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Regelkreisanordnung mit binären Kraftschaltern für ein Stell-
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glied mit integralem Verhalten zur Erzielung einer Regelung mit stetig-ähnlichem
Regelverhalten Regelkreisanordnungen zur Erzeugung geregelter translatorischer Antriebs
oder Stellbewegungen vorzugsweise mittels rotierender elektromotorischer Antriebe
unter Zwischenschaltung von Getrieben, insbesondere für geregelte Stellantriebe
von Rohrleitungsschaltern, sind hinlänglich bekannt. Die elektromotorischen Antriebe
sind in diesen Regelanordnungen in Verbindung mit den Getrieben Stellglieder, wobei
die Eingangsgröße dieser Stellglieder ein elektrischer Regelbefehl ist. In der Terminologie
der Regeltechnik werden diese Art Re gelbe fehle Stell größen genannt. Die Stellgröße
kann nun stetiger oder unstetiger Natur sein, je nach dem, ob ein stetiger oder
unstetiger Energiesteller die im Ausgang des Reglers benötigte Energie einstellt.
In Regelkreisanordnungen zur Erzeugung geregelter transiatorischer Antriebs- oder
Stellbewegungen werden vorzugsweise unstetige Eneryi es teller, die Energieschalter
(im folgenden Kraftschalter genannt) verwendet. Die unstetigen Kraftschalter entstehen
durch Bauteile, die nur zwei Werte eines Regelbefehls übertragen können. Bei der
Ubertragung elektrischer Re gelbe fehle sind diese Bauteile binäre Schaltelekante,
die nur die Befehle "EIN" und "AUS" weitergeben können, so daß
die
elektrische Stellgröße binär digitalen Charakter hat.
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Geregelte translatorische Antriebs- oder Stellbewegungen werden beispielsweise
aus elektromotorisch erzeugten Rotationsbewegungen durch Zwischenschaltung eines
Getriebes und einer Gewindespindel mit Mutter oder eines Ritzels mit einer Zahnstange
erzeugt. Dabei wird das elektromotorisch betriebene Stellglied in den zwei möglichen
Drehrichtungen über binäre elektrische Kraftschalter angesteuert.
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Diese bekannten Vorrichtungen sind konstruktiv aufwendig und damit
relativ teuer und es ist eine Leistungselektrik bzw. -elektronik unmittelbar am
Stellglied notwendig. Sie ermöglichen nicht den automatischen Übergang des Stellgliedes
in definierte, Sicherheitsstellungen darstellende Endlagen, beispielsweise beim
Ausfall der die Eingangsgröße für das Stellglied darstellendenstellgröße. Konkret
bedeutet dies beispielsweise für ein elektromotorisch angetriebenes Regelventil,
daß bei Ausfall der Stellgröße, also der elektrischen Energie für den Elektromotor,
die Ventilspindel und damit der Durchtrittsquerschnitt des Regelventils in der letzten
noch geregelten Stellung verharrt; selbst dann noch, wenn die Regel größe sich derart
verändert hat, daß ein vollständiges Schließen oder Öffnen des Regelventils aus
Sicherheitsgründen notwendig wäre.
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Aus der binären digitalen Ansteuerung des elektromotorischen Antriebs,
d.h. aus dem unstetigen Übertragungsverhalten des binären elektrischen Kraftschalters
resultiert ein weiterer Nachteil, der durch das Massenträgheitsmoment der Drehmassen
bedingt ist: der Antrieb hat einen bestimmten systembedingten Nachlauf, der die
Feinregulierung negativ bebeeinflußt. Weiterhin ist es in vielen Anwendungsfällen
aufgrund der Betriebsbedingungen feuchte Räume, Spritzwasser) nachteilig, wenn am
Stellglied elektrische oder elektronische Bauteile angeordnet sind. Aufwendige Sicherungsmaßnahmen
gegen das Eindringen von Feuchtigkeit sind zwangsläufig notwendig.
