DE19937597B4

DE19937597B4 - Druckmittelbetriebener Stellantrieb

Info

Publication number: DE19937597B4
Application number: DE1999137597
Authority: DE
Inventors: Thomas Georg Dr. Karte; Werner Thönebe; Dieter Friedemann
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2019-08-10
Also published as: DE19937597A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb, welcher lagegeregelt ist bzw. einen Stellungsregler enthält, sowie mit Abgriff- bzw. Abgreifmitteln und/oder Kopplungsmitteln zwischen Stellantrieb und Regler gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Um hierbei zu erreichen, daß eine genauere Druckregelung unter Vermeidung sowohl mechanischer als auch regelungstechnischer Hysteresen realisierbar ist, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Reglerelemente bzw. der Regler (20) und der Stellantrieb mit den Antriebszylindern (1, 2) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) integriert angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb, welcher entweder lagegeregelt betrieben wird bzw. mit einem Stellungsregler verbunden ist, wobei zwischen Stellantrieb und Regler Abgriff- bzw. Abgreifmittel und/oder Kopplungsmittel zur Übertragung der Bewegung des Stellantriebes auf dem Regler vorgesehen sind gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Druckmittelbetriebene Stellantriebe werden meistenteils als Ventilantriebe für Großprozeßventile eingesetzt. Die besagten Ventile großer Nennweite bedürfen für den geregelten Eingriff in den Verfahrensprozeß einer genauen Ermittlung der Ventilstangenstellungen. Die Ventilstange kann dabei entweder hubbetätigt oder drehbetätigt sein, wonach sich dann die entsprechend spezifische Gestaltung der Abgriffmittel gestaltet. Ein Beispiel im Stand der Technik sind drehbetätigte Ventile. Hierbei ist ein Ventilantrieb vorgesehen, welcher an zwei diametral gegenüber liegenden Seiten des Antriebes Abtriebswellen aufweisen. Die untere Abtriebswelle wirkt durch entsprechende Kopplung auf die mechanischen Betätigungsmittel des Ventils ein. Der obere Abtrieb wird dem eigentlichen Stellungsregler zugeführt. Der Stellungsregler ist bei bekannten Bauarten, über eine genormte Befestigungskonsole am Ventilantrieb befestigt. Zwischen der dem Regler zugewandten Abtriebsseite des Antriebes und dem Regler selbst findet eine mechanische Kopplung statt. Hierzu weist der Regler ebenfalls einen Wellenabtrieb auf, welcher mit der Abtriebswelle des Ventilantriebes gekoppelt wird.

Es hat sich vielfach gezeigt, daß die separierte Anordnung des Reglers aus mehreren Gründen problematisch ist. Zum einen ist die besagte Kopplungsstelle spielbelastet, so daß im Regelfall eine Hysterese entsteht. Die Hysterese als solche ist dabei undefiniert, weil jede Kopplungsstelle ein anderes Spielverhalten aufweist, welches kaum reproduzierbar ist. Hierdurch wird die gesamte Regelung des Stellantriebes unbestimmt. Aus der DE 44 22 528 C2 ist eine fluidbetätigte Antriebseinheit bekannt, die Ventile in den Zylinderdeckeln integriert enthält. Hierbei handelt es sich lediglich um eine ortsnahe Anordnung der in diesem Regelkreis vorgesehenen Stellerglieder an der Antriebseinheit. Ferner werden zwischen dem Stellantrieb und dem Regler Druckleitungen zur Übertragung des Arbeitsdruckes vorgesehen. Hierbei wird eine kommunizierende Druckleitung zwischen den Betätigungskammern des Stellantriebes und dem Regler realisiert. An dieser Stelle taucht im Stand der Technik eine sehr beachtliche Fehlerquelle auf. Da der Stellantrieb druckmittelbetrieben und auch druckmittelgeregelt ist, wird der im Regler aufgebaute Druck an die Stellkammern des Stellantriebes durchgesteuert. Eine Druckmessung innerhalb der Leitung oder auch im Bereich des Reglers repräsentiert daher in keinem Betriebsfall den tatsächlichen Zylinderdruck im Stellantrieb. Der Grund dafür liegt darin, daß durch die kommunizierende Leitung und die Strömung des Mediums durch dieselbe, aufgrund des Bernoulli – Effektes der so gemessene Druck nicht den tatsächlichen Zylinderdruck repräsentiert. In Folge dessen kann die Regelung und das auf eine gegebenenfalls druckbezogene Regelung durchgesteuerte Regelziel nur ungenau sein.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb der bezeichneten Gattung dahingehend weiterzubilden, daß eine genauere Druckregelung unter Vermeidung sowohl mechanischer als auch regelungstechnischer Hysteresen realisierbar ist.

