DE19622548A1 - Regelventilanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelventilanlage mit einer einen Leitregler aufweisenden Regeleinrichtung, die mittels eines Fühlers eine Regelgröße eines strömenden Mediums überwacht und über ein Stellglied ein Regelventil derart betätigt, daß die Regelgröße einem Sollwert nachgeführt wird.

Eine Regelventilanlage dieser Art wird als bekannt angenommen. Dabei wird ein Ventilkegel des Regelventils mittels eines Stellglieds nach Vorgabe eines Leitreglers in eine bestimmte Position gefahren, um als Regelgröße z. B. die Temperatur eines strömenden Mediums einem vorgegebenen Sollwert nachzuführen. Wird das Stell­ glied, z. B. ein Stellmotor, mittels eines Stellbefehls zum Anhalten angesteuert, so läuft er infolge seiner Trägheit noch etwas in der vorherigen Richtung weiter, so daß die Temperatur des strömenden Mediums nicht genau den gewünschten Soll­ wert erreicht. Demzufolge steuert der Leitregler das Stellglied in die andere Richtung, wodurch der Hub wiederum aus dem gewünschten Ruhebereich heraus­ laufen kann, so daß mitunter ein Pendeln um den Ruhebereich in Schließ- und Öffnungsrichtung entsteht. Durch die wiederholten Betätigungsvorgänge ergibt sich ein schneller Verschleiß des Regelventils.

Ein weiterer Nachteil bei bekannten Regelventilen besteht darin, daß diese je nach Anwendungsfall speziell ausgelegt sein müssen, indem jeweils ein besonderer Ventilkegel eingesetzt und die übrigen Bauelemente darauf abgestimmt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelventilanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die ohne großen Aufwand auf unterschiedliche Gegebenheiten abstimmbar ist und bei der ein vorzeitiger Verschleiß vermieden wird.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hiernach ist also vorgesehen, daß die Regeleinrichtung einen dem Leitregler nachgeschalteten Verhaltensregler aufweist, der eine Bewertungsstufe für von dem Leitregler abgegebene Stellbefehle oder für ein aus diesen abgeleitetes Signal umfaßt, und daß der Verhaltensregler die Stellbefehle in einer Umsetzstufe umwandelt und gewandelte Stellbefehle zur Ansteuerung des Stellglieds abgibt, wenn die Stellbefehle des Leitreglers von einem vorbestimmten oder vorbe­ stimmbaren Sollverhalten abweichen.

Durch den so aufgebauten Verhaltensregler kann ein Fehlverhalten der Regel­ ventilanlage schnell erkannt und ein geeignetes Regelverhalten vorgegeben werden. Auch läßt sich eine Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten vornehmen, da die Stellbefehle des Leitreglers mittels der Umsetzstufe in geeignete, gewandelte Stellbefehle umgesetzt werden können. Dadurch wird einem vorzeitigen Verschleiß vorgebeugt, und es können unterschiedliche Ventilkennlinien gebildet werden, ohne daß jedesmal besondere Ventilkegel hergestellt und eingesetzt werden müssen.

Beispielsweise wird ein vorzeitiger Verschleiß der mechanischen Teile der Regel­ ventilanlage dadurch vermieden, daß die Bewertungsstufe zum Erkennen eines Pendelns der Stellbefehle um einen Ruhebereich und zum Abgeben eines Umsetz­ befehls an die Umsetzstufe ausgebildet ist, wenn sie ein mehrmaliges Pendeln fest­ stellt, und daß die von der Umsetzstufe abgegebenen gewandelten Stellbefehle eine verminderte Ansteuerung des Stellglieds bewirken. Ein instabiler Drei-Punkt- Schrittregler wird auf diese Weise stabilisiert. Im einzelnen kann dabei vorgesehen sein, daß das Stellglied als Stellmotor ausgebildet ist, und daß die verminderte Ansteuerung dadurch erzielt ist, daß die gewandelten impulsförmigen Stellbefehle gegenüber den impulsförmigen Stellbefehlen in der Dauer verkürzt sind oder die Pausen zwischen den Stellbefehlen verlängert werden. Durch die verkürzten Stell­ befehle bzw. durch die längeren Pausen wird eine Vergrößerung der Integrations­ zeitkonstanten erreicht und damit ein langsamerer Antrieb des Stellglieds bewirkt.

