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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Armatur, um eine Schaltzeit der Armatur konstant innerhalb eines Toleranzbereichs zu halten.
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Armaturen, wie alle mechanischen Bauteile unterliegen Veränderungen im Laufe ihrer Lebensdauer. Daher ändern sich auch die Eigenschaften, wie beispielsweise die Schaltzeit. Gründe hierfür können Verschleiß an beweglichen Komponenten, Verschmutzung, aber auch, sich mit der Zeit verändernde, Dichtungen sein. Ebenso beeinflussen Umstände, wie Abbauprozesse im Schmierstoff und Schwankungen in der Energieversorgung die Schaltzeit von Armaturen.
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In Anwendungen mit hohen Anforderungen an präzise reproduzierbare Abläufe können genannte Verschiebungen des Schaltzeitpunkts nur schwer toleriert werden und müssen mit hohem Aufwand durch zusätzliche Maßnahmen kompensiert werden.
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In zeitkritischen Applikationen insbesondere bei Abfüllmaschinen, aber auch anderen Maschinen, bei denen Schaltzeiten über die Anlagenlebensdauer konstant sein müssen, können Schaltzeiten, die über eine Lebensdauer aufgrund von Schaltdruckänderung, Reibung oder Verschmutzung schwanken, zu Problemen führen. Da meist auch keine genaue Änderung der Schaltzeit über die Lebensdauer vorhersagbar ist, ist im Stand der Technik die Verwendung von Daten und Messwerten aus der Applikation, wie beispielsweise externer Sensorik notwendig, die über die Anlagensteuerung ausgewertet wird und den Schaltpunkt anpasst. Dazu stehen verschiedene bekannte Lösungen für Ventilpositionssensorik und Druckaufnehmer zur Verfügung.
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Eine Nachrüstung von externer Sensorik ist im Stand der Technik meist notwendig, da oft keine Sensorik in der Anlage vorhanden oder verwendbar ist. Dadurch entsteht ein erheblicher Mehraufwand in einer Montage und einer entsprechenden Anpassung der Programmierung der Anlage, so dass gegebenenfalls eine größere oder zusätzliche Steuerung notwendig wird. Eine Mehrbelastung von eventuellen seriellen Kommunikationssystemen, wie beispielsweise einem Feldbus, der zur Übertragung der Signale der von der Sensorik verwendet werden soll, bedingt einen erhöhten Verdrahtungsaufwand. Die Kompensation der Veränderung in der Schaltzeit der Armatur ist schwer über die vorstehend genannten Umsetzungen zu optimieren. Die Sensorik allein kann die Schaltzeitvarianz nicht kompensieren.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Ansteuerung einer Armatur zu schaffen, um eine Schaltzeit der Armatur unabhängig von externen Einflüssen auf die Armatur konstant innerhalb eines Toleranzbereichs zu halten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, sich im Laufe der Lebensdauer verändernde Schaltzeiten von Armaturen, wie beispielsweise Ventilen, zu kompensieren, wobei diese veränderten Schaltzeiten aufgrund von erhöhter oder reduzierter Reibung durch Verschleiß oder Schmierstoffreduzierung verursacht werden können Die Armatur/das Ventil soll selbständig oder mit Hilfe eines leicht zu erweiternden Zusatzmoduls die Veränderung der Schaltzeiten kompensieren. Eine Reduzierung externer Sensorik oder eine Lösung für Applikationen, in denen externe Sensorik nicht einsetzbar ist, soll die Erfindung durch verringerten Programmieraufwand anwenderfreundlich gestalten. Aufgrund von äußeren Umständen, wie beispielsweise einem festgelegten Steuerungszyklus ist eine genaue Schaltzeitoptimierung über externe Lösungen oft nicht möglich.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es durch eine künstliche Verzögerung des Betätigungssignals nach dem Empfang eines Steuersignals möglich ist, verschleißabhängige Veränderungen der Schaltzeit der Armatur zu kompensieren. Beispielsweise kann bei einer Erkennung einer verschleißbedingten Veränderung der Ansprechzeit diese Armatur eine Verkürzung einer Verzögerungszeit für die Ausgabe des Betätigungssignals nach dem Empfang eines Steuersignals erfolgen. Hierdurch lässt sich eine Zeitspanne vom Empfang des Steuersignals bis zum Erreichen einer Endposition eines Stellglieds der Armatur konstant halten. Analog kann bei einer verschleißabhängigen Verkürzung der Ansprechzeit, die beispielsweise durch eine verschleißbedingte Reduktion der Kraft für die Bewegung eines Elements in der Armatur verursacht wird, eine Verlängerung der Verzögerungszeit vorgenommen werden, damit eine konstante Schaltzeit vom Empfang des Steuersignals bis zum Erreichen der Endposition des Stellglieds der Armatur sichergestellt werden kann. Der Toleranzbereich kann dabei auch sehr klein sein, so dass er bei der praktischen Messung nahezu als Zeitpunkt interpretiert werden kann. In diesem Fall würde der Toleranzbereich eine Breite von nahezu null haben.
