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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Stellungsregler
zur Ansteuerung eines druckmittelbetriebenen Stellantriebs, der über einen
Arbeitsanschluss A des Stellantriebs mit Druckluft beaufschlagbar
ist, welche dem Stellungsregler über einen Speisedruckanschluss
P zur Verfügung steht, wobei Mittel zum Einnehmen einer
Sicherheitsstellung im Fehlerfall vorgesehen sind. Weiterhin betrifft
die Erfindung auch einen druckluftbeaufschlagten Stellantrieb, welcher
mit einem solchen elektropneumatischen Stellungsregler ausgestattet ist.
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Das
Einsatzgebiet der hier interessierenden Stellungsregler ist hauptsächlich
die Positionierungsregelung von Stell- oder Regelantrieben. Hierbei
wird einem Regelventil ein elektrischer Sollwert vorgegeben, den
dieses in einen Arbeitsdruck umwandelt, mit welchem beispielsweise
ein federrückgestellter, einfach wirkender Pneumatikzylinder
beaufschlagt wird. An dessen Kolbenstange ist meist ein Wegsensor
angeordnet, um den Stellweg des Stellantriebs in Reaktion auf die
Druckmittelbeaufschlagung zu messen und dem Regelkreis zurückzuführen.
Je nach elektrischer Sollwertvorgabe verbindet das Regelventil den Arbeitsanschluss
des elektropneumatischen Stellungsreglers mit dem Speisedruckanschluss
zur Beaufschlagung des Stellantriebs zwecks Zustellung eines Weges
oder mit einem Entlüftungsanschluss zur Entlüftung
des Stellantriebes zwecks Rückstellung eines Weges. Der
Stellantrieb selbst wiederum dient der Betätigung einer
Armatur, beispielsweise einem Ventil innerhalb eines Rohrleitungssystems
einer Prozessautomatisierungsanlage der Nahrungsmittelindustrie,
der pharmazeutischen Industrie, der Raffinerieindustrie oder dergleichen.
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Die
hier interessierenden druckmittelbetriebenen Stellungsregler müssen
im Fehlerfall, beispielsweise bei Ausfall des Speisedrucks, eine
definierte Sicherheitsstellung im Sinne eines so genannten „Shut-Down”-einnehmen,
um die Sicherheit der hierüber betätigten Armatur
der Prozessautomatisierungsanlage zu gewährleisten.
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Aus
der
EP 1 758 007 A1 geht
ein gattungsgemäßer druckmittelbetriebener Stellungsregler
hervor. Der Stellungsregler weist eine Ventilmechanik auf, durch
welche ein Speisedruckanschluss, ein Entlüftungsanschluss
und ein Arbeitsanschluss zur Erzeugung eines Arbeitsdrucks für
einen nachgeschalteten Stellantrieb variabel verschaltet werden können.
Zur Vorgabe der gewünschten Schaltposition verfügt
der Stellungsregler über zwei einander entgegengesetzt
orientierte Fluidbeaufschlagungsflächen, die jeweils eine
Steuerkammer begrenzen. Beide Steuerkammern sind unter Zwischenschaltung einer
Drosseleinrichtung an einem gemeinsamen Steuerdruckanschluss angeschlossen.
Stromab der beiden Drosseleinrichtungen steht jede Steuerkammer
mit einer Entlüftungsöffnung in Verbindung. Die Steuerventileinrichtung
kann die beiden Entlüftungsöffnungen steuern und
insbesondere auch gleichzeitig verschließen. Dieser symmetrische
Aufbau in Bezug auf die beiden Fluidbeaufschlagungsflächen
in Verbindung mit der Ansteuerung über einen gemeinsam
zugeordneten Steuerdruckanschluss bietet die Gewähr dafür,
dass sich die bei gleichzeitigem Verschluss beider Entlüftungsöffnungen
an den Stellungsregler angreifenden fluidischen Stellkräfte
gegenseitig ausgleichen und eine klar definierte Position vorliegt.
