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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektropneumatischen
Ventils zur Ansteuerung von pneumatischen Stellantrieben zur Betätigung
von Armaturen in automatisierungstechnischen Anlagen.
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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.
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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.
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Unter
einem pneumatischen Verstärker wird im Rahmen dieser Beschreibung
eine technische Einrichtung verstanden, die mit Hilfe eines pneumatischen
Eingangssignals ein pneumatisches Ausgangssignal steuert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines elektropneumatischen Ventils
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2 eine
Prinzipdarstellung einer Kennlinie eines elektropneumatischen Ventils
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 in
der vollentlüftenden Stellung zu messen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen
sein, die Stellung des 3/3-Wegeventils mit Sperrmittelstellung 11 in
der dichtschließenden Stellung zu messen.
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In
weiterführender Ausgestaltung der Erfindung wird die Kalibrierung
während des laufenden Betriebes adaptiert. Dadurch wird
der Drift der Öffnungspunkte entgegengewirkt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die
Kalibrierung des elektropneumatischen Ventils 10 während
der Kalibrierung des gesteuerten pneumatischen Stellantrieben 30 durchgeführt.
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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.
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1758007
A1 [0003, 0008]