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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung und Steuerung von Prozessen.
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In der Automatisierung verfahrenstechnischer Prozesse kommen Mikrocontroller-basierte Mess-, Steuer- und Regelgeräte zum Einsatz. Aus wirtschaftlichen Erwägungen kommt, neben der bestimmungsgemäßen Grundfunktion, der automatisierten, optimalen Anpassung an den Prozess eine wachsende Bedeutung zu. Ein weitverbreitetes Regelgerät für verfahrenstechnische Prozesse ist der elektropneumatische Stellungsregler zur kontinuierlichen Beeinflussung von Fluidströmen mittels eines Prozessventils bzw. Stellventils. Dieser Stellungsregler ist im Allgemeinen kaskadenförmig in einen übergeordneten Prozessregelkreis eingebunden und übernimmt dabei die Rolle des unterlagerten Hilfsreglers. Der überlagerte Prozessregler steuert den unterlagerten Stellungsregler, welcher wiederum mittels des Stellventils den zu regelnden Prozess beeinflusst. Die Rückführung des Prozessistwerts mithilfe des Prozess-Sensors schließt den überlagerten Prozessregelkreis. Aus unterschiedlichen Gründen kommt beim zu regelnden Prozess häufig eine nichtlineare Betriebskennlinie vor, die beim Einsatz eines zumeist linearen PID-Prozessreglers zu einer Verminderung der Regelgüte führt. Durch Linearisierung der Betriebskennlinie mittels einer Korrekturkennlinie kann eine Verbesserung erzielt werden. Als Korrekturkennlinien werden fest vorgegebene (gleichprozentig 1:25, 1:50, ...) oder über Wertepaare parametrierbare Kennlinienformen angeboten. Bei Letzteren erfolgt die manuelle Eingabe von Wertepaaren. Nachteilig an den bekannten Verfahren ist jedoch, dass die Linearisierung nur näherungsweise auf Basis vorgegebener Kennlinienformen erfolgt oder eine aufwendige manuelle Ermittlung einer freien Korrekturkennlinie notwendig ist. Dies wiederum hat eine verminderte Regelgüte zur Folge aufgrund der mangelhaften oder fehlenden Linearisierung. Wenn ferner im Regelkreis ein falsch dimensioniertes Prozessventil verwendet wird, wird der Prozessregelkreis bei der Linearisierung nur scheinbar optimiert, obwohl kein optimales Ergebnis erreicht werden kann.
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Die vorstehende Problematik ist beispielsweise aus der
DE 698 20 469 T2 bekannt. Gattungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren sind auch aus der
DE 37 17 555 A1 bekannt.
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Aus der
DE 10 2007 001 186 B4 ist bekannt, dass Aktoren zur Steuerung von Prozessen nichtlineares Verhalten aufweisen können. Zur Kompensation wird daher eine Kompensation mittels inverser Steuerung vorgeschlagen. Dies erfordert eine Synthese des Kompensators, die im Wesentlichen auf einer Invertierung des Aktormodells beruht. Somit werden korrigierte Stellungswerte zum Kompensieren von Nicht-Linearitäten des Prozesses berechnet.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Prozesses bereitzustellen, die eine Kompensierung von Nicht-Linearitäten ermöglicht.
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Die Aufgabe wird mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 3 gelöst.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Prozesses unter Verwendung einer Stelleinrichtung, eines Positionssensors, eines Prozessventils, eines Prozess-Sensors und einer Abstimmstufe bereitgestellt.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren für den Fall der Regelung näher beschrieben. Dann umfasst das Verfahren zusätzlich einen Prozessregler und einen Stellungsregler, wobei der Prozessregler und der Stellungsregler zu einem Prozessregelgerät zusammengefasst sein können.
