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Die
Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für einen druckmittelbetriebenen
Stellantrieb auf dem Gebiet der Prozessautomatisierung, insbesondere zur
kontinuierlichen Regelung von Stoffströmen im industriellen Umfeld über pneumatische,
kontinuierlich arbeitende Antriebe.
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Zur
Durchflussregelung in industriellen Prozessen insbesondere in der
chemischen und petrochemischen Industrie sowie in Kraftwerken werden kontinuierlich
arbeitende Prozessventile eingesetzt. Solche Prozessventile werden überwiegend
durch druckmittelbetriebene Stellantriebe betätigt. Solche Stellantriebe
bestehen im Prinzip aus einem Zylinder, in dem durch das Druckmittel
ein Kolben bewegt wird. Dieser Kolben ist mechanisch mit dem Prozessventil
gekoppelt. Die Beaufschlagung des Zylinders mit dem Druckmittel
erfolgt durch einen sogenannten Stellungsregler.
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Durch
offenkundige Vorbenutzung sind zwei Arten von Stellantrieben bekannt.
Bei sogenannten einfach wirkenden Stellantrieb wird nur eine Seite des
Kolbens durch den Stellungsregler mit dem Druckmittel beaufschlagt
wird. Zur Bewegung des Kolbens in die entgegengesetzte Richtung
ist eine Feder vorgesehen. Beim doppelt wirkenden Stellantrieb werden
beide Seiten Kolbens durch den Stellungsregler mit dem Druckmittel
beaufschlagt. Dadurch ist es ohne mechanische Rückstellelemente möglich, den
Kolben und damit das mit dem Kolben gekoppelte Prozessventil in
beide Richtungen zu bewegen.
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Dem
Stellungsregler wird über
eine Kommunikationsschnittstelle ein elektrischer Sollwert für die Ventilstellung
des Prozessventils vorgegeben. Diese Kommunikationsschnittstelle
kann dabei digital als Feldbusschnittstelle oder analog als 4..20 mA-Schnittstelle
ausgebildet sein.
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Der
Ist-Wert der Ventilstellung wird über ein Sensorelement an der
mechanischen Kopplung zwischen dem Stellantrieb und dem Prozessventil
erfasst. Der Stellungsreger regelt dann an seinem Ausgang den Druck
des Druckmittels derart, dass die Ventilstellung den vorgegebenen
Sollwert erreicht oder hält.
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Durch
die Regelung der Ventilstellung wird bei einem solchen Stellungsregler
zwar der vorgegebene Sollwert der Ventilstellung schnell erreicht,
jedoch ist in der automatisierungstechnischen Anwendung die tatsächliche
Stellung des Prozessventils nur von untergeordneter Bedeutung. Für die automatisierungstechnische
Anwendung haben hingegen prozessuale Größen wie der Volumenstrom in
einer Rohrleitung oder der Pegelstand in einem Kessel eine wesentlich
größere Bedeutung.
Diese prozessualen Größen müssen bei
der Regelung der Ventilstellung von einem dem Stellungsregler überlagerten Regler
im Steuerungssystem in die Sollwertvorgabe für das Prozessventil, nämlich dessen
Ventilstellung, umgerechnet und an den Stellungsregler übergeben werden.
Dementsprechend zeitverzögert
wird die entscheidende prozessuale Größe nachgeführt. Darüber hinaus wird als nachteilig
empfunden, dass ein Steuerungssystem benötigt wird, das dem Stellungsregler
die Sollwerte vorgibt. Da dem Stellungsregler keine Informationen über die
reale Prozessgröße vorliegen,
können Überwachungsaufgaben
nur durch separate Softwaremodule im Steuerungssystem realisiert
werden.
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Darüber hinaus
ist die Montage der Ventil-Positionserfassung und deren Abgleich
sehr aufwändig.
Hierzu ist eine Referenzfahrt des Ventils notwendig und somit ein
Eingriff in den Prozess.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung
für einen
druckmittelbetriebenen Stellantrieb anzugeben, die die Nachteile
der bekannten Regeleinrichtung vermeidet und insbesondere eine schnellere
Anfahrt des prozessualen Sollwerts ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit den Mitteln des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht von Regeleinrichtung für einen druckmittelbetriebenen
Stellantrieb zur Betätigung
eines Prozessventils zur Steuerung eines Stoffstromes in einer Rohrleitung
aus, die eine Kommunikationsschnittstelle zur Entgegennahme eines elektrischen
Sollwerts aufweist und die an ihrem Ausgang den Druck des Druckmittels
in Abhängigkeit
von einer Regelabweichung verändert.