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Neben den elektromotorisch angetriebenen Stellgliedern sind mit pneumatischen
Druckmittels beaufschlagte Stellglieder, die beispielsweise aus einem Zylinder mit
einseitig oder doppelt wirkendem Kolben bestehen, bekannt. Es wird vorzugsweise
mit offenen Systemen gearbeitet, wobei das den Antriebszylinder verlassende Druckmittel
für den weiteren Prozeß verloren
ist. Diese bekannten Vorrichtungen
weisen folgende Nachteile auf: - Bei relativ dicht im Zylinder geführtem Kolben,
d.h. bei relativ großen, die Kolbenbewegung hemmenden Reibungskräften, treten durch
die Kompressibilität des pneumatischen Druckmittels bedingte ruckartige Kolbenbewegungen,
sog. "stick-slip"-Erscheinungen auf.
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- Bei leichtgängigen Kolben treten Leckageverluste auf, die ein ständiges
Nachspeisen des pneumatischen Druckmittels erfordern.
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- Die Kompressibilität des pneumatischen Druckmittels begünstigt
Schwingungen der über das Stellglied beeinflußbaren Regel größe, die systemimmanent
sind oder dem System durch Störgrößen von außen aufgezwungen werden.
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Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
zur Erzielung einer Regelung mit stetig-ähnlichem Regelverhalten eine Regelkreisanordnung
mit Dreipunktregler, pneumatisch-hydraulischem Stellglied und binären pneumatischen
Kraftschaltern zu schaffen, die weder mit den bekannten Nachteilen pneumatischer
Stellglieder noch mit den Nachteilen des unstetigen Übertragungsverhaltens binär
digitaler Kraftschalter behaftet ist.
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Die Verwendung von Regelkreisgliedern mit unstetigem Ubertragungsverhalten,
wie binäre Kraftschalter und Dreipunktregler, senkt die Kosten für die gesamte Regelkreisanordnung.
Dabei muß aber sichergestellt sein, daß mit diesen Regelkreisgliedern, wo immer
dies im Hinblick auf das Regelergebnis bzw. die Qualität der Regelung notwendig
ist, ein stetig-ähnlichtes Regelverhalten erzielt wird.
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Diese Forderung nach stetig-ähnlichem Regelverhalten wird erfindungsgemäß
im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen, die mit elektrischen Mitteln arbeiten,
durch Kombination von binären pneumatischen Kraftschaltern mit eine Dreipunktregler
und einem Stellglied mit integralem Verhalten erfüllt. Sowohl die vorgesehenen Kraftschalter
als auch der Dreipunktregler sind Regelkreisglieder mit unstetigem Übertragungsverhalten.
In der vorgeschlagenen Anordnung wird eine sich stetig ändernde Regelgröße x, die
als
elektrische, pneumatisches oder hydraulisches Signal vorliegen kann, am Eingang
eines Dreipunktreglers mit der Führungsgröße w verglichen. Das Ergebnis, die sogenannte
Regelabweichung xe, die stetiges Verhalten aufweist, wird vom Dreipunktregler in
ein unstetiges, durch die drei mögliche Zustände minus", "null", "plus" gekennzeichnetes
, vorzugsweise elektrisches Ausgangssignal verarbeitet. Jedes von "null" verschiedene
Ausgangssignal steuert einen pneumatischen binären Kraftschalter. Diese binären
Kraftschalter können bei Ausbildung der Vorrichtung nach Anspruch 3 sogenannte 2/2-Wegeventile
sein, die mit zwei wirksamen Anschlüssen und zwei wirksamen Schaltstellungen ausgestattet
sind. In der Regel verfügen sie über eine Elektromagnetbetätigung mit Rückstellfeder.