Mit der Maßnahme, daß der Gesamthub eines Ventilkegels des Regelventils in mehrere Teilbereiche unterteilt ist, und daß die verschiedenen Teilbereiche in dem Verhaltensregler erkennbar sind, und daß die Stellbefehle in Abhängigkeit von den Teilbereichen mit unterschiedlichen Bewertungsgrößen in die gewandelten Stell­ befehle umsetzbar sind, kann die Ansteuerung des Stellglieds entsprechend den verschiedenen Steigungen einer Ventilkennlinie angepaßt werden, so daß die Regelung optimiert wird. Auch können auf diese Weise unterschiedliche Ventil­ kennlinien realisiert werden, ohne daß der Ventilkegel ausgetauscht werden muß.

Insbesondere wird die Anpassung an eine übliche Ventilkennlinie dadurch erreicht, daß die Bewertungsgrößen mit zunehmendem Hub von Teilbereich zu Teilbereich zunehmen.

Eine Möglichkeit, ein Pendeln zu vermeiden, besteht beispielsweise auch darin, daß beim Erkennen eines Pendelns der Ruhebereich vergrößerbar ist.

Ein einfacher Aufbau z. B. mit einem Mikrocontroller wird dadurch erzielt, daß der Verhaltensregler zumindest teilweise als Programm ausgebildet ist, und daß die Bewertungsstufe und die Umsetzstufe Teilprogramme darstellen. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit, die Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten zu variieren und eventuell neu gewonnene Erkenntnisse nachträglich zu berück­ sichtigen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild mit den wesentlichen Komponenten der Regelventilanlage,

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vorgehensweise bei einem Regelungsvorgang,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Regelventilanlage und

Fig. 4A u. Fig. 4B Ansteuerbefehle für ein in Fig. 1 angegebenes Stellglied.

In Fig. 3 ist eine übliche Regelventilanlage mit einem Regler R, einem Stellglied M und einem Regelventil RV dargestellt. Der Regler R erhält über einen Fühler F ein Temperatursignal des über ein Leitungssystem, in dem das Regelventil RV an­ geordnet ist, strömenden Mediums. Um einen Temperatur-Sollwert des aus einem Wärmetauscher WT strömenden Wassers einzustellen, gibt der Regler an das Stell­ glied in Form des Stellmotors M einen entsprechenden Stellbefehl in Form eines Stroms I ab, mit dem das Regelventil RV je nach erfaßtem Temperatursignal des Fühlers F auf oder zu gesteuert wird. Der Stellbefehl kann z. B. ein in Fig. 4B dargestellter analoger Strom I zwischen 4 mA und 20 mA sein, mit dem ein Hub H eines Ventilkegels des Regelventils RV zwischen einem minimalen Wert min und einem maximalen Wert max verstellt wird. Alternativ können als Stellbefehle des Reglers R in Fig. 4A wiedergegebene Stellimpulse P1, P3 abgegeben werden, die bezüglich eines mittleren Pegels P2 positiv oder negativ je nach Verstellrichtung sind.

Fig. 1 zeigt die Besonderheiten vorliegender Regelventilanlage. Ein Leitregler LR, der etwa dem Regler R gemäß Fig. 3 entspricht, ist über eine digitale Steuerungsstufe DAC (Digit Actuator Control) an das Stellglied in Form des Stellmotors M ange­ schlossen, der die Verstellung des Regelventils RV bewirkt. Der Leitregler LR erhält Meßsignale der Regelgröße, wie z. B. Temperatur, Druck oder Durchfluß über den Fühler F. Die digitale Steuerungsstufe DAC umfaßt einen Verhaltensregler VR, dem die von dem Leitregler LR abgegebenen Stellbefehle SB beispielsweise in Form der in Fig. 4A wiedergegebenen Impulse oder des in Fig. 4B dargestellten analogen Stroms I oder entsprechender Größen zugeführt werden. Weiterhin kann die digitale Steuerungsstufe DAC einen Stellungsregler SR beinhalten, über den dann die Stellbefehle SB weitergeleitet werden können. Die Ausgangssignale des Verhaltensreglers VR können die von dem Leitregler LR oder dem Stellungsregler SR zugeführten Stellbefehle SB sein oder in dem Verhaltensregler VR umgesetzte Stellbefehle SB′. Sowohl dem Verhaltensregler VR als auch dem Stellungsregler SR werden die von dem Stellmotor M bewirkten Hub-Signale zugeführt. Außerdem ist in dem Verhaltensregler VR ein Sollverhalten SV vorgegeben oder vorgebbar.