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Erfindungsgemäß ist der
empfangene elektrische Sollwert einer prozessualen Größe adäquat und
damit unabhängig
von einer bestimmten Ventilstellung des Prozessventils. Die Regeleinrichtung
ist über
einen drahtlos ausgebildeten Kommunikationskanal mit einem Istwertgeber
verbunden, der zur Abgabe eines elektrischen Signals ausgebildet
ist, das dem Istwert derselben prozessualen Größe entspricht. Ferner ist der
Istwertgeber zur Erfassung des Zustands des Prozessventils ausgebildet.
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Vorteilhafterweise
steht das elektrische Signal des Istwerts der prozessualen Größe sofort
und unmittelbar nach seiner Ermittlung der Regeleinrichtung zum
Vergleich mit dem vorgegebenen Sollwert zur Verfügung. Dadurch wird eine schnellere
Reaktion des Prozessventils auf Regelabweichungen der prozessualen
Größe erreicht.
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Darüber hinaus
wird durch den Wegfall der mechanischen Kopplung zwischen dem Ventiltrieb und
der Regeleinrichtung die Montage und Inbetriebnahme des Stellantriebs
vereinfacht. Insbesondere die Zeitersparnis für den entfallenden Abgleich
der mechanischen Kopplung führt
zu einem deutlich geringeren Inbetriebnahmeaufwand.
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Die
Entkopplung von Ventiltrieb und der Regeleinrichtung mündet auch
in eine vielseitige Verwendbarkeit der Regeleinrichtung mit beliebigen Stellantrieben,
da der Arbeitsweg des Prozessventils für die Auswahl die Regeleinrichtung
nunmehr keine Bedeutung mehr hat.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die
dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Regelkreises zur Regelung einer prozessualen
Größe
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2 eine
Prinzipdarstellung eines Regelkreises zur Regelung einer prozessualen
Größe mit Diagnose
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In
der 1 ist ein Regelkreis zur Regelung einer prozessualen
Größe prinzipiell
dargestellt. Zwischen zwei Behältern 1 und 2 zur
Aufnahme von Prozessmedium, die in 1 als Rohrleitungsabschnitte dargestellt
sind, ist ein Prozessventil 3 zur Freigabe oder Sperrung
des Flusses von Prozessmedium zwischen den Behältern 1 und 2 angeordnet.
Das Prozessventil 3 ist durch einen Stellantrieb 4 betätigt, der durch
eine Regeleinrichtung 5 in Abhängigkeit von einer Regelabweichung
angesteuert ist. In dem Behälter 1 ist
ein Fühler 8 für den Istwert
der prozessualen Größe angeordnet
und mit einem Istwertgeber 7 verbunden.
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Im
Weiteren wird für
die zu regelnde prozessuale Größe eine
Durchflussmenge angenommen. Es liegt aber im Rahmen der Erfindung,
dass die zu regelnde prozessuale Größe auch eine andere Prozessgröße des Stoffstroms
wie beispielsweise ein Volumenstrom oder ein Füllstand sein kann. Unter der
gegebenen Annahme wird mit dem Fühler 8 in Verbindung
mit dem Istwertgeber 7 die tatsächliche Durchflussmenge durch
den Behälter 1 ermittelt
und ausgegeben.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung weist der Istwertgeber 7 eine
Feldbusschnittstelle auf und ist über diese mit einem Feldbus 6 verbunden. An
den Feldbus sind darüber
hinaus die Regeleinrichtung 5 und ein Steuerungssystem 10 angeschlossen.
In dieser Ausgestaltung wird durch das Steuerungssystem 10 ein
Sollwert für
die zu regelnde prozessuale Größe, also
eine bestimmte Durchflussmenge, vorgegeben. Der Istwert der zu regelnden prozessualen
Größe wird
ausgehend von dem Istwertgeber 7 über den Feldbus 6 an
die Regeleinrichtung 5 übertragen.
In der Regeleinrichtung 5 wird die Regelabweichung als
Differenz aus dem Sollwert und dem Istwert ermittelt und der Stellantrieb 4 derart
angesteuert, dass der Istwert sich dem Sollwert annähert.
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In
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Direktverbindung 11 zwischen
dem Istwertgeber 7 und der Regeleinrichtung 5 vorgesehen.
In dieser Ausgestaltung wird durch das Steuerungssystem 10 ein
Sollwert für
die zu regelnde prozessuale Größe, also
eine bestimmte Durchflussmenge, vorgegeben und über den Feldbus 6 an
die Regeleinrichtung 5 übergeben.
Der Istwert hingegen wird unmittelbar über die Direktverbindung 11 an
die Regeleinrichtung 5 übertragen.