Sie öffnen oder schließen den Weg für das pneumatische Druckmittel, das dem Stellglied
als Stellgröße yR zugeführt wird. Über die binären Kraftschalter wird das Stellglied
und das das Stellglied mit den Kraftschaltern verbindende System impulsweise, d.h.
unstetig beeinflußt. Durch das integrale Ubertragungsverhalten des Stellgliedes
ergibt sich insgesamt gesehen am Ausgang des Stellgliedes ein sich stetig-ähnlich
ändernder Stellweg y. Die Güte dieses stetig-ähnlichen Übertragungsverhaltens wird
wesentlich von der Schalthäufigkeit des Dreipunktreglers und der möglichen Schaltfrequenz
der Kraftschalter bestimmt.
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Bei ausgangsseitigem "null"-Signal des Dreipunktreglers besteht innerhalb
eines vorgegebenen Toleranzbereichs Identität zwischen Regel- und Führungsgröße
x bzw. w. In diesem Fall gehen die beiden binären Kraftschalter in Schließstellung.
Bei einem von "null" abweichenden Ausgangssignal des Dreipunktreglers ("minus",
"plus") werden alternativ die binären Kraftschalter elektrisch angesteuert. Bei
"minus"-Signal des Dreipunktreglers wird das Stellglied energetisch mit der pneumatischen
Druckquelle verbunden, so daß Druckmittel in das Stellsystem eingespeist werden
kann. Das "plus"-Signal des Dreipunktreglers wird invertiert (es wird dadurch zu
"null"), so daß der elektromagnetische Antrieb des entsprechenden traftschalters
nicht mehr erregt ist und in Offenstellung geht. Das pneumatische Druckmittel kann
dadurch aus dem Stellsystem entweichen, wodurch eine Änderung der Stellweggeschwindigkeit
bis hin zur Umkehr des Stellweges y erreicht wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Die oben beschriebenen Nachteile bekannter Stellglieder, die mit pneumatischen
Druckmitteln beaufschlagt werden, lassen sich durch die in Anspruch 2 vorgeschlagene
Ausbildung des Stellgliedes vermeiden. Es ist vorteilhaft, den Kolben des Antriebszylinders
nicht unmittelbar mit dem pneumatischen Druckmittel zu beaufschlagen, sondern ein
flüssiges Dämpfungsfluid zwischen Kolben und pneumatischem Druckmittel anzuordnen.
Dieses Dämpfungsfluid dient der Druck- und damit Kraftübertragung vom pneumatischen
Druckmittel auf den Antriebskolben. Das vom Stellglied zu fordernde integrale Übertragungsverhalten
wird durch diese Maßnahme zwar graduell, nicht jedoch grundsätzlich beeinflußt.
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Bei Verwendung von binären Kraftschaltern mit hoher Schaltfrequenz
nach Anspruch 4 wird ein stetig-ähnliches Regelverhalten der gesamten Regelanordnung
erreicht, die praktisch keine Unterschiede zu stetig arbeitenden Regelanordnungen
erkennen läßt.
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Durch Anordnung von verstellbaren Drosseleinrichtungen innerhalb der
Regelanordnung nach Anspruch 5 werden die Zeitkonstante der Regelstrecke und des
Reglers einschließlich des Stellgliedes einander nach den praktischen Erfordernissen
angepaßt.
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Bei Ausgestaltung der Regelanordnung nach Anspruch 6 ergeben sich
folgende Vorteile: - alle Regelkreisglieder mit Ausnahme des Dreipunktreglers und
der Istwertmessung können in einer besonderen Einheit vormontiert und elektrisch
und pneumatisch vollständig beschaltet werden; - die Montage der gesamten Regelanordnung
wird wesentlich vereinfacht; - das System wird durch die kürzeren pneumatischen
Leitungen weniger träge als vergleichbare Lösungen, bei denen Kraftschalter beispielsweise
unmittelbar am Regler in einiger Entfernung vom Stellglied angeordnet sind.
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Um beispielsweise den Erfordernissen bei der Ausrüstung von explosionsgefährdeten
Räumen in besonderer Weise zu entsprechen, wird die Regelkreisanordnung nach Anspruch
7 ausgebildet.