Die gestellte Aufgabe wird hinsichtlich einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen druckmittelbetriebenen Stellantriebes sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 angegeben.

Hinsichtlich eines Regelverfahrens ist die gestellte Aufgabe in Verbindung mit einem benannten druckmittelbetriebenen Stellantrieb erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 13 gelöst.

Hinsichtlich eines Diagnoseverfahrens ist in Verbindung mit einem druckmittelbetriebenen Stellantrieb der genannten Art, die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 14 gelöst.

Kern der Erfindung ist hierbei, daß die Reglerelemente und der Stellantrieb in einem gemeinsamen Gehäuse integriert angeordnet sind. Durch diese integrative Bauform wird zum einen auf die oben im Stand der Technik beschriebene mechanische Kopplungsstelle mit allen ihren Nachteilen verzichtet und die Druckmessung kann direkt im Zylinderraum des Stellantriebes erfolgen und für den Stellungsregler ausgewertet werden. Somit sind mechanische sowie auch druckmittelmäßige Hysteresen minimiert und der Regler ist erheblich zielgenauer. Damit ergeben sich aus der kompakten Bauform nicht nur Montagevorteile, sondern auch die daraus resultierenden regelungstechnischen Vorteile.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des druckmittelbetriebenen Stellantriebes erfolgt eine direkte Wegmessung an der Antriebswelle. Auch hier entfällt der Nachteil einer hysteresebehafteten mechanischen Kopplung. Dabei kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der pneumatische Regler direkt gehäuseintern mit den Antriebszylindern des Stellantriebes verbunden sein. Ebenso kann die Elektronik in ein und dem selben Gehäuse untergebracht sein. Hierdurch entsteht zusätzlich zu den regelungstechnischen Vorteilen natürlich auch eine kompakte und vor allem hermetisch sauber abschließbare Gehäusebauform, auch für problematische Einsätze in staub- oder schmutzbelasteter Umgebung.

Der Antrieb kann dabei ein Membranantrieb oder ein Zylinderantrieb sein.

Als Wegsensor zur Erfassung der Bewegung der Stellantriebwelle können berührungslose Wegsensoren induktiver oder kapazitiver Art eingesetzt werden.

Zur druckabhängigen Regelung ist dabei ein Drucksensor vorgesehen, der direkt den Druck in den Antriebszylindern mißt. Hierbei wird der Druck nicht, wie im Stand der Technik, innerhalb einer Leitung gemessen, sondern im Antriebszylinder direkt. Damit entfällt der oben beschriebene Bernoulli-Effekt, bei dem der in einer Leitung gemessene Druck nicht den Zylinderdruck repräsentiert, wegen der darin bewirkten Strömung. Unter Vermeidung dieses Effektes ergibt sich nunmehr eine pneumatisch zielgenauere Regelung. Das System kann somit bei reiner Druckregelung erheblich zielgenauer geregelt werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung geht die Druckmessung in die Regelung als sogenannter Kaskadenregler ein. Eine weitere Ausgestaltung kann darin bestehen, daß der Antrieb zwei Druckkammern enthält, wobei beide Druckkammern getrennt geregelt werden, also somit jeweils eine für sich eigene pneumatische Vorsteuerstufe enthalten. In diesem Falle ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß zwischen den beiden Druckkammern eine kommunizierende Druckleitung existiert. Hierdurch wird eine zielgenaue Umsteuerung erreicht und pneumatisch eine hohe Laststeifigkeit erwirkt. Dabei ist es vorteilhaft, in die kommunizierende Druckleitung ein pneumatisch vom Regler ansteuerbares Ventil einzusetzen. Hierdurch kann die Umsteuerung in entsprechend genauer Weise erfolgen. Alternativ dazu kann jedoch zur Umsteuerung bereits die Verwendung eines Rückschlagventiles in der kommunizierenden Druckleitung ausreichend sein.

Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, daß der Kammerdruck im Sinne eines Zustandsreglers mit ausgeregelt wird.

Weiterhin ist ein Regelverfahren angegeben, welches auf der zusätzlichen Drucksensorbewertung basiert. Durch die entsprechend ortsnahe Positionierung der Druckmessung direkt in den Antriebszylindern repräsentiert der so gemessene Druck immer den Kammerdruck und nicht einen durch Strömungseffekte verfälschten Druck.

Weiterhin ist ein Diagnoseverfahren angegeben, welches für eine solche erfindungsgemäß integrative Bauform außerordentlich vorteilhaft ist. Dadurch, daß durch die integrative Bauform spielbelastete mechanische Kopplungsstellen entfallen und zum anderen durch direkte Druckmessung der Bernoulli-Effekt eliminiert ist, kann nunmehr eine sehr feinfühlige Messung der sogenannten Stopfbuchsenreibung erfolgen. Diese Reibung entsteht dort, wo die Antriebswelle in den Ventilkörper über eine Stopfbuchse gedichtet und gelagert eintritt. Diese Stopfbuchse unterliegt einer Verschleißwirkung, die einen regelmäßigen Austausch derselben bedingt. Dies ist aus dem Grunde notwendig, um das Innere des Ventilkörpers von der staub- und schmutzbelasteten Umgebung sauber zu halten. Durch eine sogenannte dynamische Messung von Haft- und Gleitreibung kann durch das so erhaltene aufzeichenbare Gleitreibungsbild der Zustand der Stopfbuchse automatisch bzw. elektronisch ermittelt werden. Ein solches Gleitreibungsbild wird aus den oben genannten Regelgrößen ermittelt. Die Übergänge zwischen Gleit- und Haftreibung lassen sich im Drucksensorbild erkennen bzw. auch elektronisch auswerten. Da die besagte Stopfbuchsenreibung und das entsprechende Gleitreibungsbild nur bei entsprechend hysteresefreier Beaufschlagung der Mechanik möglich ist, wird genau dieses Verfahren ebenfalls durch den erfindungsgemäß bewirkten Wegfall besagter Hysteresen in dieser Genauigkeit erst möglich. Insgesamt ergeben sich folgende Vorteile.

Durch die integrierte Bauform sind Relativschwingungen zwischen Regler und Stellantrieb fast vollständig eliminiert. Dies bewirkt ebenfalls eine präzisere Regelung auch im Falle höherer mechanischer Betriebsbelastung. Des weiteren fallen gehäuseexterne Leitungen zwischen Regler und Stellantrieb sowohl elektrischer als auch druckmittelmäßiger Art weg. Insgesamt können die Vorteile direkter Druckmessung in den Zylinderkammern des Stellantriebes ausgenutzt werden. Es ergibt sich damit eine zielgenauere Regelung. Darüber hinaus entsteht, wie oben bereits dargestellt, eine optimale Laststeifigkeit bei voneinander unabhängiger Regelung beider Druckkammern. Durch eine direkte Kopplung beider Kammern ist ein schnelleres Anfahren in die Zielposition möglich.

