DE102007058776B4 - Verfahren zur Erkennung des Antriebstyps eines Stellantriebs (II) - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erkennung des Antriebstyps eines Stellantriebs mit einem Stellungsregler zur Bedienung eines Stellorgans, wobei der Stellungsregler eine Steuerelektronik aufweist, die mit Hilfe eines Microcontrollers ein oder mehrere Eingangsignale empfängt und Stellsignale zur Be- oder Entlüftung der Kammern eines einfach- oder doppeltwirkenden pneumatischen Antriebes ausgibt, wobei der Druck in mindestens einer Druckmittelzuführung zu den Kammern des Antriebs überwacht wird und wobei die Position des Stellorgans mit einem rotatorischen Messsystem in den Stellungsregler gemeldet wird, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Stellantrieb bei der Inbetriebnahme innerhalb seines Arbeitsbereiches über eine vorgebbare Strecke verfahren wird,
- dass der Druck in mindestens einer Druckmittelzuführung zu den Kammern des Stellantriebs überwacht und aufgezeichnet wird,
- dass die von der Stellungsrückmeldungssensorik rückgemeldete Winkelpositionen korrespondierend zu den jeweiligen Drücken aufgezeichnet wird,
- dass aus den rückgemeldeten Winkelpositionen und den zugehörigen Drücken die Antriebsvolumina und das Verhalten der Antriebsvolumina in Abhängigkeit vom Positionssignal ermittelt und mit Übertragungskennlinien bekannter Antriebstypen verglichen werden und
- dass bei Übereinstimmung der durch das Verhalten der Antriebsvolumina in Abhängigkeit vom Positionssignal des gegebenen Stellantriebs definierten Übertragungskennlinie mit einer der Übertragungskennlinien der bekannten Antriebstypen dem gegebenen Stellantrieb der gefundene Antriebstyp zugeordnet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Antriebstyps eines Stellantriebs, insbesondere einen pneumatischen Stellantrieb, mit einem Stellungsregler zur Bedienung eines Stellorgans in einer verfahrenstechnischen Anlage.
• Der in dieser Offenbarung verwendete Begriff „digitaler Stellungsregler“ steht für ein mechatronisches System, das entsprechend einem oder mehreren Eingangssignalen die Hilfsenergie eines pneumatischen Stellantriebs steuert, um das Stellorgan in eine bestimmte Position zu bringen. Zur Funktion benötigt der digitale pneumatische Stellungsregler unter Druck stehendes Gas als Hilfsenergie und elektrische Energie.
• Der gattungsbildende digitale pneumatische Stellungsregler weist mindestens die im Folgenden näher bezeichneten Kemkomponenten auf. Mit einem pneumatischen System werden in Abhängigkeit von ein oder mehreren Eingangssignalen die Kammern eines einfach- oder doppeltwirkenden pneumatischen Antriebes gezielt be- oder entlüftet. Mit Hilfe einer Stellungsrückmeldungssensorik werden die Bewegungen und Positionen des Stellorgans als ein oder mehrere Signale darstellt. Darüber hinaus ist eine Steuerelektronik vorhanden, die einen Microcontroller aufweist und ein oder mehrere Eingangsignale empfängt. Die Firmware in der Steuerelektronik verarbeitet die Eingangssignale und die Signale der Stellungsrückmeldungssensorik zu Ausgangssignalen welche als Eingangssignale des pneumatischen Systems dienen.
• Die Firmware des digitalen Stellungsreglers implementiert eine Funktion, welche die dynamischen Eigenschaften des angeschlossenen Stellantriebes analysiert. Bei der Inbetriebnahme wird während eines Initialisierungsprozesses einmalig der Stellbereich des Stellorgans durchfahren und der Anfangs- und Endwert des Stellbereichs aufgenommen.
• Stellantriebe werden in Schwenk- und Hubantriebe unterschieden. Beim Hubantrieb wird die lineare Bewegung des Abtriebs des Stellantriebs unmittelbar auf ein linear betätigtes Stellorgan übertragen. Demgegenüber wird beim Schwenkantrieb die lineare Bewegung des Abtriebs des Stellantriebs mit geeigneten Mitteln in eine Drehbewegung umgesetzt.
• Der Stellantrieb und der digitale Stellungsregler werden mittels eines Anbausatzes verbunden. Der Anbausatz umfasst Komponenten, welche die Bewegung und Position des Stellantriebes zur Stellungsrückmeldungssensorik des Stellungsreglers überträgt.