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Bei Ausgestaltung der Regelkreisanordnung nach Anspruch 8 wird erreicht,
daß bei Ausfall der Energie im Regler R das Stellglied automatisch in eine Sicherheitsstellung
überführt wird. Dies geschieht dadurch, daß im energielosen Zustand der binäre Kraftschalter
in der Arbeitsleitung durch Federkraft geschlossen, derjenige in der Auslaßleitung
durch ebensolche Kräfte geöffnet wird. Je nach dem, ob das Stellglied federöffnend
oder -schließend arbeitet, geht es in die Offen- oder die Schließstellung, die Sicherheitsstellungen
darstellen können. Da der binäre Kraftschalter innerhalb der Auslaßleitung nicht
zwischen Energieausfall im gesamten Regler und "null"-Signal am Ausgang des Dreipunktreglers
unterscheiden kann, zu diesem bezogen auf die Steuerleitung des Kraftschalters gleichen
Zustand aber zwei voneinander verschiedene Schaltstellungen desselben Kraftschalters
gehören, wird das Signal in der Steuerleitung durch ein Negationsglied invertiert.
Durch diese Anordnung wird der binäre Kraftschalter bei "null"-Signal des Dreipunktreglers
mit Energie versorgt und geht in Schließstellung, bei Energieausfall im gesamten
Regler R geht er in Offenstellung.
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Prinzipiell kann die beschriebene Regelkreisanordnung auch mit binären
Kraftschaltern betrieben werden, die einen hydraulischen Ausgang besitzen.
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Bei diesem mit hydraulischem Druckmittel arbeitenden System überwiegen
in der Regel die systemimmanenten Nachteile gegenüber den erzielbaren Vorteilen,
so daß derartige Lösungen nur in Sonderfällen zur Anwendung kommen dürften. Die
Nachteile sind in erster Linie im erhöhten konstruktiven Aufwand für das vorzugsweise
im Kreislauf zu führende hydraulische Druckmittel und in den aus Sicherheitsgründen
notwendigen über ström- bzw. Sicherheitsarmaturen begründet. Ein denkbarer Sonderfall
ist beispielsweise dann gegeben, wenn das Stellglied in explosionsgefährdeten Räumen
angeordnet werden muß und aus diesem Grunde eine rntegration der elektrisch angesteuerten
binären Kraftschalter mit dem Steil'glied nicht verwirklicht werden kann. Die in
diesem Fall notwendige räumliche Trennung von Stellglied und binären Kraftschaltern
ergibt relativ lange druckmittel führende Verbindungsleitungen zwischen Stellglied
und binären Kraftschaltern mit relativ großem Volumina. um
bei
diesen speziellen apparativen Gegebenheiten Schaltverzögerungen und mögliche Eigenschwingungen
zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, ein inkompressibles, eben ein hydraulisches
Druckmittel vorzusehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die praxisrelevante pneumatische
Variante beispielhaft ausgewählt wurde, wird anhand der einzigen Zeichnung erläutert.
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Die Regelkreisanordnung besteht aus einer nicht näher gekennzeichneten
Regelstrecke 1, dem pneumatischen Stellglied 2 und dem Regler R. Der Regler beinhaltet
den Dreipunktregler 16, die binären pneumatischen Kraftschalter 12, 13 mit Betätigung
durch den elektromagnetischen Antrieb 12a bzw. 13a einerseits und die Rückstellfeder
12b bzw. 13b andererseits und die verstellbaren Drosseln 14 bzw. 15.