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Der Prozessregler gibt kontinuierlich einen Stellungssollwert an den Stellungsregler aus, wobei der Stellungssollwert mit einer Stellung des Prozessventils korreliert. Dabei liegt der Stellungssollwert in einem Bereich, der einer Ventilstellung zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen entspricht. Ein entsprechender Sensor (bspw. Positionssensor) kann dann die Stellungsistwerte des Prozessventils erfassen und ausgeben. Ein Prozess-Sensor erfasst einen Prozessistwert PV, der zum Prozessregler zurückgeführt wird. Der Prozess-Sensor kann beispielsweise ein Temperaturfühler Pt100 sein, dessen Ausgangssignal direkt zum Prozessregler geführt wird. Alternativ kann der Prozess-Sensor aber auch einen Transmitter umfassen, der ein umgewandeltes bzw. normiertes Sensorsignal an den Prozessregler weiterleitet. Typische Prozess-Sensoren messen eine physikalische Größe eines Mediums, wie Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert oder Leitfähigkeit. Mit den Stellungsistwerten des Prozessventils und den Prozessistwerten können dann korrigierte Stellungssollwerte bestimmt werden, mit denen der Prozess linearisiert wird. Aufgrund meist nichtlinearer Zusammenhänge zwischen Prozessventilstellung und Prozessistwert wird der vom Prozessregler generierte Stellungssollwert also mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem korrigierten Stellungssollwert angepasst. Dadurch erfolgt eine Linearisierung des jeweiligen Prozesses.
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Hierbei werden zunächst der Stellungsregelkreis und der Prozess sowie der Prozess-Sensor mit einer Abstimmstufe verbunden, wobei der übergeordnete Prozessregelkreis damit unterbrochen ist. Die Abstimmstufe gibt (automatisch) n Stellungssollwerte an den Stellungsregler aus. Diese n Stellungssollwerte decken einen Bereich von einer geschlossenen bis zu einer geöffneten Stellung des Prozessventils ab. So dann wird der zu jedem Stellungsistwert gehörende Prozessistwert mittels Prozess-Sensor erfasst, um dadurch n Wertepaare von Stellungsistwerten und Prozessistwerten zu erhalten. Die erfassten n Wertepaare werden für den Prozessregler bereitgestellt.
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Die Abstimmstufe kann auch so ausgestaltet sein, dass eine komplette Korrekturkennlinie basierend auf den n Paaren von Stellungsistwerten und Prozessistwerten berechnet wird.
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Nachdem diese n Wertepaare bestimmt sind, wird der Stellungsregelkreis, Prozess und Prozess-Sensor mit dem Prozessregler zum Prozessregelkreis geschlossen. Im Prozessregler oder der Abstimmstufe werden Korrekturwerte (Korrekturkennlinie) basierend auf den ermittelten Wertepaaren von Stellungsistwerten und Prozessistwerten bestimmt, so dass mit den Korrekturwerten unmittelbar am Prozessregler korrigierte Stellungssollwerte berechnet werden können. Die korrigierten Stellungssollwerte dienen dann dazu, die Nicht-Linearitäten des Prozesses zu kompensieren, sodass ein lineares Gesamtverhalten erreicht wird. Im Unterschied zu herkömmlichen Prozessregelkreisen erfolgt so die Korrektur aller Nicht-Linearitäten des Regelkreises automatisch und auf ein Mal und zwar unmittelbar am Prozessregler. Dadurch wird die Gesamtregelgüte erhöht. Der Korrekturvorgang kann bei Änderungen des Prozesses oder Änderungen oder Austausch von Komponenten des Prozessregelkreises erneut durchgeführt werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist im Fall der Prozessregelung der Stellungsregler Bestandteil eines Stellungsregelkreises. Dieser umfasst den Stellungsregler, ein Stellsystem, das Prozessventil (beispielsweise Stetigventil) und einen Positionssensor, die als