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Vorteilhafterweise stehen bei einer Anwendung des hier vorgestellten Ansatzes über die vorhandenen Daten und Informationen hinaus weitere Daten wie die Schaltzeit, die Ventilposition und/oder der Ausgangsdruck zur Verfügung. Außerdem ist eine Aussage im Hinblick auf die Durchführung einer vorbeugenden Wartung möglich. Wenn die Schaltzeitabweichung nicht mehr kompensiert werden kann oder im Grenzbereich der Kompensation liegt, kann eine entsprechende Information zur Verfügung gestellt werden. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zu einer Vermeidung beziehungsweise Verringerung des Aufwands für den Anwender, aufgrund kurzer Signalwege zu geringerer oder keiner Schaltzeitvarianz führen als es durch vergleichbare konstruktive Lösung möglich ist. Möglich ist auch eine Überwachung der Schaltzeitveränderung zur vorbeugenden Wartung (condition monitoring).
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Anwendungsgebiete für Einheiten mit konstanten Schaltzeiten über die Lebensdauer von Ventilen durch Kompensation von Schaltzeitabweichungen sind beispielsweise schaltende elektropneumatische Inline-Wegeventile, schaltende elektro-pneumatische Wegeventile in einer Ventileinheit und andere elektrisch angesteuerte Fluidventile in Hydraulikanwendungen, ebenso wie Prozessventile und elektro-pneumatische Proportionalventile, beispielsweise Druckregelventile. Ein Ansatz zur Verwendung eines Mikroprozessors (μC) für erweiterte Funktionen in Ventilen bestand ursprünglich in erster Linie in der Verwendung einer Sensorik für eine Schieberposition und eine Ausgangsdruckerfassung in einem Ventil. Ebenso beruht der hier vorgestellte Ansatz auf Erfahrungsberichten aus Dauerversuchen von bestehenden Produkten. Daraus wurde die Verwendung des vorstehend genannten Ansatzes entwickelt, insbesondere zur Stabilisierung der Schaltzeit über die Ventillebensdauer ohne externe Sensorik oder Steuerungstechnik zum Erreichen einer konstanten Schaltzeitvarianz.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Armatur um eine Schaltzeit der Armatur unabhängig von externen Einflüssen auf die Armatur konstant innerhalb eines Toleranzbereichs zu halten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ansprechend auf ein Steuersignal Bereitstellen eines Betätigungssignals um die Armatur zu betätigen, wobei das Betätigungssignal nach einer veränderbaren Verzögerungszeit nach einem Empfang des Steuersignals bereitgestellt wird und Anpassen der veränderbaren Verzögerungszeit, um die Schaltzeit der Armatur unabhängig von externen Einflüssen konstant innerhalb des Toleranzbereichs zu halten, wobei das Anpassen ansprechend auf eine gemessene tatsächliche Schaltzeit der Armatur erfolgt, wobei die tatsächliche Schaltzeit zwischen dem Empfang des Steuersignals und einem Erreichen einer, durch das Betätigungssignal bewirkten Endstellung eines Elements der Armatur gemessen wird.
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Das Wegeventil kann ein vorstehend beschriebenes 2/2-, ein 5/2-, ein 5/3-, ein 5/4-, ein 3/2-, oder ein doppeltes 3/2-Wegeventil sein, wobei die erste Zahl die Anzahl der Ein- oder Ausgänge des Ventils wiedergibt, und die zweite Zeile die Anzahl der möglichen Schaltstellungen des Ventils wiedergibt. Ebenso kann es sich um ein Proportionalventil, einen Absperrschieber, einen Hahn, auch in Mehrwegeausführung, sowie eine Klappe handeln. Die Schaltzeit der Armatur wird vom Empfang des Steuersignals bis zum Erreichen der gewünschten Endlage eines Elements der Armatur, wie beispielsweise dem Schieber, der Klappe, einem Küken oder einem Ventilteller, gemessen. Externe Einflüsse auf die Armatur können beispielsweise erhöhte oder reduzierte Reibung, aufgrund Verschleiß in der Armatur, Ablagerungen von Fremdstoffen in der Armatur, eine variable Bewegungskraft oder Schmierstoffveränderungen sein. Der Toleranzbereich kann von einer maximalen und/oder einer minimalen gewünschten Schaltzeit begrenzt werden. Das Steuersignal kann von einer Anlagensteuerung oder einem Kommunikationssystem, wie beispielsweise einem Feldbus oder einer SPS-Steuerung empfangen werden. Genauso ist eine Anwendung auch im Handbetrieb möglich, wenn ein Steuersignal lediglich durch Schließen zweier Kontakte ausgelöst wird. Das Betätigungssignal kann eine Antriebseinheit eines Ventils, die aus einer Antriebssteuerung und einem Antriebselement bestehen kann, in Aktion versetzen. Die variable Verzögerungszeit kann dazu dienen, Veränderungen im Ansprechverhalten der Antriebseinheit des Ventils ausgleichen zu können, ohne Steuerparameter für die Antriebseinrichtung, beispielsweise in einer übergeordneten Steuereinheit, ändern zu müssen. Vielmehr kann die Ansprechzeit des Ventils kurzzeitig verzögert werden, um solche Veränderungen zu Puffern. Die veränderbare Verzögerungszeit kann bestimmt oder variiert werden, wenn eine gewünschte Schaltzeit mit einer tatsächlichen Schaltzeit verglichen und eine Abweichung festgestellt wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Armatur um eine Schaltzeit der Armatur konstant innerhalb eines Toleranzbereichs zu halten, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: eine Einheit zum Bereitstellen eines Betätigungssignals um die Armatur zu betätigen, wobei die Einheit ausgebildet ist, um das Betätigungssignal nach einer veränderbaren Verzögerungszeit nach Empfang eines Steuersignals bereit zu stellen, und eine Einheit zum Anpassen der veränderbaren Verzögerungszeit, um die Schaltzeit der Armatur konstant innerhalb des Toleranzbereichs zu halten, wobei die Einheit zum Anpassen ausgebildet ist, um die veränderbaren Verzögerungszeit ansprechend auf eine tatsächlichen Schaltzeit der Armatur zwischen dem Empfang des Steuersignals und einem Erreichen einer, durch das Betätigungssignal bewirkten Endstellung eines Elements der Armatur zu bestimmen.