• Die bekannten Messsysteme der Stellungsrückmeldungssensorik messen entweder linear oder rotierend, wie aus der DE 42 39 635 A1 bekannt ist. Unterscheidet sich die Wirkrichtung des Stellantriebes von der Wirkrichtung des Messsystems, muss die Messung linerarisiert werden um ein ausreichend genaues Positionierverhalten zu gewährleisten. Dies setzt jedoch die Kenntnis des vorliegenden Antriebstyps, Schwenk- oder Hubantrieb, zwingend voraus. Für den bekannten Stellungsregler ist hierzu bei der Inbetriebnahme durch die Bedienperson eine manuelle Einstellung vorzunehmen, die fehlerträchtig ist.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, zur Verwendung desselben digitalen Stellungsreglers ohne manuellen Eingriff den Antriebstyp selbstständig zu identifizieren.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs gelöst.
• Die Erfindung geht aus von dem bekannten Stellantrieb, der mittels eines Anbausatzes mit dem Stellungsregler verbunden ist, wobei der Stellungsregler eine Steuerelektronik aufweist, die mit Hilfe eines Microcontrollers ein oder mehrere Eingangsignale empfängt und Stellsignale zur Be- oder Entlüftung der Kammern eines einfach- oder doppeltwirkenden pneumatischen Antriebes ausgibt, wobei der Druck in mindestens einer Druckmittelzuführung zu den Kammern des Antriebs überwacht wird. Die Stellungsrückmeldungssensorik ist mit einem rotatorischen Messsystem ausgestattet.
• Erfindungsgemäß wird der Stellantrieb bei der Inbetriebnahme innerhalb seines Arbeitsbereiches über eine vorgebbare Strecke verfahren. Dabei wird der Druck in mindestens einer Druckmittelzuführung zu den Kammern des Stellantriebs überwacht und aufgezeichnet. Darüber hinaus wird die von der Stellungsrückmeldungssensorik rückgemeldete Winkelpositionen korrespondierend zu den jeweiligen Drücken aufgezeichnet.
• Aus den rückgemeldeten Winkelpositionen und den zugehörigen Drücken werden die Antriebsvolumina und das Verhalten der Antriebsvolumina in Abhängigkeit vom Positionssignal ermittelt. Die Wertepaare bestehend aus Antriebsvolumen und zugehöriger Winkelposition eines gegebenen Stellantriebs werden mit den Übertragungskennlinien der bekannten Antriebstypen verglichen. Bei Übereinstimmung der durch die Wertepaare des gegebenen Stellantriebs definierten Übertragungskennlinie mit einer der Übertragungskennlinien der bekannten Antriebstypen wird dem gegebenen Stellantrieb der gefundene Antriebstyp zugeordnet.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der einzigen Figur ist eine fragmentarisch angedeutete Rohrleitung 1 einer nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ein Prozessventil 2 als Stellorgan eingebaut. Das Prozessventil 2 weist in seinem Inneren einen mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörper 4 zur Steuerung der Menge durchtretenden Prozessmediums 5 auf. Der Schließkörper 4 wird von einem pneumatischen Stellantrieb 6 über eine Hubstange 7 linear betätigt. Der Stellantrieb 6 ist über ein Joch 8 mit dem Prozessventil 2 verbunden. An dem Joch 8 ist ein digitaler Stellungsregler 9 angebracht. Über einen Positionsaufnehmer 10 wird der Hub der Hubstange 7 in den Stellungsregler 9 gemeldet. Der erfasste Hub wird mit dem über eine Kommunikationsschnittstelle 11 zugeführten Sollwert in einer Steuerelektronik 18 verglichen und der Stellantrieb 6 in Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert. Die Steuerelektronik 18 des Stellungsreglers 9 bedient einen I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung in einen adäquaten Steuerdruck auf. Der I/P-Umsetzer des Stellungsreglers 9 ist über eine Druckmittelzuführung 19 mit dem Stellantrieb 6 verbunden.
• Der Positionsaufnehmer 10 ist in dem Stellungsregler 9 mit der Drehachse eines Potentiometers verbunden und weist ein Auge auf, in das ein Mitnehmer auf der Hubstange 7 eingreift.
• Bei der Inbetriebnahme wird der Stellantrieb 6 innerhalb seines Arbeitsbereiches über eine vorgebbare Strecke verfahren. Dabei wird der Druck in mindestens einer Druckmittelzuführung 19 zu den Kammern des Stellantriebs 6 überwacht und aufgezeichnet. Darüber hinaus wird die von dem Positionsaufnehmer 10 rückgemeldete Winkelpositionen korrespondierend zu den jeweiligen Drücken aufgezeichnet.
• Aus den rückgemeldeten Winkelpositionen und den zugehörigen Drücken werden die Antriebsvolumina und das Verhalten der Antriebsvolumina in Abhängigkeit vom Positionssignal ermittelt.
• Bei dem in der Figur gezeigten Antriebstyp ist das Antriebsvolumen V das Produkt aus der wirksamen Kolbenfläche A des Stellantriebs 6 und dem Hub h der Hubstange 7. $$\text{V}=\text{A}*\text{h}$$