Stellungsregelkreis in einer geschlossenen Schleife aufgebaut sind. Dabei wird über den Positionssensor beispielsweise die aktuelle Stellung (also der Stellungsistwert) des pneumatischen Antriebs des Prozessventils erfasst. Der Stellungs-Istwert wird vom Stellungsregler mit dem als Normsignal vorgegebenen Stellungssollwert verglichen. Liegt eine Regeldifferenz vor, wird diese ausgeglichen, indem über das Stellsystem der Antrieb be- und entlüftet wird. Auf diese Weise wird die Stellung des Antriebs bis zur Regeldifferenz null verändert. Der Stellungsregelkreis ist ferner in einen Prozessregelkreis integriert und wird so zum untergeordneten Hilfsregelkreis. Es ergibt sich dadurch eine sogenannte Kaskadenregelung. Der Prozessregelkreis umfasst dann beispielsweise den Prozessregler, den Stellungsregelkreis, den Prozess, von welchem eine Prozessgröße bzw. ein Prozessparameter beispielsweise mittels des Prozess-Sensors an den Prozessregler zurückgeführt wird. Liegt eine Regeldifferenz zwischen der Prozessgröße und dem Prozesssollwert vor, so wird diese im Prozessregelkreis ausgeglichen. Der Prozessregelkreis ist in dieser Situation der Hauptregelkreis. Der Prozessregler im Prozessregelkreis kann beispielsweise eine PID-Funktion (Proportional Integral Derivative Controller; Regler mit Proportionalglied, Integrierglied und Differenzbildung) haben. Als Sollwert wird der Prozesssollwert vorgegeben. Über Sensoren und ggf. Transmitter wird der Prozessistwert erfasst. Dieser Prozessistwert wird vom Prozessregler mit dem von ihm vorgegebenen Sollwert verglichen. Liegt eine Regeldifferenz vor, wird der Stellungssollwert für den Stellungsregler verändert, so dass über das Stellsystem der Antrieb des Prozessventils eingestellt wird bis sich im Idealfall im Prozessregelkreis die Regeldifferenz null ergibt.
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Vorteilhafterweise wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung beim Bestimmen von korrigierten Stellungssollwerten basierend auf den ermittelten Wertepaaren von Stellungsistwerten und Prozessistwerten so gleich eine vollständige Korrekturkennlinie ermittelt. Dem Fachmann sind verschiedene Algorithmen bekannt, die zur Linearisierung genutzt werden können. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung erfolgt also eine Transformation der ermittelten Wertepaare von Stellungsistwerten und Prozessistwerten in eine entsprechende Korrekturkennlinie in der Weise, dass die Hintereinanderschaltung von Korrektur- und Prozesskennlinie zu einem linearen Gesamtverhalten führt. Dadurch können alle Stellungssollwerte im Hinblick auf eine optimale Linearität korrigiert werden, was eine Verbesserung der Regelgüte zur Folge hat.
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Darüber hinaus kann erfindungsgemäß eine Analyse der erfassten Stellungsistwert und Prozessistwerte Wertepaare (POS/PV), und/oder der damit ermittelten Korrekturkennlinie erfolgen. Beispielsweise können das Verhältnis von korrigierten Stellungssollwerten und nicht korrigierten Stellungssollwerten oder die Maximal- und/oder Minimalwerte der Prozessistwerte daraufhin untersucht werden, ob sie innerhalb bestimmter Grenzen liegen. Dies kann zur Bewertung der Eigenschaften des Prozessventils genutzt werden. Hierbei kommen insbesondere die Dimensionierungsaspekte des Prozessventils, wie Durchflusskennwert und Regelcharakteristik in Betracht. Die Regelcharakteristik kann beispielsweise durch die Geometrie eines Drosselkörpers im Prozessventil beeinflusst werden. Das Ergebnis der Analyse und Bewertung der automatisch ermittelten Korrekturkennlinie kann dann beispielsweise an den Nutzer zurückgemeldet werden, um Fehler bei der Dimensionierung des Prozessregelkreises zu vermeiden bzw. zu beheben.