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Die Einrichtungen der Vorrichtung können in Hardware oder in Software realisiert sein und entsprechende Hardware- oder Softwareschnittstellen aufweisen Die Vorrichtung kann geeignete Kontakte zum Empfangen des Steuersignals sowie der tatsächlichen Schaltzeit und zum Ausgeben des Betätigungssignals aufweisen.
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Des Weiteren schafft die vorliegende Erfindung eine Armatur für einen Fluidstrom mit innerhalb eines Toleranzbereichs konstanter Schaltzeit, insbesondere ein Wegeventil, mit mindestens einem Eingang und mindestens einem Ausgang, einem beweglichen Element zum Absperren und/oder Regeln und/oder Umleiten des Fluidstroms von einem Eingang zu einem Ausgang und einer Antriebseinrichtung zum Bewegen des Elements, wobei die Armatur folgende Merkmale aufweist: eine Detektionseinrichtung zum Detektieren einer Position des Elements in der Armatur und/oder eines Ausgangsdruckes in einem oder mehreren Eingängen oder Ausgängen der Armatur und/oder einer Position der Antriebseinrichtung zum Bewegen des Elements und eine Vorrichtung zur Ansteuerung der Armatur wie sie vorstehend näher beschrieben wurde.
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Die Armatur kann eine Absperrvorrichtung, wie eine Klappe, ein Schieber, ein Hahn, ein Ventil oder eine andere Einrichtung, um einen Volumenstrom in einer Leitung zu unterbrechen, umfassen. Ebenso kann die Armatur eine Regelvorrichtung, wie eine Drosselklappe, ein Regelventil, ein Proportionalventil oder eine andere Einrichtung zum Dosieren eines Volumen- oder Fluidstroms in einer Leitung umfassen. Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Der Toleranzbereich kann von einer oberen Toleranzgrenze und einer unteren Toleranzgrenze begrenzt werden. Die Schaltzeit kann eine Zeitspanne vom Eintreffen (Empfang) eines Steuersignals bis zum Abschluss einer Zustands- oder Lageänderung eines Elementes der Armatur gemessen werden. Das Wegeventil kann ein vorstehend beschriebenes 2/2-, ein 5/2-, ein 5/3-, ein 5/4-, ein 3/2-, oder ein doppeltes 3/2-Wegeventil sein, wobei die erste Zahl die Anzahl der Ein- oder Ausgänge des Ventils wiedergibt, und die zweite Zeile die Anzahl der möglichen Schaltstellungen des Ventils wiedergibt. Ebenso kann die Armatur eine andere erdenkliche Kombination aus Eingängen und Schaltstellungen aufweisen. Die Antriebseinrichtung kann elektrisch, magnetisch, hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch betätigt werden. Die Detektionseinrichtung kann eine direkte Überwachungseinheit zur Überwachung der Position eines Sperr- oder Regelelements in der Armatur sein, wobei die direkte Überwachung sowohl berührend, wie beispielsweise über einen Taster oder Kontakt, als auch berührungslos, wie beispielsweise durch Induktion oder optisch, durchgeführt werden kann. Ebenso kann die Überwachung der Position des Sperr- oder Regelelements indirekt durchgeführt werden, wie beispielsweise an einem Führungselement des Sperr- oder Regelelements. Die Detektionseinrichtung kann auch durch eine Druckerkennungseinheit gebildet sein. Die Druckerkennung kann beispielsweise durch ein Piezoelement oder elektromechanisches Element umgesetzt werden. Die Detektionseinrichtung kann auch die Antriebseinrichtung überwachen. Dann kann die Position eines beweglichen Elements in der Antriebseinrichtung überwacht werden, wenn die Position des beweglichen Elements in der Antriebseinrichtung einen direkten Rückschluss auf die Position des Absperrelements in der Armatur zulässt. Die Überwachung der Position des beweglichen Elements in der Antriebseinrichtung kann beispielsweise durch eine Auswertung des Stromflusses in einer Wicklung eines Motors der Antriebseinrichtung erfolgen, wenn der Motor elektrisch betätigt wird. Ebenso kann die Überwachungseinheit durch eine direkte oder indirekte Positionsüberwachungseinheit gebildet sein, wie beispielsweise einem Magnetfeldsensor, einem optischen Sensor oder einen Schalter.