Der Verhaltensregler VR bewertet in einer Bewertungsstufe die zugeführten Stellbefehle SB und erkennt, wenn diese von dem vorbestimmten Sollverhalten SV abweichen. Liegt ein Abweichen von dem Sollverhalten SV vor, so bildet der Verhaltensregler VR in einer Umsetzstufe neue, geeignete Stellbefehle SB′ zum Ansteuern des Stellmotors M.

Ein Abweichen von dem Sollverhalten SV kann z. B. darin bestehen, daß bei einem Drei-Punkt-Schrittregler ein vorgegebener Ruhebereich des Hubs H in Folge der Trägheit des Stellmotors M überlaufen wird, wodurch sich die von dem Fühler F erfaßte Regelgröße aus einem vorgegebenen Toleranzbereich um den Sollwert her­ ausbewegt. Dadurch gibt der Leitregler LR einen Stellbefehl SB ab, der eine Ver­ stellung des Ventilkegels über den Stellmotor M in die andere Richtung bewirkt. Dabei kommt es häufig vor, daß der Toleranzbereich der Regelgröße auch in der anderen Richtung überschritten wird, so daß sich ein Pendeln, d. h. eine Instabilität einstellt. Erkennt der Verhaltensregler VR mehrere hintereinander erfolgende Pendelvorgänge, so verkürzt er z. B. die Stellbefehle SB in Form der in Fig. 4A gezeigten Impulse in der gerade vorliegenden Richtung nach Überschreiten eines Wendepunktes, d. h. eines Übergangs von hintereinander folgenden positiven Im­ pulsen zu hintereinander folgenden negativen Impulsen. Durch die Verkürzung der Stellbefehle wird die Änderung des Hubs H in der gerade vorliegenden Richtung verlangsamt bzw. die Integrationszeitkonstante der Ansteuerung des Stellmotors M vergrößert. Demzufolge läuft die mit dem Fühler F erfaßte Regelgröße nicht mehr aus dem Toleranzbereich, so daß die Regelung stabilisiert ist. In entsprechender Weise kann die Verlangsamung der Hub-Änderung auch mittels des in Fig. 4B gezeigten Stroms I erzielt werden. Generell kann auch durch andere geeignete Maßnahmen eine Herabsetzung der Drehzahl des Stellmotors M und damit eine verlangsamte Hub-Änderung bewirkt werden.

Wie Fig. 2 zeigt, kann die Impulsdauer der gewandelten Stellbefehle SB′ in unter­ schiedlichen Hubbereichen des Hubs H unterschiedlich gewählt werden, um eine geeignete Ventilkennlinie zu simulieren. In Fig. 2 ist auf der Abszisse der Hub H in Prozent des Gesamthubs und die zugehörige Stellzeit ts dargestellt, während auf der Ordinate ein relativer Durchlaßwert KV des Regelventils angegeben ist. Die Ventilkennlinie ist in mehrere Teilbereiche des Gesamthubs 0 bis 2, 1 bis 2, 2 bis 3, 3 bis 4 und 4 bis 5 unterteilt. In dem ersten Teilbereich 0 bis 1 ist die An­ steuerung des Stellmotors M mit den gewandelten Stellbefehlen SB′ so gewählt, daß das Durchlaufen des Gesamthubs 300 Sekunden betragen würde, wie rechts an der entsprechenden Geraden als effektive Stellzeit tseff angegeben. In dem zweiten Teilbereich 1 bis 2 ist die Ansteuerung so gewählt, daß zum Durchlaufen des Gesamthubs 120 Sekunden benötigt würden, während in den anschließenden Teilbereichen eine Zeit für den Gesamthub von 80 Sekunden, 48 Sekunden bzw. 27 Sekunden erforderlich wäre. Durch den so gebildeten Übergang in immer schnellere Hubänderungen, beispielsweise durch entsprechende Verlängerung der implusförmigen Stellbefehle SB′ bzw. Änderung von Pausen zwischen den Stellbefehlen wird eine gewünschte Ventilkennlinie simuliert. Damit kann eine für einen jeweiligen Bedarfsfall am besten geeignete Kennlinie erzeugt werden, ohne den Drosselkörper hinsichtlich der Hub-/Mengenkennlinie bearbeiten zu müssen. Die Anpassung ist z. B. einfach möglich, wenn der Verhaltensregler VR durch ein entsprechendes Programm mit Unterprogrammen für die Bewertungsstufe und die Umsetzstufe realisiert ist. Die Teilbereiche des Hubs H können dabei geeignet gewählt werden.