Die Direktverbindung 11 Ist vorzugsweise durch eine drahtlose
Verbindung zwischen dem Istwertgeber 7 und der Regeleinrichtung 5 ausgebildet.
Hierzu ist vorzugsweise eine schnelle, standardisierte drahtlose
Schnittstelle für
die Kommunikation vorgesehen.
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Alternativ
kann auch durch eine Verbindungsleitung zwischen dem Istwertgeber 7 und
der Regeleinrichtung 5 vorgesehen sein.
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Vorteilhafterweise
wird dadurch die über
den Feldbus 6 zu übertragende
Datenmenge, die sogenannte Buslast, reduziert. Insbesondere ist
dabei die maximale Datenrate unabhängig von der Anzahl der Busteilnehmer
am Feldbus 6. Dadurch ist eine besonders zeitnahe Regelung
der Durchflussmenge realisierbar.
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Auf
diesem Weg ließen
sich auch deutlich schnellere Datenrate als bei Buskommunikation üblich erreichen,
die zusätzliche
Diagnosefunktionen in der Regeleinrichtung 5 durch Übertragung
der Rohwerte des Istwertgebers 7 erlauben. In weiterer
Ausgestaltung der Erfindung kann darüber hinaus vorgesehen sein,
dass die Ventil-Diagnose im Istwertgeber 7 stattfindet
und nur das Ergebnis an die Regeleinrichtung 5 übertragen
wird.
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Darüber hinaus
kann der Istwertgeber 7 durch die Regeleinrichtung 5 mit
dem Steuerungssystem 10 kommunizieren, ohne selbst eine
Feldbusschnittstelle zu besitzen.
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Jedoch
kann auch vorgesehen sein, dass der Istwertgeber 7 parallel
zur Direktverbindung 11 auch mit dem Feldbus 6 verbunden
ist. Dadurch wird der Austausch von Diagnoseinformationen und/oder Fehlermeldungen
zwischen dem Istwertgeber 7 und dem Steuerungssystem 10 ermöglicht.
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Vorteilhafterweise
gestattet die Lehre der Erfindung bereits in dieser Ausführung einfache
Diagnosefunktionen. So sind Leckagen im Ventilsitz dadurch erkennbar,
dass sich der Durchfluss nicht bis zur Sollwertvorgabe Null regeln
lässt.
Umgekehrt wird eine Störung
im Antriebssystem erkannt, sobald die Sollwertvorgabe trotz vollständig geöffnetem
Prozessventil 3 nicht erreicht werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist in 2 unter Verwendung gleicher
Bezugszeichen für
gleiche Mittel ein Regelkreis zur Regelung einer prozessualen Größe mit Diagnose
prinzipiell dargestellt. Im Unterschied zur Darstellung gemäß 1 ist
der Istwertgeber 7 durch einen Differenzdruckmessumformer
gebildet, der mit zwei Impulsleitungen 13 an den Behälter 1 angeschlossen
ist. Der Behälter 1 ist
zwischen den Anschlüssen
der Impulsleitungen 13 mit einer Blende 12 ausgestattet.
Mit dem Differenzdruckmessumformer 7 wird die Druckdifferenz
in dem Behälter 1 vor
und hinter der Blende 12 gemessen. Die gemessene Druckdifferenz
ist ein Maß für den Volumenstrom
durch die Blende 12. Der Differenzdruckmessumformer 7 ist
vorzugsweise in direkter Nähe
zu einem Prozessventil 3 montiert. Die Wirkungsweise des
Regelkreises ist bereits oben beschrieben.
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Zur
Diagnose wertet der Differenzdruckmessumformer 7 intern
die Rohdaten der Druck- und Differenzdruckmessung aus, um daraus
Rückschlüsse auf
den Zustand des Prozessventils 3 zu ziehen.
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Darüber hinaus
kann vorgesehen sein, den Differenzdruckmessumformer 7 als
Mikrofon zu betreiben, um Ventilgeräusche und/oder Prozessgeräusche zu
erfassen, die sich im Prozessmedium ausbreiten.
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Die
gewonnenen Diagnosedaten sendet der Differenzdruckmessumformer 7 an
die Regeleinrichtung 5. Darüber hinaus kann vorgesehen
sein, dass die Diagnosedaten an das Steuerungssystem 10 weiterleitet
werden.
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- 1,
2
- Behälter
- 3
- Prozessventil
- 4
- Stellantrieb
- 5
- Regeleinrichtung
- 6
- Feldbus
- 7
- Istwertgeber
- 8
- Fühler
- 9
- Druckmittelzufuhr
- 10
- Steuerungssystem
- 11
- Direktverbindung
- 12
- Blende
- 13
- Impulsleitung