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Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Ermittelns der tatsächlichen Schaltzeit zwischen dem Eingang, d. h. einem Empfang, des Steuersignals und der, durch das Betätigungssignal bewirkten Endstellung des Elements der Armatur umfassen. Dabei kann insbesondere die tatsächliche Schaltzeit durch eine Zeitmessung zwischen dem Zeitpunkt des Eingangs oder Empfangs des Steuersignals und dem Zeitpunkt des Erreichens der gewünschten Endstellung des Elements der Armatur ermittelt werden. Hierbei kann das Erreichen der gewünschten Endstellung durch eine Positionserkennung des Elements der Armatur, und/oder eine Ausgangsdruckerkennung eines Ausgangs der Armatur, und/oder eine Positionserkennung eines Elements einer Antriebseinrichtung der Armatur erfolgen. Das Erreichen der gewünschten Endlage des Elements der Armatur kann durch eine direkte berührende oder berührungslose Positionserkennung des Elements der Armatur, wie beispielsweise eine optische, magnetische, elektrische oder direkt berührende Detektion (beispielsweise mittels Schalter oder Taster) erkannt werden. Ebenso kann die Erkennung durch eine indirekte, berührende oder berührungslose Detektion durchgeführt werden, beispielsweise an einem unmittelbar mit dem Element der Armatur verbundenen Teil, wie einer Führungsstange oder einem Kraftübertragungsmittel. Durch eine Ermittlung des Drucks in einer zu überwachenden Zu- oder Ableitung der Armatur kann eine Durchführung des Schaltvorgangs ebenfalls überwacht werden. Diese Art der Überwachung lässt sich besonders einfach realisieren. Lässt ein Zustand der Antriebseinrichtung oder der, die Antriebseinrichtung versorgenden Leitungen, Rückschlüsse auf die Position des Elements in der Armatur zu, so ist eine Positionsüberwachung ebenfalls über die Antriebseinrichtung der Armatur möglich. Diese Erkennung ist dann direkt oder indirekt, berührend oder berührungslos möglich. Im Falle eines elektrischen Direktantriebs lässt sich besonders einfach der Stromfluss in den Leitungen dieses Direktantriebs messen. Lässt dieser Stromfluss Rückschlüsse auf die Position des Elements in der Armatur zu, so ist dadurch das Erreichen der gewünschten Endlage des Elements in der Armatur überwachbar. Die generierte Information kann in digitaler, also binärer Form oder analoger Form bereitgestellt werden. Für eine Erhöhung der Betriebssicherheit der Positionsüberwachung ist es möglich mehrere Ansätze zur Positionsüberwachung redundant einzusetzen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine präzise Bestimmung der Endposition des Sperr- oder Regelelementes der Armatur erfasst werden kann, so dass eine zuverlässige Messung der tatsächlichen Schaltzeit möglich ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Anpassens ein Vergleich des Toleranzbereichs und/oder der gewünschten Schaltzeit mit der tatsächlichen Schaltzeit erfolgen, und die veränderbare Verzögerungszeit entsprechend einem Ergebnis des Vergleichs angepasst werden. Bei einer solchen Ausführungsform kann die tatsächliche Schaltzeit erfasst werden und mit der gewünschten Schaltzeit vergleichen werden, die innerhalb des Toleranzbereichs liegen sollte. Ist die tatsächliche Schaltzeit länger als die maximal erwünschte Schaltzeit, ist also die obere Toleranzbereichsgrenze durch die tatsächliche Schaltzeit überschritten, sollte die veränderbare Verzögerungszeit verkürzt werden, damit die tatsächliche Schaltzeit für den nächsten Schaltvorgang wieder im Toleranzbereich liegt. Ist die tatsächliche Schaltzeit kürzer als die minimal erwünschte Schaltzeit, sollte die veränderbare Verzögerungszeit verlängert werden, damit für den nächsten Schaltvorgang die Schaltzeit wieder im Toleranzbereich liegt. Besteht der Toleranzbereich im Wesentlichen in einer Breite von Null Sekunden, d. h. soll ein einziger gewünschter Schaltzeitpunkt eingehalten werden, fallen die Toleranzbereichsobergrenze und die Toleranzbereichsuntergrenze zusammen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet eine sehr flexible und zugleich technisch sehr einfache Möglichkeit, die Schaltzeit der Armatur konstant innerhalb des Toleranzbereiches zu halten.
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Ferner kann das vorgestellte Verfahren einen Schritt des Bereitstellens einer Wartungsinformation umfassen. Die Wartungsinformation kann bereitgestellt werden, wenn im Schritt des Anpassens erkannt wurde, dass die veränderbare Verzögerungszeit außerhalb eines Verzögerungszeitintervalls liegt und somit nicht mehr ausreicht, um die Schaltzeit der Armatur konstant innerhalb des Toleranzbereichs zu halten. Befindet sich die tatsächliche Schaltzeit innerhalb des Toleranzbereichs, so kann ausgewertet werden, ob der Wert der Schaltzeit innerhalb der Grenzen der veränderbaren Verzögerungszeit noch Reserven aufweist. Diese Information kann Rückschlüsse auf eine eventuell bevorstehende Unmöglichkeit des Anpassens der Schaltzeit an die Umwelt-Erfordernisse geben. Ebenso kann ausgewertet werden, inwieweit eine vorhergehende Anpassung der veränderbaren Verzögerungszeit die tatsächliche Verzögerungszeit beim darauf folgenden Betätigen des Ventils beeinflusst hat. Sollte es nicht mehr möglich sein, oder bald nicht mehr möglich sein, durch Veränderungen der veränderbaren Verzögerungszeit die tatsächliche Schaltzeit innerhalb des Toleranzbereichs zu halten, so kann durch ein Bereitstellen einer Wartungsinformation für eine rechtzeitige Wartung der angesteuerten Armatur ausgelöst werden. Ein Bereitstellen der Wartungsinformation kann auch erfolgen, wenn die veränderbare Verzögerungszeit einen vorherbestimmten Minimal- oder Maximalwert Unter- oder überschreitet. Dieses Unter- oder Überschreiten des Minimalwertes bzw. Maximalwertes kann auf einen erhöhten oder erniedrigten Kraftaufwand zum Betätigen der Armatur hinweisen, der infolge des Verschleißes der Armatur eingetreten ist. Diese Information kann auch über eine Auswertung des Energiebedarfs der Antriebseinheit der Armatur ermittelt werden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Wartungszeitpunkte präzise bestimmt werden können, so dass eine manuelle Nachschau und Überprüfung des Zustands der Vorrichtung auf ein Minimum begrenzt werden kann.