Alles in allem ist die Erfindung für jede mögliche Antriebsbauform geeignet. Die Bauformen können einfach wirkend, doppelt wirkend, linear oder verschwenkbewegt sein. In jedem der genannten Fälle sind die genannten Vorteile gegenüber bekannten Bauformen erzielbar. Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigt:
1: Schematische Darstellung des Stellantriebes mit integriertem Regler.
2: Separierte Anordnungen von Antrieb und Regler im Stand der Technik.
1 zeigt eine Ausgestaltungsbauform, bei welcher in erfindungsgemäßer Weise Regler 20 und Stellantrieb in einem gemeinsamen Gehäuse 10 untergebracht sind. Einer der Vorteile hierbei ist im übrigen, daß dieses besagte Gehäuse mitsamt der ansonsten so problematischen Kopplungsstelle in einem gemeinsamen Gehäuse eingehaust sind. Hierbei ist ein Stellantrieb angedeutet, welcher mit zwei Druckmittelkammern bzw. zwei unabhängigen Zylinderkammern 1, 2 arbeitet. Diese besagten Zylinderkammern 1, 2 sind mit einer kommunizierenden Leitung und einem entsprechenden Regelventil versehen. Statt des Regelventils 7 kann auch ein einfaches Rückschlagventil verwendet werden. Durch die Verwendung eines Regelventils 7 jedoch hat man direkteren Einfluß auf den Umsteuervorgang und damit auf die zu erzeugende Laststeifigkeit auch bei unterschiedlichen und wechselnden Belastungen auf den Stellantrieb. Die Druckmessung P₀ erfolgt dabei direkt in den Zylinderkammern 1, 2 wodurch jedweder Bernoulli-Effekt von ansonsten dem Stand der Technik in Druckleitungen gemessenen Drücken vermieden wird. Die Ventilstangenbewegung bzw. die Bewegung der Abtriebswelle 3, die gleichzeitig die Ventilstange sein kann, kann dabei in verschiedener Weise abgetastet werden. Bei einer Hubbewegung können Wegsensoren 6 eingesetzt werden, bei einer Dreh- oder Verschwenkbewegung auch entsprechende Winkelwegsensoren. Dabei kann die Abtastung induktiv, kapazitiv oder optisch, gegebenenfalls sogar mechanisch und auf ein Abtastelement 5 übertragen sein, welches vom Wegsensor 6 abgetastet wird. Durch die direkte Einwirkung des Wegsensors 6 bzw. die direkte Abtastung des Abtriebes des Stellantriebes mißt der Wegsensor die genaue Position bzw. die genaue Positionsveränderung unter Vermeidung jedweder mechanischer Hysterese.
Die Ventilstange ist durch die hier schematisch dargestellte Stopfbuchse geführt, die im Betrieb dem oben beschriebenen Verschleiß unterliegt und in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden muß. Durch das dargestellte Diagnoseverfahren kann nunmehr durch die direkte Druckmessung in den Zylinderkammern 1, 2 des Stellantriebes ein genaues Gleitreibungsbild der Stopfbuchse 4 erstellt werden. Auch hierbei wird dies durch den Wegfall spielbelasteter und damit hysteresewirkender mechanischer Kopplungsstellen erreicht.
2 zeigt eine Bauform nach dem Stand der Technik. Diese zeigt sehr deutlich die Unterschiede zur erfindungsgemäßen Ausführung nach 1 auf. Die Bauform nach dem Stand der Technik zeigt einen Stellungsregler mit einem zweiteiligen Gehäuse. Ein erster Gehäuseteil 100 beinhaltet den eigentlichen Regler, bzw die zum Regler gehörenden elektronischen Bauteile, und der untere Gehäuseteil 120 beinhaltet den den pneumatischen Antrieb der zu betätigenden Ventilstange. Die beiden Gehäuseteile bzw Teilgehäuse 100 und 120 sind voneinander beabstandet über eine Konsole 110. Innerhalb dieser Beabstandung, d.h. in Höhe der Konsole ist eine Kopplungsstelle zwischen zwei drehbetätigten Ventilstangenabschnitten. Diese Kopplungstelle ist bei einer getrennten Bauform zwingend. Im Oberen Teilgehäuse 100 wird der Drehwegabgriff der Ventilstange durchgeführt, und im unteren Teilgehäuse 120 ist der eigentliche Antrieb. Bei dieser Bauform tritt als erster Nachteil die spielbehaftete Kopplungstelle hervor, welche mit der Kreislinie A gekennzeichnet ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Druckmessung der Zylinderkammerdrücke im Antrieb, also im Gehäuseteil 120, üblicherweise mit Hilfe einer Druckleitung erst im oberen Teilgehäuse 100 gemessen wird. Wie eingangs beschrieben führt aber genau diese Meßart zum beschriebenen Bernoulli – Effekt, der die Druckmessung ungenau und eine druckbasierte Regelung unmöglich macht.
Durch die erfindungsgemäße Bauform nach 1 ist jedoch jedoch genau dies vermieden. Die Gehäuseteile sind zu einem zusammenhängenden Gehäuse zusammengefasst, wodurch auch die Kopplungstelle entfällt, weil die Ventilstange nunmehr einstückig ausgebildet werden kann. Desweiteren fällt die vermittelnde Druckleitung zwischen den Teilgehäusen 100 und 120 weg und der Druck kann sofort an den Zylinderkammern gemessen werden. Da so der Bernoulli-Effekt wegfällt, kann die Regelung auch druckbasiert ausgeführt sein.