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Der Signalfluß innerhalb der Regelkreisanordnung wird zwischen den
einzelnen Regelkreisgliedern wie folgt realisiert: zwischen Regelstrecke 1 und Dreipunktregler
16 durch die Meßleitung 18, die die RegelgröBe x führt; zwischen dem Dreipunktregler
16 und dem binären pneumatischen Kraftschalter 12, der in der Arbeitsleitung 10a
angeordnet ist, durch die elektrische Steuerleitung 17a, die alternativ das Ausgangssignal
Xa führt; zwischen dem Dreipunktregler 16 und dem binären pneumatischen Kraftschalter
13, der die von der Arbeitsleitung 1Oa hinter dem binären pneumatischen Kraftschalter
12 abzweigende Auslaßleitung 10b öffnet oder schließt, durch die elektrische Steuerleitung
17b, die alternativ das Ausgangssignal Xa führt, und in der Folge die elektrische
Steuerleitung 17c, wobei die erste mit dem Eingang, die zweite mit dem Ausgang des
Negationsgliedes 17 verbunden ist; zwischen dem binären pneumatischen Kraftschalter
12 und dem Stellglied 2 durch die Arbeitsleitung 10a, die die Stellgröße YR führt;
zwischen dem Stellglied 2 und der Regelstrecke 1 durch die kolbenseitige Stange
6a, die den Stellweg y ausführt.
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Innerhalb der Meßleitung 18 befindet sich eine Vergleichsstelle 18a,
an der der Sollwert/Istwert-Vergleich zwischen Führungsgröße w und Re gel größe
x vorgenommen wird. Das Ergebnis ist die in den Dreipunktregler 16 eintretende Regelabweichung
xe. Das gesamte System wird von der pneumatischen Druckquelle 11 über die zentrale
Arbeitsleitung 10
mit dem pneumatischen Druckmittel versorgt. Vor
dem Eintritt in den binären pneumatischen Kraftschalter 12 ist eine verstellbare
Drossel 14 in der Arbeitsleitung 10a angeordnet. Eine zweite verstellbare Drossel
15 befindet sich in der Auslaßleitung 10b hinter dem binären pneumatischen Kraftschalter
13.
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Das Stellglied 2 besteht aus einem Antriebszylinder 3, in dem ein
mit der Rückstellfeder 7 belasteter Antriebskolben 4 verschiebbar geführt wird.
Der Antriebskolben 4 bildet zusammen mit dem Behälter 6 einen geschlossenen Hohlraum,
der das Reservoir für das Dämpfungsfluid 8 darstellt. Der Behälter 6 verjüngt sich
einerseits in die behälterseitige Stange 6b, deren behälterseitige Bohrung 6c der
zuführung des pneumatischen Druckmittels 9 dient, andererseits ist am Antriebs kolben
4 die kolbenseitige Stange 6a befestigt. Die kolbenseitige und die behälterseitige
Stange 6a bzw. 6b sind aus dem Antriebszylinder 3 herausgeführt. Mittels der Durchtrittsöffnung
5 im Antriebskolben 4 wird das Dämpfungsfluid gedrosselt und der Unterseite des
Antriebskolbens 4 zum Zwecke des Antriebs zugeführt.
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Die Regelkreisanordnung mit binären Kraftschaltern für ein Stellglied
mit integralem Verhalten zur Erzielung einer Regelung mit stetig-ähnlichem Regelverhalten
arbeitet wie folgt: Aus dem Vergleich an der Vergleichsstelle 18a der anstehenden
Regelgröße x in der Meßleitung 18 und der vorgegebenen Führungsgröße w resultiert
die in den Dreipunktregler 16 eintretende Regelabweichung xe.
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In Abhängigkeit von dieser Regelabweichung xe, die vorzugsweise als
elektrische Größe vorliegt, produziert der Dreipunktregler als Folge seines unstetigen
Übertragungsverhaltens ein Ausgangssignal von drei möglichen digitalen elektrischen
Ausgangssignalen xa: "minus", "null" oder "plus". Das "minus"-Signal betätigt über
die Steuerleitung 1 7a den elektromagnetischen Antrieb 12a und überführt den binären
pneumatischen Kraftschalter 12 in seine Offenstellung. Dadurch strömt von der pneumatischen
Druckquelle 11 über die zentrale Arbeitsleitung 10 das pneumatische Druckmittel
9 in die Arbeitsleitung 10a und weiter in den Behälter 6 des Stellgliedes 2. Das
flüssige Dämpfungsfluid 8 wird dadurch über die Durchtrittsöffnung 5 unter den Antriebskolben
4 gedrückt und hebt diesen gegen die Kraft der Rückstellfeder 7 an. Als Ergebnis
dieser Bewegung führt die kolbenseitige Stange 6a eine Stellwegänderung
y
aus, die als positiv bezeichnet werden soll. Aus der Veränderung des Stellweges
y wird eine Änderung der Regelgröße x resultieren, die ebenfalls als positiv angenommen
wird. Diese positive Änderung soll beispielsweise zu einer Vergrößerung der Regelgröße
x führen.