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Eine Vorrichtung gemäß dem vorgestellten Ansatz kann eine Einheit zum Bereitstellen einer Wartungsinformation umfassen, wobei die Wartungsinformation bereitgestellt wird, wenn erkannt wurde, dass die veränderbare Verzögerungszeit außerhalb eines Verzögerungszeitintervalls liegt und somit nicht mehr ausreicht, um die Schaltzeit der Armatur innerhalb des Toleranzbereichs zu halten, wobei die Einrichtung zum Bereitstellen der Wartungsinformation ausgebildet sein kann, die Wartungsinformation in optischer Form und/oder elektronischer Form bereitzustellen. Die Einheit zum Bereitstellen der Wartungsinformation kann Informationen auswerten, die Auskunft darüber geben können, ob die angesteuerte Armatur nicht mehr in der Lage ist oder bald nicht mehr in der Lage sein wird, die tatsächliche Schaltzeit innerhalb der oberen und unteren Toleranzgrenze um eine gewünschte Schaltzeit zu halten. Wird beispielsweise durch die Einheit zum Bereitstellen der Wartungsinformation erkannt, dass die tatsächliche Schaltzeit einem Rand der Toleranzgrenze sehr nahe kommt, obwohl die veränderbare Verzögerungszeit nicht mehrverlängert oder verkürzt werden kann, um die tatsächliche Schaltzeit innerhalb des Toleranzbereichs zu halten, kann diese Wartungsinformation ausgegeben werden. Die Überwachung kann auch derart erfolgen, dass eine Folge von Schaltzyklen gemeinsam betrachtet wird und ein Trend einer Veränderung der Schaltzeiten ausgewertet wird um die Wartungsinformation zu generieren. Die Einheit zum Bereitstellen der Wartungsinformation kann die Wartungsinformation in optischer Form, beispielsweise über eine Signaleinheit, wie eine LED oder eine Farbwechselanzeige an einen Bediener übermitteln. Ebenso kann die Wartungsinformation über eine Steuerleitung, wie beispielsweise einen Bus, in elektronischer Form an eine Maschinensteuerung weitergegeben werden, um beispielsweise in einem Fehlerspeicher abgelegt zu werden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine von einem Benutzer schnell erkennbare Information oder eine maschinell auslesbare Information vorliegen, die eine möglichst schnelle Ausführung der Wartung der Vorrichtung unterstützen.
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Die vorgestellte Einheit zum Bereitstellen und/oder die Einheit zum Anpassen kann dazu ausgebildet sein, drahtlos zu kommunizieren. Um eine Nachrüstung einfacher durchführbar zu machen kann die Vorrichtung auf drahtlosem Weg Informationen zwischen Einheiten der Vorrichtung austauschen. Beispielsweise können Informationen über die Position der Sperr- oder Regeleinheit der Armatur durch eine Funkübertragung an die Auswerteeinheit weitergegeben werden. Ebenso kann beispielsweise die Wartungsinformation drahtlos an eine Maschinensteuerung übertragen werden. Dadurch kann viel Verdrahtungsaufwand vermieden werden, wodurch sich insbesondere bei Nachrüstungen die Kosten für die hier vorgestellte Lösung wesentlich senken lassen.