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Die Erfindung stellt ebenfalls eine Vorrichtung, beispielsweise ein Prozessregelgerät mit integriertem Prozess- und Stellungsregler, zum Regeln eines Prozesses bereit. Weiter sind ein Stellsystem und ein Positionssensor vorgesehen. Der Prozessregler empfängt im Normalbetrieb einen Prozesssollwert und einen mittels Prozess-Sensor erfassten Prozessistwert, wobei der Prozessistwert mit einer Ventilstellung korreliert. Aus dem Prozesssollwert und dem Prozessistwert ermittelt der Prozessregler einen Stellungssollwert, der an den Stellungsregler ausgegeben wird. Der Stellungsregler erhält außerdem einen Stellungs-Istwert, der ihm vom Positionssensor ausgegeben wird, der wiederum mit dem Prozessventil gekoppelt ist. Aus dem Stellungssollwert und dem Stellungsistwert ermittelt der Stellungsregler Ansteuerwerte, die an das Stellsystem weitergegeben werden, welches wiederum an das Prozessventil gekoppelt ist. Entsprechend der Regeldifferenz zwischen Stellungssollwert und Stellungsistwert kann dann vom Stellsystem eine Be- bzw. Entlüftung des Prozessventils durchgeführt werden.
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Die Vorrichtung umfasst weiter eine Abstimmstufe die mittels Paaren von Stellungsistwerten und Prozessistwerten Korrekturwerte zur Bildung von korrigierten Stellungssollwerten bestimmen kann, um so eine Linearisierung des jeweiligen Prozesses zu erreichen.
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Ferner kann die Abstimmstufe eingerichtet sein um ihrerseits Stellungssollwerte auszugeben, die Stellungsistwerten des Prozessventils entsprechen. Insbesondere können die so angefahrenen Stellungsistwerte von einer geschlossenen bis zu einer geöffneten Stellung des Prozessventils reichen.
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Vorteilhafterweise ist eine Umschaltvorrichtung vorgesehen, um entweder die Stellungssollwerte von der Abstimmstufe an den Stellungsregler auszugeben, oder korrigierte Stellungssollwerte vom Prozessregler an den Stellungsregler auszugeben.
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Die korrigierten Stellungssollwerte werden dann vom Prozessregler ausgegeben. Mit anderen Worten erfolgt die Korrektur der Nicht-Linearität des Prozesses im oder unmittelbar am Prozessregler. Dort kann eine Korrekturkennlinie (Korrekturwerte) gespeichert sein, mit der zum jeweiligen Stellungssollwert ein korrigierter Stellungssollwert berechnet wird. Wird die Korrekturkennlinie gespeichert, kann diese bei Änderungen am System (Änderungen des Prozesses oder Komponenten der Regelkreise (Hilfs- oder Hauptregelkreis)) angepasst werden, indem der Abstimmvorgang mit der Abstimmstufe erneut durchgeführt wird. Liegen eine Vielzahl von Prozessregelkreisen vor, können diese erfindungsgemäß autonom oder auf Veranlassung bei Änderungen von Systemparametern die Korrekturkennlinien anpassen und jeder Regelkreis für sich eine Optimierung der Regelgüte durch Linearisierung erreichen. Gleichzeitig können Fehler bei der Ventildimensionierung oder auch andere Fehler zurückgemeldet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich in analoger Weise zum Steuern von Prozessen angewendet werden. Dann entfällt der Prozessregler. Ebenfalls kann das Verfahren die Korrekturkennlinie ohne Verwendung eines Stellungsreglers ermitteln. Hierbei werden, bspw. zeitgesteuert, zunächst n Stellungen im Prozessventil angefahren, die anschließend von einem Positionssensor erfasst werden. Zu jeder Stellung des Prozessventils werden die Prozessistwerte mittels Prozess-Sensor erfasst und n Wertepaare aus Stellungsistwert (POS) und Prozessistwert (PV) gebildet, welche an die Abstimmstufe übermittelt werden. Das weitere Verfahren ist identisch, wie oben für den Regelungsfall beschrieben.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren deutlich, wobei
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1 ein Diagramm eines Prozessregelkreises gemäß dem Stand der Technik zeigt,
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2 ein vereinfachtes Diagramm eines Stellungsregelkreises gemäß dem Stand der Technik zeigt,
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3 einen Prozessregelkreis mit integriertem Stellungsregelkreis gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung zeigt,
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4 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Analyse der Korrekturkennlinie zeigt,
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5 ein vereinfachtes Diagramm eines optimierten Prozessregelkreises gemäß Aspekten der Erfindung zeigt, und
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6 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt.