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Es
besteht insbesondere die Möglichkeit, bei verschlossenen
Entlüftungsöffnungen eine Grundstellung der Stelleinrichtung
vorzugeben, bei der der Arbeitsanschluss sowohl vom Speiseanschluss
als auch vom Entlüftungsanschluss abgetrennt ist, also der
mittleren abgeschlossenen Schaltstellung eines 3/3-Wegeventils entspricht,
so dass ein konstanter Vorsteuerdruck beibehalten wird, um dem Stellungsregler
hiermit ein blockierendes Ausfallverhalten zu verleihen. Dieses
blockierende Ausfallverhalten wird hier durch eine entsprechende
elektrische Ansteuerung des Stellungsreglers erzielt.
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Im
allgemeinen Stand der Technik ist als Sicherheitsstellung bei Stellungsreglung
der hier interessierenden Art die vorstehend bereits erwähnte „Shut-Down”-Funktion üblich.
Hierbei schaltet der Stellungsregler auf sicheres Entlüften
des Stellungsantriebs, so dass der Stellungsantrieb mit Hilfe der Federwirkung
der integrierten Rückstellfeder die Ventilmechanik des
Stellungsreglers in eine sichere Position, nämlich ganz
geöffnet oder ganz geschlossen, fahren kann. Diese „Shut-Down”-Funktion
wird in verschiedenen Fehlerfällen aktiviert, nämlich:
- - eine Diagnoseeinheit des Stellungsreglers
meldet einen schwerwiegenden signalverarbeitungstechnischen Fehler
innerhalb der elektronischen Steuereinheit, so dass der Stellantrieb
nicht mehr arbeitsfähig ist, beispielsweise „RAM/ROM/NV-Check
nicht OK” oder „Positionssensor defekt”;
- – die dem Stellungsregler zugeführte elektrische Energie
reicht nicht aus, um die Funktion sicherzustellen; dies ist bei
herkömmlichen Stellungsreglern ab < ca. 3,8 mA der Fall oder bei unzureichend
großer Versorgungsspannung < 9,7 V;
- – eine Ansteuerung der „Shut-Down”-Funktion durch
andere Ereignisse, welche außerhalb des Stellungsreglers
beispielsweise sensortechnisch ermittelt werden und über
einen Signaleingang dem Stellungsregler zugehen.
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Wenn
aufgrund der vorstehend angeführten oder vergleichbarer
Ereignisse der Stellungsregler die definierte Sicherheitsstellung
einnimmt, erfolgt beim bekannten Stand der Technik die Meldung hierüber
in der Regel nur über die elektrische Anschlussleitung,
welche meist einem standardisierten Busprotokoll entspricht, also
auch Rückmeldungen vom Stellungsregler an eine übergeordnete
Steuerleitung weiterleiten kann. Eine andere bekannte Möglichkeit besteht
darin, dass am Stellantrieb eine mechanische Markierung angebracht
ist, welche aus unmittelbarer Nähe betrachtet dem Bediener
die Information darüber gibt, dass der Stellantrieb und
damit auch der Stellungsregler die Sicherheitsstellung eingenommen
hat. Im Fall moderner Mensch-Maschine-Schnittstellen wird eine derartige
Meldung gewöhnlich auch über einen Anzeigetext
als Diagnosemeldung dargestellt.