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Ferner kann die Vorrichtung eine Einheit zum Detektieren der durch das Betätigungssignal bewirkten Endstellung des Elements der Armatur umfassen, wobei die Einheit zum Detektieren ausgebildet sein kann, eine Position des Elements der Armatur und/oder einen Ausgangsdruck eines Ausgangs der Armatur und/oder eine Position eines Elements einer Antriebseinrichtung der Armatur zu detektieren. Sollte keine Information über die Position des Regel- oder Sperrelements von der Armatur bereitgestellt werden, so kann die Vorrichtung Signale von eigenen Positionssensoren verwenden. Dabei können die Positionssensoren die Position des Regel- oder Sperrelements der Armatur auf direktem oder indirektem, berührendem oder berührungslosem Weg aufnehmen. Ebenso ist es möglich, auf die Position des Regel- oder Sperrelements der Armatur implizit durch Auswertung des Druckverlaufs in einem oder mehreren der Anschlüsse der Armatur zu schließen. Die verwendeten Sensoren können beispielsweise Druckaufnehmer, Taster, elektrische Kontakte, Strom- oder Spannungsmessgeräte, sowie induktive Sensoren sein.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einer Vorrichtung, beispielsweise einem Computer, ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Armatur; und
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2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als Verfahren.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung eventuell unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweiten Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal/den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal/den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal/Schritt oder nur das zweite Merkmal/Schritt aufweist.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Armatur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine Steuerleitung 100, die auch als Ventilansteuerung, beispielsweise SPS oder Feldbuskoppler bezeichnet werden kann, ist an eine Armatur 102, beispielsweise ein Ventil mit konstanter Schaltzeit, angeschlossen. Die Armatur 102 weist eine Auswerteeinrichtung 104, einen Ventiltreiber 106, einen Ventilantrieb 108, beispielsweise ein Pilotventil, ein Hauptventil 110 und mehrere Positionssensoren 112, 114, 116 (beispielsweise eine Positionserkennung am Hauptventil 112, eine Ausgangsdruckerkennungseinheit 114 oder eine Positionserkennungseinheit über eine Stromkurve des Ventilantriebs 116) für eine Position des Sperr- oder Regelelements 118 der Armatur 102, sowie einen Ausgang 120 (beispielsweise eine Ausgangsdruckleitung oder einen Anschluss) auf. Dabei ist die Steuerleitung 100 mit der Auswerteeinrichtung 104 verbunden, die Auswerteeinrichtung 104 ist über eine Betätigungsleitung mit dem Ventiltreiber 106 verbunden, und dieser ist wiederum mit dem Ventilantrieb 108 verbunden. Der Ventilantrieb 108 ist mit dem Sperr- oder Regelstück 118 des Hauptventils 110 gekoppelt. Das Ventil 102 ist über mindestens einen Ausgang 120 mit der Umwelt verbunden. An dem Ausgang 120 befindet sich einer der möglichen Positionssensoren 112, 114, 116, in diesem Fall ein Drucksensor 114. Zwei weitere mögliche Sensoren 112, 116 befinden sich je direkt am Hauptventil 110 und am Ventilantrieb 108. Der Sensor 112 am Hauptventil 110 kann die Position des Sperr- oder Regelelements 118 der Armatur 102 direkt erfassen. Der Sensor 116 am Ventilantrieb 108 kann eine Bewegung des Sperr- oder Regelelements 118 indirekt, beispielsweise über eine Bewegung des Antriebs 108 wie einem Lagewinkelsensor für eine Antriebswelle ermitteln. Auch kann der Sensor 116 am Ventilantrieb Parameter der Energieversorgung des Antriebs 108 wie beispielsweise eine Motorstrom oder eine Motorspannung ermitteln und hieraus die Lage des Sperr- oder Regelelementes 118 bestimmen. Die Sensoren 112, 114, 116 sind mit der Auswerteeinrichtung 104 verbunden. Der Einbau von mehreren möglichen Sensoren 112, 114, 116, in diesem Beispiel drei Stück, dient einer Erhöhung der Redundanz und damit der Ausfallsicherheit des Systems. Der präsentierte Ansatz funktioniert ebenfalls mit nur einem der Sensoren 112, 114, 116. Die Auswerteeinrichtung 104, sowie der Ventiltreiber 106 können auch abgesetzt von der Armatur 102 installiert werden, falls ein geringes Platzangebot dies notwendig machen sollte. Ferner umfasst die Auswerteeinrichtung 104 eine Einheit 122 zum Bereitstellen des Betätigungssignals sowie eine Einheit 124 zum Anpassen der veränderbaren Verzögerungszeit. Diese beiden Einheiten werden nachfolgend noch näher erläutert.
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Über die Steuerleitung 100 empfängt die Auswerteeinrichtung 104 ein Steuersignal von einer Ventilsteuerung mit einer Information über eine gewünschte Stellung des Sperr- oder Regelstücks 118. Dabei kann das Steuersignal bereits um eine gewünschte Schaltzeit zeitlich vorversetzt sein, um zu ermöglichen, dass die Armatur 102 innerhalb eines Toleranzbereichs zum gewünschten Schaltzeitpunkt ihren Schaltzustand wechselt. In der Auswerteeinrichtung 104 wird nun in der Einheit 122 zum Bereitstellen ein Betätigungssignal nach einem Empfang des Steuersignals und einer Verzögerung durch die vorbestimmte Verzögerungszeit über die Betätigungsleitung an den Ventiltreiber 106 weiter gesandt. Der Ventiltreiber 106 leitet daraufhin die Aktivierung des Ventilantriebs 108 ein. Der Ventilantrieb 108 bewegt das Sperr- oder Regelstück 118 des Hauptventils 110 anschließend in die gewünschte Ventilstellung. Ist die gewünschte Ventilstellung erreicht, leiten die Positionssensoren 112, 114, 116 eine Information über die erreichte Position des Sperr- oder Regelstück 118 an die Auswerteeinrichtung 104 weiter. Diese ermittelt aus dem Zeitpunkt des Signaleingangs auf der Signalleitung 100 und dem Zeitpunkt des Eintreffens der Positionsmeldung, dass das Sperr- oder Regelstück die gewünschte Endstellung erreicht hat, die tatsächliche Schaltzeit. In einem weiteren Schritt kann in der Einheit 124 zum Anpassen in der Auswerteeinrichtung 104 die veränderbare Verzögerungszeit entsprechend einem Vergleich von tatsächlicher Schaltzeit und gewünschter Schaltzeit verändert werden. Im Falle eines erneuten Empfangens eines neuen Steuersignals über die Steuerleitung 100 verzögert die Auswerteeinrichtung 104 die Weitergabe des Betätigungssignals an den Ventiltreiber 106 um die, im Schritt des Anpassens veränderte Verzögerungszeit. Damit ist es möglich, auch unter veränderlichen Bedingungen die Schaltzeiten der Armatur 102 innerhalb eines kleinen Toleranzbereichs oder bei einer exakt definierten Schaltzeit zu halten. Besonders langfristige Veränderungen, wie Verschleiß und Veränderungen im Schmierstoff können so die Schaltzeit der Armatur 102 nicht mehr beeinflussen.
