilfsenergie - die Position eines Stellgliedes.
- Derartige (digitale) Stellungsregler verfügen über eine Stellungsrückmeldungssensorik, die Bewegungen und Positionen des angeschlossenen Stellgliedes erfasst. Die Stellungsrückmeldung des bekannten (digitalen) Stellungsreglers ist so konstruiert, dass eine Welle die Bewegungen und Positionen des Stellgliedes auf ein rotatorisches Messsystem, beispielsweise ein Potentiometer, überträgt. Je nach verwendeter Technologie ist der Messbereich des rotatorischen Messsystems auf einen Winkel <120° oder <270° beschränkt.
- Stellantriebe werden in Schwenk- und Hubantriebe unterschieden. Beim Hubantrieb wird die lineare Bewegung des Abtriebs des Stellantriebs unmittelbar auf ein linear betätigtes Stellorgan übertragen. Dabei übersetzt ein Abgriffshebel den Hub der Schubstange des Stellgliedes in eine Rotation, welche direkt auf die Welle übertragen wird. Die Welle ist einseitig abgeflacht. Die Wellenaufnahme im Abgriffshebel ist so konstruiert, dass die Montage des Abgriffshebel auf der Welle eindeutig formschlüssig ist. Die Konstruktion des mechanischen Anbau des digitalen Stellungsreglers an das Stellglied stellt sicher, dass der Stellungsregler im 90°-Winkel quer zur Schubstange montiert ist.
- Demgegenüber wird beim Schwenkantrieb die lineare Bewegung des Abtriebs des Stellantriebs mit geeigneten Mitteln in eine Drehbewegung umgesetzt. Dabei verbindet ein Adapter die Welle direkt mit dem Schwenkantrieb.
- Diese bekannten Anordnungen sind durch die Normen DIN/IEC 534 und VDI / VDE 3845 standardisiert.
- Bei der bekannten Stellungsrückmeldungssensorik mit einem rotatorischen Messsystem für einen linearen Antrieb ist der rückgemeldete Messwert eine trigonometrische Funktion der Position im Stellbereich, deren Parameter vom Anfangswert der Position bei der Inbetriebnahme und der wirksamen Hebelarmlängen an der Schubstange des Stellgliedes und des Abgriffshebels abhängen. Für ein möglichst genaues Positionierverhalten wird der rückgemeldete Messwert entsprechend der tatsächlichen Position des Stellgliedes im Stellbereich linearisiert. Dazu implementiert die Software des digitalen Stellungsreglers einen Linearisierungsalgorithmus. Dabei muss bekannt sein, in welcher Stellung der Abgriffshebel im rechten Winkel zur Schubstange des Antriebes steht.
- Um die vom Markt geforderte Linearität des Positionierverhaltens sicherzustellen, erfordert die beschriebene Konstruktion der Stellungsrückmeldung, dass der digitale Stellungsregler bei linearen Antrieben die erfasste Schwenkbewegung linearisiert.
- Es ist bekannt, dass der digitale pneumatische Stellungsregler eine Funktion implementiert, welche über selbst generierte Ausgangssignale das angeschlossene Stellglied gezielt bewegt und so eine Autokalibrierung durchführt. Dabei wird unter Autokalibrierung eine Funktion verstanden, bei der der digitalen Stellungsregler selbsttätig die Ober- und Untergrenze des Arbeitsbereiches des Stellgliedes einstellt.
- Die Anbaumechanik sowie die Kosten entsprechend hochauflösender Messtechnik haben zur Beschränkung des Schwenkbereiches bei Anbau von Hubantrieben auf einen Winkel von 30° bis 60° geführt. Bedingt durch den eingeschränkten Messbereich des rotatorischen Messsystems ist bei digitalen Stellungsreglern der Schwenkbereich der Welle auf ein definiertes Kreissegment relativ zur Gehäusegeometrie des digitalen Stellungsreglers beschränkt. Dies führt zu Fehlern beim Anbau des digitalen Stellungsreglers an Antrieb und Stellglied, wenn der sich ergebende Schwenkbereich das zulässige Kreissegment verlässt. Dieses Problem gilt für Schwenk- und Hubantriebe.