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1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Prozessregelkreises 1 gemäß dem Stand der Technik. Der Prozessregelkreis 1 umfasst einen Prozessregler 2, einen Stellungsregelkreis 3, den Prozess 4 und einen Prozess-Sensor 5. Der Prozesssollwert SP wird von einer Stufe 6 vorgegeben. Die Prozessgröße PV wird vom Prozess abgeleitet und entspricht dem Prozessistwert. Die Abweichung zwischen dem Prozesssollwert SP und dem Prozessistwert PV ist die Regeldifferenz Xd2. Die Regeldifferenz Xd2 wird an den Prozessregler 2 gegeben, welcher einen darauf basierenden Stellungssollwert CMD an den Stellungsregelkreis 3 ausgibt. Der Stellungsregelkreis wirkt mittels der Ventilöffnung auf den Prozess 4 und damit auf den Prozessistwert PV ein. Der aktuelle Prozessistwert PV wird vom Prozess 4 abgeleitet, vom Prozess-Sensor 5 erfasst und auf den Eingang des Prozessreglers 2 zurückgeführt. Der Prozess-Sensor kann direkt Signale an den Prozessregler 2 übermitteln oder über einen Transmitter. Der Prozessregler 2 im Prozessregelkreis 1 (Hauptregelkreis) kann in diesem Ausführungsbeispiel eine PID-Funktion haben. Insgesamt wird die Regeldifferenz XD2 durch den Regelkreis minimiert. Z2 repräsentiert eine Störgröße.
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2 zeigt einen Stellungsregelkreis 3 gemäß dem Stand der Technik, wie er auch erfindungsgemäß eingesetzt werden kann. Beim Stellungsregelkreis 3 handelt es sich um einen Hilfsregelkreis, wie er im Prozessregelkreis 1 gemäß 1 Verwendung findet. Der Stellungsregelkreis 3 umfasst einen Stellungsregler 7, welcher beispielsweise auch ein Stellsystem für ein bestimmtes Prozessventil aufweisen kann. Der Stellungsregler 7 gibt ein Steuersignal SC an den Antrieb des Prozessventils 8 aus. Hierdurch ergibt sich eine bestimmte Ventilöffnung des Prozessventils B. Mittels eines Positionssensors 9 kann der Stellungsistwert POS des Antriebs des Prozessventils 8 ermittelt werden. Dieser Stellungsistwert POS wird mit dem von außen vom Prozessregler 2 vorgegebenen Stellungssollwert CMD verglichen. So wird eine Regeldifferenz Xd1 ermittelt, welche wiederum vom Stellungsregler 7 in ein entsprechendes Steuersignal SC für das Prozessventil 8 umgewandelt wird.
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Insgesamt ergibt sich so eine kaskadenförmige Konfiguration eines Prozessregelkreises 1 mit einem Stellungsregelkreis 3, wie sie auch gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
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3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der Prozessregelkreis umfasst wiederum den Prozessregler 20, der gemäß den Aspekten der Erfindung abgewandelt bzw. ergänzt ist. Weiter ist im Prozessregelkreis der Stellungsregelkreis als Hilfsregelkreis 3 vorgesehen, welcher mit dem Prozess 4 gekoppelt ist. Vom Prozess 4 wird mittels eines Prozess-Sensors 10 ein Prozessistwert PV erfasst. PV wird zurück zum Prozessregler 20 geleitet, wo er mit dem Prozesssollwert SP verglichen und eine Regelungsdifferenz Xd2 bestimmt wird.