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Die Ansteuerung eines Ventils 102 erfolgt über die Steuerung, der Ventiltreiber 106 kann direkt im Ventil 102 oder in einem vorgeladerten Teil wie z. B. Grundplatte oder Feldbusanschaltung liegen. Zwischen dem Ventiltreiber 106 und der Ventilansteuerung 100 ist eine Auswerteeinheit 104 notwendig, die die Eingangssignale, das Ansteuersignal und das Signal der Positionserkennung 112, 116, bzw. Arbeitsdruckaufnahme 114 erhält und den Ventiltreiber 106 ansteuert. Die Ansteuerung des Ventiltreibers 106 durch die Auswerteeinheit 104 wird um eine Anfangszeit x verzögert, die die veränderbare Verzögerungszeit bildet. Verlängert oder verkürzt sich über die Lebenszeit oder durch externe Einflüsse die Schaltzeit des Hauptventils 110, so wird die Verzögerung entsprechend angepasst, dass die Schaltzeit ab, d. h. zwischen Ansteuerung und Arbeitsdruckaufbau konstant bleibt. Dieser Wert wird in der Auswerteeinheit 104 gespeichert, so dass der Wert beispielsweise auch nach einer Spannungsunterbrechung präsent ist.
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Zusammenfassend ist daher in dem Ausführungsbeispiel aus der 1 ein Ventil 102 für konstante Schaltzeiten gezeigt, welches mittels einer Auswerteeinheit 104 über einen Ventiltreiber 106 einen Ventilantrieb 108 ansteuert, der wiederum ein Hauptventil 110 betätigt, welches über eine Schalterkennung 112, 114, 116 überwacht wird und mit deren Informationen die Auswerteeinheit 104 das Ansteuer- oder Betätigungssignal von der Ventilansteuerung 100 anpassen kann. Die Einheiten 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 120 sind beispielsweise in einem Gehäuse untergebracht oder einfach zu kombinierende Module. Je nach Lösungsansatz können einzelne Einheiten weggelassen werden. So ist es nicht unbedingt notwendig eine Positionserkennung 112 und eine Drucksensorik 114 parallel einzusetzen. Auch kann gegebenenfalls auf die Einheit zur Positionserkennung 112 und die Drucksensorik 114 verzichtet werden, wenn die Ventilposition mittels eines Sensors 116 aus dem Stromverlauf des Ventilantriebs 108 direkt erkennbar ist. Die Einheiten 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 120 sind mechanisch und elektrisch miteinander verbunden, wobei die elektrische Verbindung auch kontaktlos, beispielsweise durch eine Funkverbindung ausgeführt sein kann. Die Auswerteeinheit 104 kann eine Information an die Ventilansteuerung 100 senden, dass eine Schaltzeitkompensation demnächst oder nicht mehr möglich ist. Dies kann als eine Realisierung einer vorbeugenden Wartung aufgefasst werden. Die Auswerteeinheit 104 kann durch Verwendung einer visuellen Information anzeigen, beispielsweise mittels einer LED, dass eine Schaltzeitkompensation nicht mehr möglich ist oder demnächst nicht mehr möglich ist. Die Einheit zur Positionserkennung 112 des Hauptventils 110 kann analog oder binär oder seriell mit der Auswerteeinheit 104 kommunizieren. Die Einheit zur Ausgangsdruckerkennung 114 kann ein Piezoelement oder ein elektromechanisches Element wie beispielsweise ein Druckschalter sein oder ein solches aufweisen, so dass die Daten analog oder binär oder seriell an die Auswerteeinheit 104 übergeben werden können. Das Hauptventil 110 ist beispielsweise ein vorstehend beschriebenes 2/2-, ein 5/2-, ein 5/3-, ein 5/4-, ein 3/2-, oder ein doppeltes 3/2-Wegeventil, wobei die erste Zahl die Anzahl der Ein- oder Ausgänge des Ventils wiedergibt, und die zweite Zeile die Anzahl der möglichen Schaltstellungen des Ventils wiedergibt. Die Funktion der Kompensation und der Meldeschwelle kann durch Parameter über die Ventilansteuerung 100 angepasst oder deaktiviert beziehungsweise aktiviert werden. Das Signal der Einheit zur Arbeitsdruckerkennung 114 oder zur Positionserkennung 112, 116 kann als Diagnoseinformation von der Auswerteeinheit 104 an die Ventilsteuerung 100 übergeben werden. Damit auch Ersatzventile bei Auslieferung immer dieselben Schaltzeiten haben, kann eine Voreinstellung als Werksvoreinstellung in der Produktion vorgenommen werden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als Verfahren 200. Das beispielhaft dargestellte Verfahren 200 umfasst einen Schritt des Bereitstellens 210 eines zeitverzögerten Betätigungssignals, einen Schritt des Ermittelns 220 einer tatsächlichen Schaltzeit, einen Schritt des Anpassens 230 einer veränderbaren Verzögerungszeit und einen Schritt des Bereitstellens 240 einer Wartungsinformation.