- Aus der
DE 21 21 377 B ist ein motorischer Stellantrieb für Ventile bekannt, welcher zur Wegmessung ein Potentiometer aufweist. Das Potentiometer ist über eine Rutschkupplung zu seiner Justierung mit dem Getriebe des Stellantriebs verbunden. - Darüber hinaus ist bekannt, digitale Stellungsregler mit einer Rutschkupplung zwischen dem Messsystem und der Welle auszustatten. Zwar ist der Schwenkbereich immer noch im Winkel begrenzt, aber der Schwenkbereich ist beliebig zur Gehäusegeometrie. Damit der digitale Stellungsregler bei Hubantrieben weiterhin die vom Markt geforderte Linearität erreicht, muss jedoch hier die Position der Welle, in welcher der Abgriffshebel senkrecht zur Schubstange steht, dem digitalen Stellungsregler auf geeignete Weise „mitgeteilt“ werden.
- Ferner ist aus der
DE 69 806 325 T2 ein Winkelsensor mit einem Kodierrad mit einer Vielzahl von Mustern und einer optischen Abtastvorrichtung bekannt, bei dem aus den erkannten Mustern die Winkelstellung einer Welle zu einem Bezugssystem ermittelt wird. - Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel zur Autokalibrierung eines Stellungsreglers mit einem rotatorischen Messsystem zur Eignung an beliebigen linearen Stellantrieben anzugeben, die eine präzise Linearisierung der rückgemeldeten Messwerte erlaubt.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
- Die Erfindung geht aus von einem linearen Stellantrieb mit einem Stellungsregler zur Bedienung eines Stellgliedes aus, wobei der Stellungsregler mit einem rotatorischen Messsystem ausgerüstet ist. Das rotatorische Messsystem weist eine Welle auf, die formschlüssig und unverwechselbar mit einem Abgriffshebel verbunden ist, der durch den Stellantrieb oder das Stellglied angelenkt ist. Das Messsystem ist mechanisch in seinem Schwenkbereich begrenzt. Die Welle und das rotatorische Messsystem sind über eine Rutschkupplung miteinander verbunden.
- Erfindungsgemäß sind an der Welle auf dem Wellenumfang Markierungen angeordnet, die eine Winkelinformation über den Winkel der Markierungsposition zum Abgriffshebel beinhalten. Die Markierungen sind isoazimut zur Drehachse der Welle angeordnet.
- Der digitale Stellungsregler weist eine Sensorik zur Erkennung und Auswertung der Markierungen auf.
- Die Rutschkupplung weist eine Hysterese auf.
- Bei der Autokalibrierung des digitalen Stellungsreglers wird die Sensorik zur Erkennung und Dekodierung der Markierungen eingeschaltet. Bei einem Schwenk des Abgriffshebels über den azimutalen Abstand zweier benachbarter Markierungen hinaus wird mindestens eine der Markierungen überfahren. Mittels der ersten erkannten Markierung wird ein Korrekturwert ermittelt um den die Rutschkupplung das rotatorische Messsystem gegen die Welle verdreht hat. Dieser Korrekturwert wird im Linearisierungsalgorithmus berücksichtigt.
- Vorteilhafterweise erlaubt die Erfindung, Schwenkantriebe in beliebigem Winkel zum Stellungsregler zu montieren, da aufgrund der Rutschkupplung der eingeschränkte Winkelbereich des Messsystems nicht mehr zum Tragen kommt.
- Darüber hinaus können Hubantriebe selbst dann mit der vom Markt geforderten Linearität positioniert werden, wenn die Rutschkupplung das Messsystem gegen die Welle verdreht hat.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
-
1 eine Prinzipdarstellung eines als Hubantrieb ausgeführten Stellantriebs an einem Prozessventil -
2 eine Prinzipdarstellung einer Stellungsrückmeldungssensorik in Abhängigkeit vom initialen Angriffspunkt - In der
1 ist eine fragmentarisch angedeutete Rohrleitung1 einer nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ein Prozessventil2 als Stellorgan eingebaut. Das Prozessventil2 weist in seinem Inneren einen mit einem Ventilsitz3 zusammenwirkenden Schließkörper4 zur Steuerung der Menge durchtretenden Prozessmediums5 auf. Der Schließkörper4 wird von einem pneumatischen Stellantrieb6 über eine Hubstange7 linear betätigt. Der Stellantrieb6 ist über ein Joch 8 mit dem Prozessventil2 verbunden. An dem Joch8 ist ein digitaler Stellungsregler9 angebracht. Über einen Positionsaufnehmer10 wird der Hub der Hubstange7 in den Stellungsregler9 gemeldet. Der erfasste Hub wird mit dem über eine Kommunikationsschnittstelle11 zugeführten Sollwert in einer Steuerelektronik18 verglichen und der Stellantrieb6 in Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert. Die Steuerelektronik18 des Stellungsreglers9 bedient einen I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung in einen adäquaten Steuerdruck auf. Der I/P-Umsetzer des Stellungsreglers9 ist über eine Druckmittelzuführung19 mit dem Stellantrieb6 verbunden. - Zum Zwecke der Inbetriebnahme des Prozessventils