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Gemäß den Ausgestaltungen der Erfindung ist nun jedoch zusätzlich eine Umschaltvorrichtung SW vorgesehen, welche den Prozessregler 20 vom Stellungsregelkreis 3 bzw. vom Stellungsregler 7 trennen kann. Hierzu weist die Umschaltvorrichtung zwei Schalterstellungen 1a und 2a auf. In der Position 1a ist der Prozessregelkreis geschlossen und die Prozessregelung erfolgt mit den korrigierten Stellungssollwerten CMD*. in der Position 2a, wird der Abstimmvorgang mittel der Abstimmstufe 11 durchgeführt. Anstelle des Prozessreglers 20 kann dann die Abstimmstufe 11 eine Anzahl von bspw. n Stellungssollwerten CMD an den Stellungsregelkreis ausgeben. Dieser Vorgang kann beispielsweise zu Beginn bzw. nach dem Einrichten und Aufbauen des Prozessregelkreises erfolgen. Der Vorgang kann jedoch auch in regelmäßigen Abständen wiederholt werden. Die n Stellungssollwerte CMD, die von der Abstimmstufe 11 ausgegeben werden, überstreichen dabei einen Bereich, der von einer geöffneten Stellung des Prozessventils 8 bis zu einer geschlossenen Stellung des Prozessventils 8 reicht. Zu jedem der n Stellungssollwerte CMD, der von der Abstimmstufe 11 ausgegeben wird, wird beim Prozess 4 eine Prozessgröße bzw. ein Prozessistwert PV mittels des Prozess-Sensors 10 erfasst. Aus den Stellungsistwerten POS und den dazugehörenden Prozessistwerten PV werden n Paare (POS/PV) gebildet. Die Abstimmstufe 11 ist weiter dazu eingerichtet, aus diesen n Wertepaaren (POS/PV) Korrekturwerte zu berechnen, mit denen korrigierte Stellungssollwerte CMD* berechnet werden können. In einer einfachen abstrakten Darstellung sind diese Korrekturwerte die Quotienten aus dem korrigierten Stellungssollwert CMD* und dem nicht korrigierten Stellungssollwert CMD, also CMD*/CMD. Werden bspw. im Prozessregler 20 die Stellungssollwerte CMD mit diesem Quotienten CMD*/CMD multipliziert, ergeben sich die korrigierten Stellungssollwerte CMD*.
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Die Abstimmstufe 11 kann eingerichtet sein, um eine komplette Korrekturkennlinie basierend auf den Wertepaaren CMD, PV zu bestimmen, die die Nicht-Linearitäten des Prozesses 4 inklusive aller weiteren nicht-linearen Einflüsse (Stellungsregelkreis, Prozessventil, Positionssensor, Prozess-Sensorsignale etc.) kompensiert. Wenn die vollständige Korrekturkennlinie berechnet ist, gibt die Abstimmstufe 11 den Parametersatz KOR, also die aus den erfassten Wertepaaren berechneten Korrekturwerte, an den Prozessregler 20 aus. Alternativ kann die Abstimmstufe 11 auch Signale KOR ausgeben. Dafür muss die Abstimmstufe 11 die Stellungssollwerte CMD erhalten. Dies ist in 3 als zusätzliche gestrichelte Linie eingezeichnet. Die Korrekturkennlinie kann auch in Form von Parametern vorliegen. Der Prozessregler 20 wird nun entsprechend der Korrekturkennlinie angepasst, sodass sich die neuen Stellungssollwerte CMD* ergeben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine Korrekturstufe 12 vorgesehen, die dem herkömmlichen Prozessregler 2 nachgeschaltet ist. Die Korrekturwerte (bspw. CMD*/CMD) bzw. die vollständige Korrekturkennlinie und/oder deren Parameter werden in der Korrekturstufe abgelegt (gespeichert). Die unkorrigierten Stellungssollwerte CMD werden in der Korrekturstufe 12 in korrigierte Stellungssollwerte CMD* umgewandelt. Hierdurch wird die gesamte Prozessregelung linearisiert. Die Korrektur der Stellungssollwerte bzw. die Linearisierung erfolgt hierbei unmittelbar im bzw. am Prozessregler.
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Sobald der Abstimmvorgang mittels der Abstimmstufe 11 abgeschlossen ist, wird der Prozessregler 20 wieder mit dem Stellungsregelkreis 3 gekoppelt (Schalterposition 1a), sodass sich der Prozessregelkreis für den Normalbetrieb wieder schließt und nun mit den korrigierten Stellungssollwerten CMD* arbeitet.