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Das Verfahren 200 wird durch den Empfang eines Steuersignals von einer Steuerung eingeleitet, die Signale an die Armatur senden kann. Auf den Empfang des Steuersignals folgend wird im Schritt des Bereitstellens 210 das Steuersignal um eine Verzögerungszeit verzögert, wobei diese Verzögerungszeit definierbar verändert werden kann, wies es nachfolgend noch näher beschrieben wird. Nach Ablauf der veränderbaren Verzögerungszeit wird im Schritt des Bereitstellens 210 das gegenüber dem Steuersignal zeitverzögerte Betätigungssignal an eine Antriebseinrichtung der Armatur gesandt. Nach Betätigung der Armatur durch die Antriebseinrichtung der Armatur, die eine Positionsveränderung eines beweglichen Elements der Armatur und damit eine Änderung des Fluidstroms durch die Armatur bewirkt, wird das Erreichen eines Endpunkts der Bewegung durch eine oder mehrere Positionsfeststellungs-einrichtungen festgestellt. Aus dem Zeitpunkt des Eingangs des Steuersignals und dem Zeitpunkt der Feststellung, dass das Sperr- oder Regelelement in der Armatur seine gewünschte Endposition erreicht hat, wird im Schritt des Ermittelns 200 die tatsächliche Schaltzeit ermittelt.
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Im Schritt des Anpassens 230 wird die veränderbare Verzögerungszeit angepasst, ausgehend von einem Ergebnis eines Vergleichs der gewünschten Schaltzeit mit der im Schritt des Ermittelns 220 gemessenen tatsächlichen Schaltzeit. Dazu wird bestimmt, inwieweit, oder ob die tatsächliche Schaltzeit entweder eine untere Toleranzgrenze des Toleranzbereichs unterschreitet oder eine obere Toleranzgrenze des Toleranzbereichs überschreitet. Überschreitet die tatsächliche Schaltzeit die obere Toleranzgrenze, so wird die Differenz zwischen der tatsächlichen Schaltzeit und der oberen Toleranzbereichsgrenze von der aktuell verwendeten Verzögerungszeit abgezogen und die Verzögerungszeit hierdurch verändert, d. h. verkleinert. Dadurch wird beim Empfangen des nächsten Steuersignals im Schritt des Bereitstellens 210 das Bereitstellungssignal um den bestimmten Differenz-Zeitwert der Überschreitung früher bereitgestellt.
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Unterschreitet die tatsächliche Schaltzeit die untere Toleranzgrenze, so wird der die Differenz zwischen der unteren Toleranzbereichsgrenze und der tatsächlichen Schaltzeit zu der aktuell verwendeten Verzögerungszeit hinzu addiert und hierdurch die Verzögerungszeit ebenfalls verändert, d. h. vergrößert. Dadurch wird beim Empfangen des nächsten Steuersignals im Schritt des Bereitstellens 210 das Bereitstellungssignal um den Differenz-Zeitwert der Unterschreitung später bereitgestellt. Liegt die tatsächliche Schaltzeit im Toleranzbereich, so wird die aktuell verwendete Verzögerungszeit nicht verändert.
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Unter- oder überschreitet die resultierende veränderbare Verzögerungszeit vorbestimmte Grenzen, so wird im Schritt des Bereitstellens 240 eine Wartungsinformation bereitgestellt. Die Wartungsinformation kann an eine Steuerung weitergegeben werden, um eine notwendige oder bevorstehend notwendige Wartung zu signalisieren. Die Wartungsinformation kann ebenso über eine Signaleinrichtung, die beispielsweise eine lichtemittierende Anzeige sein kann, ausgegeben werden, um die Aufmerksamkeit eines Bedieners auf die notwendige oder bevorstehend notwendige Wartung zu lenken.
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Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Steuerleitung, Ventilansteuerung, SPS, Feldbusmodul
- 102
- Armatur, Ventil für konstante Schaltzeiten
- 104
- Auswerteeinrichtung, Auswerteeinheit
- 106
- Ventiltreiber
- 108
- Ventilantrieb, Pilotventil
- 110
- Hauptventil
- 112
- Positionssensor, Positionserkennung Hauptventil, Schalterkennung
- 114
- Positionssensor, Einheit zur Ausgangsdruckerkennung, Drucksensor, Einheit zur Arbeitsdruckaufnahme, Einheit zur Schalterkennung, Drucksensorik
- 116
- Positionssensor, Einheit zur Positionserkennung über Stromkurve des Ventilantriebs, Einheit zur Schalterkennung, Sensor für den Stromverlauf
- 118
- Sperr- oder Regelelement, Sperr- oder Regelstück
- 120
- Ausgang, Ausgangsdruckleitung, Anschluss
- 122
- Einheit zum Bereitstellens eines zeitverzögerten Betätigungssignals
- 124
- Einheit zum Anpassen einer veränderbaren Verzögerungszeit
- 200
- Verfahren zur Ansteuerung einer Armatur
- 210
- Schritt des Bereitstellens eines zeitverzögerten Betätigungssignals
- 220
- Schritt des Ermittelns einer tatsächlichen Schaltzeit
- 230
- Schritt des Anpassens einer veränderbaren Verzögerungszeit
- 240
- Schritt des Bereitstellens einer Wartungsinformation