2 wird der Stellungsregler9 mechanisch mit dem Stellantrieb6 verbunden und die elektrischen und pneumatischen Verbindungen angeschlossen. Der Positionsaufnehmer10 ist um eine Welle13 drehbar gelagert und wird nahe seines freien Endes mit der Hubstange7 gelenkig verbunden. Dazu wird der Positionsaufnehmer10 bei Montage rechtwinklig zur Hubstange7 positioniert. Die Welle13 ist mit einem rotatorischen Messsystem wirkverbunden. - Zum Zeitpunkt der Montage ist die tatsächliche Lage der Hubstange
7 zum Stellungsregler9 und seinem Positionsaufnehmer10 völlig unbestimmt. In der2 ist dieser Zusammenhang bildlich dargestellt. Während in der2a bei der Montage des Positionsaufnehmers10 an der Hubstange7 von einer mittleren Position der Hubstange7 , das entspricht einem halb geöffneten Prozessventil2 , ausgegangen wird, ist in2b unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel eine Position der Hubstange7 dargestellt, die einem fast geschlossenen Prozessventil2 entspricht. In Abhängigkeit vom initialen Angriffspunkt des Positionsaufnehmers10 an der Hubstange7 ist der dem Hub des Stellantriebs6 entsprechende Schwenkwinkel12 eher symmetrisch gemäß2a oder sehr einseitig gemäß2b bezogen auf die Ausgangsposition. Daraus ergeben sich wegen des eingangs erwähnten trigonometrischen Zusammenhanges verschiedene Korrekturbedürfnisse des gemessenen Positionssignals zur tatsächlichen Position der Hubstange7 im Stellbereich. - Nach Maßgabe der Erfindung sind isoazimut zur Drehachse der Welle
13 Markierungen angeordnet, die eine Winkelinformation über den Winkel der Markierungsposition zum Positionsaufnehmer10 beinhalten. Der digitale Stellungsregler9 weist eine Sensorik zur Erkennung und Auswertung der Markierungen auf. Darüber hinaus weist die Rutschkupplung eine Hysterese auf. - Bei der Autokalibrierung des digitalen Stellungsreglers
9 wird die Sensorik zur Erkennung und Dekodierung der Markierungen eingeschaltet. Bei einem Schwenk des Abgriffshebels über den azimutalen Abstand zweier benachbarter Markierungen hinaus wird mindestens eine der Markierungen überfahren. Je nach Ausgangslage des Positionsaufnehmers10 an der Hubstange7 zur Welle13 wird dabei die Rutschkupplung betätigt. Deren Hysterese bewirkt die sichere Positionierung der Welle 13 zu der Hubstange7 auf einen Wert im zulässigen Wertebereich der Sensorik. - Mittels der ersten erkannten Markierung wird ein Korrekturwert ermittelt um den die Rutschkupplung das rotatorische Messsystem gegen die Welle verdreht hat. Dieser Korrekturwert wird im Linearisierungsalgorithmus berücksichtigt.
Claims (1)
- Stellantrieb mit einem Stellungsregler zur Bedienung eines Stellgliedes (2), wobei der Stellungsregler (9) mit einem rotatorischen, mechanisch in seinem Schwenkbereich begrenzten Messsystem ausgerüstet ist, wobei das rotatorische Messsystem eine Welle (13) aufweist, die formschlüssig und unverwechselbar mit einem Abgriffshebel (10) verbunden ist, der durch den Stellantrieb (6) oder das Stellglied (2) angelenkt ist, und wobei die Welle (13) und das rotatorische Messsystem über eine Rutschkupplung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, - dass auf dem Wellenumfang der Welle (13) isoazimut zur Drehachse der Welle (13) zur Autokalibrierung des Stellungsreglers (9) Markierungen angeordnet sind, die eine Winkelinformation über den Winkel der Markierungsposition zum Abgriffshebel (10) beinhalten, - dass der digitale Stellungsregler (9) eine Sensorik zur Erkennung und Auswertung der Markierungen aufweist, wobei die Sensorik zur Autokalibrierung des Stellungsreglers (9) eingeschaltet ist und aus der Winkelinformation ein Korrekturwert ermittelt wird, welcher im Linearisierungsalgorithmus berücksichtigt wird, und - dass die Rutschkupplung eine Hysterese aufweist.
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