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Die Abstimmstufe ist ferner eingerichtet, um die erfassten Prozessistwerte PV, und die zugehörigen Stellungsistwerte POS als Wertepaare, oder die Korrekturwerte KOR in Kombination oder im Verhältnis zueinander auf bestimmte Kriterien zu untersuchen (Analyse) und daraus abzuleiten, ob bspw. das Prozessventil 8 die richtigen Dimensionen hat. Falls bei dieser Analyse ein Fehler erkannt wird, kann dieser über eine Ausgabe 21 gemeldet werden. Hierbei kann es sich um einen Bus oder Display handeln. Ein Fehler kann bspw. dadurch erkannt werden, dass die Prozessistwerte für bestimmte Stellungsistwerte einen vorgegebenen Normbereich überschreiten. Dabei könnten bspw. Minimalwerte und Maximalwerte untersucht werden. Diese Analyse kann auch mit den Korrekturwerten KOR bzw. der Korrekturkennlinie oder davon abgeleiteten Parametern erfolgen.
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4 zeigt ein Diagramm in dem die korrigierten Stellungssollwerte CMD* als Funktion der nicht korrigierten Stellungssollwerte CMD für unterschiedliche Situationen dargestellt werden, die dann zu entsprechenden Meldungen führen können. Die Stellungssollwerte CMD werden von der Abstimmstufe ausgegeben, um das Prozessventil von einer geschlossenen (Wert 0,00) in eine geöffneten (Wert 1,00) Stellung zu fahren. Anhand der ermittelten Stellungsistwerte POS und der Prozessistwerte PV, wurden automatisch die korrigierten Stellungssollwerte CMD* bestimmt. Das Diagramm zeigt drei Korrekturkennlinien KL1, KL2 und KL3. KL1 ist die optimale Form einer Kennlinie. Der Prozess wurde in diesem Fall bereits vollständig durch mechanische Elemente (im weiteren also sogenannter Regelkegel bezeichnet) linearisiert und benötigt daher keine weitere Linearisierung. Die Korrekturkennlinie KL2 betrifft einen Fall bei dem für die Stellungssollwerte CMD von 0,00 bis 0,50 (0 bis 50% Öffnung des Prozessventils), aller Werte der korrigierten Stellungssollwerte CMD* unterhalb eines Grenzwertes, von hier 0,1 (10%) liegen. Für diesen beispielhaften Fall könnte dann eine automatische Ausgabe einer Meldung erfolgen. Diese Meldung könnte lauten, dass das Prozessventil überdimensioniert ist und/oder noch weitergehend, dass ein gleichprozentiger Regelkegel zu verwenden ist (Austausch/Änderung des Prozessventils). Die Korrekturkennlinie KL3 betrifft einen weiteren Fehlerfall. Bei dieser Korrekturkennlinie liegen für die Stellungssollwerte CMD von 0,50 bis 1,00 (50% bis 100%) alle korrigierten Stellungssollwerte CMD* oberhalb eines Grenzwertes von hier beispielhaft 80%. Dieses Verhalten wird ebenfalls automatisch als Fehldimensionierung detektiert. Die Meldung könnte dann lauten, dass das Prozessventil unterdimensioniert ist bzw. dass eine linearer Regelkegel zu verwenden ist (Austausch/Änderung des Prozessventils).
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Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemäßen zuvor beschriebenen Ausführungsformen das in 5 illustrierte Verhalten. Dort ist der Prozessregelkreis 1 komplett linearisiert. Er enthält den herkömmlichen Prozessregler 2 und ansonsten ein komplett lineares Verhalten, das den Stellungsregelkreis 3, den Prozess und alle weiteren Blöcke der 3 enthält. Dies wird durch die Stufe 13 illustriert.