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Nachteilig
bei den vorstehend beschriebenen Lösungen des Standes der
Technik ist allerdings, dass bei Betrachtung des Stellungsreglers
aus weiterer Distanz die vorstehend erläuterten Formen
der Signalisierung nicht erkennbar sind. Insbesondere in Einsatzfällen,
bei denen mehrere Stellungsregler mit Stellantrieben nebeneinander
angeordnet sind und eventuell bekannt ist, dass einer dieser Stellungsregler
eine Störung hat, ist es für den Bediener schwer zu
erkennen, welcher der Stellungsregler hiervon betroffen ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektropneumatischen
Stellungsregler, welcher im Fehlerfall eine Sicherheitsstellung einnimmt,
dahingehend weiter zu verbessern, dass über einfache technische
Mittel die eingenommene Sicherheitsstellung auch aus weiter Distanz
durch menschliche Sinne wahrnehmbar ist.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem elektropneumatischen Stellungsregler
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung
mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden
abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass in Folge
der Diagnose einer eingenommenen Sicherheitsstellung durch eine
lokal-integrierte, elektronische Steuereinheit, eine nachgeschaltete, als
Treiberstufe fungierende Signalausgabeeinheit mindestens ein binäres
Fehlersignal generiert, welches außen am Stellungsreglergehäuse
angebrachte optische und/oder akustische Signalmittel von außen her
wahrnehmbar zur Anzeige bringen.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass Kraft der Treiberstufe ein sehr starkes
Signal erzeugbar ist, das auch aus großer Distanz wahrnehmbar
ist. Durch Wahl der Anzeige über ein binäres Fehlersignal
ist der Fehlerfall eindeutig feststellbar und es kann nicht zu Fehlinterpretationen
der Signalanzeige kommen. Durch Anbringung der erfindungsgegenständlichen
Signalmittel außen am Stellungsreglergehäuse wird
eine eindeutige Wahrnehmbarkeit direkt vor Ort mit gleichzeitig
eindeutiger Zuordnung zu dem fehlerbetroffenen Stellungsregler sichergestellt.
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Im
Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung ist
es ausreichen, wenn das binäre Fehlersignal entweder akustisch
oder optisch angezeigt wird. Beide Varianten sind durch menschliche
Sinnesorgane gut wahrnehmbar, wobei die optische Signalisierung
den Vorteil hat, dass eine eindeutige Zuordnung zu dem fehlerbetroffenen Stellungsregler
auch aus größerer Distanz möglich ist.
Es ist jedoch auch möglich, optische und akustische Signalmittel
miteinander gemeinsam einzusetzen.
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Im
Falle eines akustisch-binären Fehlersignals wird vorgeschlagen,
dieses als NF-Tonsignal zu generieren. Hierfür ist ein
Niederfrequenzbereich zu wählen, welcher durch das menschliche
Gehör geortet werden kann, also eher ein höherer
Niederfrequenzbereich von um 1000 Hz.
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Das
optisch binäre Fehlersignal sollte vorzugsweise als Niedrig-Gleichspannungssignal
generiert werden, mit welchem mindestens eine Leuchtdiode als Signalmittel
betreibbar ist. Vorzugsweise liegt das Niedrig-Gleichspannungs-Signal
in einem Bereich zwischen 3–12 V, je nach Betriebsspannung
der hierüber anzusteuernden möglichst rot hell
leuchtenden Leuchtdiode kleiner Bauform. Um die Erkennbarkeit zusätzlich
zu verbessern wird vorgeschlagen, dass die Leuchtdiode blinkend
angesteuert wird.
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Gemäß einer
die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme sollte der
Mikrolautsprecher abschaltbar ausgebildet sein und mit einer benachbarten
Leuchtdiode kombiniert werden. In diesem Fall lässt sich
der Mikrolautsprecher bei Bedarf auch abschalten, so dass lediglich
eine optische Anzeige möglich ist. Sollte der Anwender
es jedoch wünschen, dass eine zusätzliche akustische
Signalisierung erfolgt, ist der Mikrolautsprecher hinzuschaltbar. Es
kann über einen kleinbauenden Dip-Schalter am Stellungsreglergehäuse
erfolgen. Beide Bauteile, Leuchtdiode und Mikrolautsprecher sind
vorzugsweise auf einem definierten Fehleranzeigefeld des Stellungsreglergehäuses
angeordnet. Dieses Fehleranzeigungsfeld kann farblich unterlegt
werden und ist dort am Stellungsreglergehäuse platziert,
wo es unabhängig von der Einbausituation von außen
her gut wahrnehmbar ist. Die örtliche Nähe von
Mikrolautsprecher und Leuchtdiode wird durch das Fehleranzeigefeld
sichergestellt. In weiterer Ausbildundung der Erfindung erzeugt
die Signalausgabeeinheit als binäres Fehlersignal ein pulsweitenmoduliertes
Signal (PWM-Signal).