Mit dem beschriebenen Verhaltensregler VR ist es auch möglich, den Ruhebereich bei einem Pendeln bzw. Überlaufen zu vergrößern, so daß die schaltfreie Mitte vergrößert und ein vorzeitiges Anhalten bewirkt werden kann.

Claims (7)

1. Regelventilanlage mit einer einen Leitregler aufweisenden Regeleinrichtung, die mittels eines Fühlers eine Regelgröße eines strömenden Mediums überwacht und über ein Stellglied ein Regelventil derart betätigt, daß die Regelgröße einem Sollwert nachgeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Regeleinrichtung einen dem Leitregler (LR) nachgeschalteten Ver­ haltensregler (VR) aufweist, der eine Bewertungsstufe für von dem Leitregler (LR) abgegebene Stellbefehle oder für ein aus diesen abgeleitetes Signal umfaßt, und
daß der Verhaltensregler (VR) die Stellbefehle (SB) in einer Umsetzstufe umwandelt und gewandelte Stellbefehle (SB′) zur Ansteuerung des Stell­ glieds (M) abgibt, wenn die Stellbefehle (SB) des Leitreglers (LR) von einem vorbestimmten oder vorbestimmbaren Sollverhalten (SV) abweichen.

2. Regelventilanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bewertungsstufe zum Erkennen eines Pendelns der Stellbefehle (SB) um einen Ruhebereich und zum Abgeben eines Umsetzbefehls an die Umsetzstufe ausgebildet ist, wenn sie ein mehrmaliges Pendeln feststellt, und
daß die von der Umsetzstufe abgegebenen gewandelten Stellbefehle (SB′) eine verminderte Ansteuerung des Stellglieds (M) bewirken.

3. Regelventilanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Stellglied als Stellmotor (M) ausgebildet ist, und
daß die verminderte Ansteuerung dadurch erzielt ist, daß die gewandelten impulsförmigen Stellbefehle (SB′) gegenüber den impulsförmigen Stell­ befehlen (SB) in der Dauer verkürzt sind oder Pausen zwischen den Stellbefehlen verlängert werden.

4. Regelventilanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gesamthub eines Ventilkegels des Regelventils (RV) in mehrere Teilbereiche (0 bis 1, . . . , 4 bis 5) unterteilt ist,
daß die verschiedenen Teilbereiche (0 bis 1, . . . , 4 bis 5) in dem Verhaltensregler (VR) erkennbar sind, und
daß die Stellbefehle (SB) in Abhängigkeit von den Teilbereichen mit unterschiedlichen Bewertungsgrößen in die gewandelten Stellbefehle (SB′) umsetzbar sind.

5. Regelventilanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsgrößen mit zunehmendem Hub (H) von Teilbereich zu Teilbereich (0 bis 1, . . . , 4 bis 5) zunehmen.

6. Regelventilanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erkennen eines Pendelns der Ruhebereich vergrößerbar ist.

7. Regelventilanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verhaltensregler (VR) zumindest teilweise als Programm ausgebildet ist, und daß die Bewertungsstufe und die Umsetzstufe Teilprogramme darstellen.