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6 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Gezeigt ist eine Vorrichtung 14 zum Regeln eines Prozesses gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Bei der Vorrichtung kann es sich bspw. um ein Prozessregelgerät handeln, das den Prozessregler 20 und den Stellungsregler 7 umfasst. Daneben ist ein Prozessventil 8 dargestellt, bei dem es sich in diesem Fall rein beispielhaft um ein Stetigventil mit einfach wirkendem Antrieb handelt. Das Prozessventil regelt einen Fluidstrom FL, dessen Parameter (beispielsweise Durchflussmenge) mittels eines Sensors 15 erfasst wird. Hierbei handelt es sich dann um den Prozessistwert PV. Die Vorrichtung 14 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst den Stellungsregler 7 und optional den Prozessregler 20 sowie den Positionssensor 9, ein Stellsystem 16 sowie die Abstimmstufe 11. Der Stellungsregler 7, das Stellsystem 16 und der Positionssensor 9 bilden gemeinsam mit dem Prozessventil 8 den Stellungsregelkreis. Das Stellsystem kann Ventile zum Be- und Entlüften 31, 32 des Antriebs des Prozessventils 8 umfassen. Es wandelt die Ausgangsgröße des Stellungsreglers in die entsprechenden Steuergrößen für das Prozessventil 8 um. In diesem Fall handelt es sich um eine pneumatischen Antrieb. Natürlich kommen auch andere Antriebe in Betracht. Der Positionssensor 9 kann sich auch außerhalb der Vorrichtung 14 befinden. Wie bereits zuvor ausgeführt, erhält der Stellungsregelkreis 3 bzw. der Stellungsregler 7 einen Stellungssollwert CMD vom Prozessregler 20, oder alternativ von der Abstimmstufe 11. Beim erfindungsgemäßen Abstimmvorgang wird der Eingang des Stellungsreglers 7 mittels des Schalters SW vom Prozessregler 20 weg und zur Abstimmstufe 11 hin geschaltet, um Stellungssollwerte CMD von der Abstimmstufe 11 zu erhalten. Der Schalter hat drei Positionen 1a, 2a und 3a. In der Position 2a ist die Abstimmstufe 11 an den Stellungsregler 7 gekoppelt. Während ein bestimmter Wertebereich für die n Stellungssollwerte von der Abstimmstufe 11 durchgefahren wird, werden gleichzeitig n Prozessistwerte PV mittels des Sensors 15 vom Prozessventil 8 bzw. vom Prozess 4 (hier nicht dargestellt) erfasst und Paare von Stellungsistwerten und Prozessistwerten (POS, PV) gebildet und gespeichert. Entsprechend ist in der Vorrichtung auch ein Speicher vorgesehen, der nicht gesondert dargestellt ist. Aus diesen n Paaren POS/PV wird dann eine komplette Korrekturkennlinie in der Abstimmstufe 11 bestimmt, welche nach Beendigung des Abstimmvorgangs gespeichert wird, sodass der Prozessregler 20 damit die Stellungssollwerte im normalen Betrieb korrigieren kann, um ein lineares Gesamtverhalten zu erzielen. Hierbei befindet sich der Schalter SW in der Position 1a. Auf diese Art und Weise stellt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 14 automatisch und autonom auf die jeweiligen Nicht-Linearitäten des Prozesses und alle weiteren Nicht-Linearitäten der Regelung ein und korrigiert diese.
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Ferner kann der Schalter SW auch noch in Position 3a gebracht werden. In dieser Position können Stellungssollwerte von außen an den Stellungsregler gegeben werden. Auf diese Art und Weise könnte ein Abstimmvorgang und die Berechnung von Korrekturwerten auch außerhalb der Vorrichtung 14 vorgenommen werden. Die Korrekturwerte bzw. die Korrekturkennlinie oder deren Parameter können dann von außen an den Prozessregler übergeben werden.
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Außerdem kann die Abstimmstufe 11 eingerichtet sein, um die ermittelten Wertepaare von Stellungsistwerten POS und Prozessistwerten PV zu analysieren und daraus beispielsweise Fehldimensionierungen des Prozessventils abzuleiten wie dies bezüglich 4 erläutert wurde. Dazu können bspw. die Prozessistwerte PV bei bestimmten Stellungsistwerten POS oder korrigierten Stellungssollwerten CMD* analysiert werden. Ggf. kann eine Fehldimensionierung oder andere Fehler dann beispielsweise über ein Display 21 an den Nutzer oder über einen Bus an eine übergeordnete Verarbeitungsstufe oder den Nutzer ausgegeben werden, sodass diese Mängel behoben werden können.