Claims

Druckmittelbetriebener Stellantrieb, welcher lagegeregelt ist oder mit einem Stellungsregler verbunden ist, sowie mit Abgriff bzw. Abgreif und/oder Kopplungsmitteln zwischen Stellantrieb und Regler, wobei die Reglerelemente bzw der Regler (20) und der Stellantrieb mit den Antriebszylindern (1, 2) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) integriert angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Weg- oder Winkelsensor (6) direkt an der Abtriebswelle (3) des Stellantriebes angeordnet ist, und daß Druckmesselemente direkt in oder nahe an den Antriebszylinderräumen (1, 2) angeordnet sind
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatische Stellungsregler direkt und gehäuseintern mit dem Antrieb verbunden ist.
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu dem pneumatischen Regler (20) gehörende Elektronik im selben Gehäuse (10) untergebracht ist.
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb als pneumatischer Drehantrieb ausgestaltet ist.
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor (6) ein Drehwinkelsensor ist.
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein Kaskadenregler ist.
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb zwei Antriebszylinderkammern aufweist.
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß beide Antriebszylinderkammern (1, 2) getrennt geregelt sind und jeweils eine für sich separate pneumatische Vorsteuerstufe enthalten.
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach Anspruch 7 oder 8 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine kommunizierende Druckleitung zwischen beiden Antriebszylinderkammern (1, 2) vorgesehen ist.
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Regler ansteuerbares Ventil (7) in der kommunizierenden Druckleitung angeordnet ist.
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der kommunizierenden Druckleitung ein Rückschlagventil vorgesehen ist.
Druckmittelbetriebener Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kammerdruck im Sinne eines Zustandsreglers mit ausgeregelt wird.
Verfahren zum Regeln eines druckmittelbetriebenen Stellantriebes, welcher lagegeregelt oder über einen Stellungsregler lagegeregelt ist und zu diesem Zweck die Stellantriebbewegung zum Regler gekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb der Antriebszylinderkammern des Stellantriebes gemessen wird und darauf basierend geregelt wir, oder in die Regelung maßgeblich mit eingeht.
Diagnoseverfahren für einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb, welcher lagegeregelt ist oder einen Stellungsregler enthält, dadurch gekennzeichnet, daß über die Bewertung des Druckes direkt in den Antriebszylindern des Stellantriebes ein Gleitreibungsbild erstellt wird, über welches die Reibung und der Verschleißzustand eines Stopfbuchsenelementes am Steuerantrieb bzw. am damit gesteuerten Ventil ermittelt wird.