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Der Vergleich zwischen Regelgröße x und fest vorgegebener Führungsgröße
w möge beispielsweise gerade das Ausgangssignal "null" ergeben. Die Steuerleitungen
17a und 17b sind nun spannungslos. Im Negationsglied 17 wird das "null"-Signal zu
einem definierten, von dem Wert "null" verschiedenen Signal invertiert und über
die Steuerleitung 17c dem elektromagnetischen Antrieb 13a übermittelt. Der binäre
pneumatische Kraftschalter 13 bleibt geschlossen. Der binäre pneumatische Kraftschalter
12 ist dagegen spannungslos und geht in seine Schließstellung. Das pneumatische
System, bestehend aus der Arbeitsleitung 10a in Verbindung mit dem Behälter 6, ist
in sich geschlossen; der Antriebskolben 4 verharrt in seiner momentanen Stellung.
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Liefert der Dreipunktregler 16, bedingt beispielsweise durch eine
Vergröserung der Regelgröße x, als Folge von äußeren Störgrößen ein "plus"-Signal
als Ausgangssignal xa, dann wird dieses über die Steuerleitung 1 7b dem Negationsglied
17 zugeleitet und dort zu einem "null"-Signal invertiert. Der elektromagnetische
Antrieb 13a ist nicht mehr erregt, der Kraftschalter 13 geht in seine Offenstellung.
Das pneumatische Druckmittel 9 entweicht aus dem Behälter 9, das flüssige Dämpfungsfluid
8 strömt durch die Durchtrittsöffnung 5 von der Unterseite des Antriebskolbens 4
in den Behälter 6 zurück. Dadurch bewegt sich der Antriebskolben 4 abwärts und bewirkt
im vereinbarten Sinne eine negative Stellwegänderung y. Damit ergibt sich zwangsSufig
eine negative Änderung der Regel größe x.
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Die Regelanordnung arbeitet stabil. Der Istwert der Regel größe x
wird den vorgegebenen Sollwert (Führungsgröße w) nachgeführt. Der Dreipunktregler
16 verfügt über die Eigenschaft, die ihn befähigt, in Abhängigkeit von der Regelabweichung
xe ein dreiwertiges digitales Ausgangssignal Xa zu erzeugen, dessen Dauer bei konstantem
oder dessen Impulszahl bei einem aus einer Impulsfolge bestehenden Signal abhängig
von der Regelabweichung xe veränderlich ist.
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Bei Ausfall der Energie im Regler R haben beide elektromagnetischen
Antriebe 12a bzw. 13a "null"-Signal. Der Kraftschalter 12 geht, von der Rückstellfeder
12b angetrieben, in seine Schließstellung, der Kraftschalter 13 geht, angetrieben
von der Rückstellfeder 13b, in seine Offenstellung. Das pneumatische Druckmittel
9 kann über die Arbeits- und die Auslaßleitung 1Oa bzw. lOb aus dem Behälter 6 entweichen.
Der Antriebskolben 4 bewegt sich, angetrieben durch die Rückstellfeder 7, das flüssige
Dämpfungsfluid 8 durch die Durchtrittsöffnung 5 in den Behälter 6 treibend, abwärts
bis zu seiner unteren Ruhelage, die eine Sicherheitsstellung darstellen kann.