  
• Die am Potentiometer abgreifbaren Winkelpositionen f sind bei dem in der Figur gezeigten Antriebstyp abhängig vom Abstand L der Drehachse des Potentiometers von der Hubstange 7 und dem Hub h der Hubstange 7. $$\text{h}=\text{L}*\text{tan f}$$

  
• Das bedeutet, das Antriebsvolumen V und die Winkelpositionen f sind über eine konstruktionskonstante K = A * L über die Tangens-Funktion miteinander verknüpft. $$\text{V}=\text{K}*\text{tan f}$$

  
• Die Wertepaare bestehend aus Antriebsvolumen V und zugehöriger Winkelposition f eines gegebenen Stellantriebs 6 folgen also einer Tangens-Funktion.
• Andere Antriebstypen mit einem abweichenden konstruktiven Aufbau weisen jeweils eine andere Übertragungsfunktion des Antriebsvolumen V über die Winkelposition f auf, beispielsweise eine lineare Übertragungsfunktion, eine Sinus-Funktion oder eine Wurzel-Funktion sowie Kombinationen daraus.
• Die Wertepaare bestehend aus Antriebsvolumen V und zugehöriger Winkelposition f werden mit den Übertragungskennlinien der bekannten Antriebstypen verglichen. Bei Übereinstimmung der durch die Wertepaare des gegebenen Stellantriebs 6 definierten Übertragungskennlinie mit einer der Übertragungskennlinien der bekannten Antriebstypen wird dem gegebenen Stellantrieb 6 der gefundene Antriebstyp zugeordnet. Ein gegebener Stellantrieb 6, dessen Wertepaare einer Tangens-Funktion folgen, wird den in der Figur gezeigte Antriebstyp zugeordnet.
• Bezugszeichenliste

1

Rohrleitung

2

Prozessventil

3

Ventilsitz

4

Schließkörper

5

Prozessmedium

6

Stellantrieb

7

Ventilstange

8

Joch

9

Stellungsregler

10

Positionsaufnehmer

11

Kommunikationsschnittstelle

18

Steuerelektronik

19

Druckmittelzuführung

Claims (1)

1. Verfahren zur Erkennung des Antriebstyps eines Stellantriebs mit einem Stellungsregler zur Bedienung eines Stellorgans, wobei der Stellungsregler eine Steuerelektronik aufweist, die mit Hilfe eines Microcontrollers ein oder mehrere Eingangsignale empfängt und Stellsignale zur Be- oder Entlüftung der Kammern eines einfach- oder doppeltwirkenden pneumatischen Antriebes ausgibt, wobei der Druck in mindestens einer Druckmittelzuführung zu den Kammern des Antriebs überwacht wird und wobei die Position des Stellorgans mit einem rotatorischen Messsystem in den Stellungsregler gemeldet wird, dadurch gekennzeichnet, - dass der Stellantrieb bei der Inbetriebnahme innerhalb seines Arbeitsbereiches über eine vorgebbare Strecke verfahren wird, - dass der Druck in mindestens einer Druckmittelzuführung zu den Kammern des Stellantriebs überwacht und aufgezeichnet wird, - dass die von der Stellungsrückmeldungssensorik rückgemeldete Winkelpositionen korrespondierend zu den jeweiligen Drücken aufgezeichnet wird, - dass aus den rückgemeldeten Winkelpositionen und den zugehörigen Drücken die Antriebsvolumina und das Verhalten der Antriebsvolumina in Abhängigkeit vom Positionssignal ermittelt und mit Übertragungskennlinien bekannter Antriebstypen verglichen werden und - dass bei Übereinstimmung der durch das Verhalten der Antriebsvolumina in Abhängigkeit vom Positionssignal des gegebenen Stellantriebs definierten Übertragungskennlinie mit einer der Übertragungskennlinien der bekannten Antriebstypen dem gegebenen Stellantrieb der gefundene Antriebstyp zugeordnet wird.

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