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Gemäß einer
anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
dass die fehlerfallbedingte Sicherheitsstellung im stromlosen Zustand
des mindestens einen Elektromagneten zum Schalten des Druckluftflusses
beim elektropneumatischen Stellungsregler eingenommen ist. Die elektronische
Steuereinheit kann die hieraus resultierende höhere elektrische
Energie dann vollständig dem Betrieb der Signalmittel opfern.
Hierdurch kann eine kräftige Signalisierung des Fehlerfalls
erreicht werden, ohne dass der hierdurch ausgelöste erhöhte Energiebedarf
an die Grenzen der Energieversorgung stößt.
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Sind
die Grenzen der elektrischen Energieversorgung erreicht, so kann
gemäß einer optionalen Maßnahme eine
Energiespeichereinheit in Form einer wiederaufladbaren Batterie
oder eines Kondensators integriert und mit der Signalausgabeeinheit verbunden
werden. Die Batterie oder der Kondensator ist so zu dimensionieren,
dass sich eine hinreichende Pufferung elektrischer Energie für
den Betrieb der Signalmittel über Mindestzeit von mindestens
einer Minute realisieren lässt.
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Weitere,
die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt.
Die Figur zeigt eine blockschaltbildartige Darstellung eines elektropneumatischen
Stellreglers mit angeschlossenem Stellantrieb, welcher Mittel zum
Einnehmen einer Sicherheitsstellung im Fehlerfall umfasst.
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Gemäß Figur
betätigt ein druckluftbeaufschlagter Stellantrieb 1,
der in Form eines einfach wirkenden Pneumatikzylinders ausgebildet
ist, eine Armatur 2 einer – nicht weiter dargestellten – Prozessautomatisierungsanlage.
Der Stellantrieb 1 wird durch einen vorgeschalteten elektropneumatischen Stellungsregler 3 angesteuert.
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Der
elektropneumatische Stellungsregler 3 steht zu dem vorgenannten
Zweck über einen Arbeitsanschluss A per Druckmittelleitung
mit dem Stellantrieb 1 in Verbindung. Die hierüber
fließende Druckluft bezieht der Stellungsregler 3 über
einen Speisedruckanschluss P. Weiterhin weist der Stellungsregler 3 auch
einen Entlüftungsanschluss R auf. Eine im Stellungsregler 3 integrierte
Ventilmechanik 4 sorgt nach Maßgabe einer elektrischen
Ansteuerung für das Belüften oder Entlüften
des Arbeitsanschluss A, indem dieser entweder mit dem Speisedruckanschluss
P oder dem Entlüftungsanschluss R verbunden wird. Auf diese
Weise lässt sich ein gewünschter Druckaufbau innerhalb
des Stellantriebs 1 erzielen, so dass dessen Kolbenstange
ausfährt. Der hierbei zurückgelegte Weg wird per
elektrischem Wegsensor 5 detektiert und als Ist-Wert einer
elektronischen Steuereinheit 6 des Stellungsreglers 3 vorgegeben.
Daneben geht der elektronischen Steuereinheit 6 auch eingangsseitig
ein Soll-Wert von externer Stelle zu. Die elektronische Steuereinheit 6 ermittelt
hieraus den Stellwert zur Ansteuerung der Ventilmechanik 4,
um den Stellantrieb 1 weggeregelt zu betätigen.
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Im
Fehlerfall nimmt der elektropneumatische Stellungsregler 3 mit
angeschlossenem Stellantrieb 1 eine definierte Sicherheitsstellung
ein, welche ebenfalls von der elektronischen Steuereinheit 6 vorgegeben
wird. Tritt dieser Fall ein, so steuert die elektronische Steuereinheit 6 eine
nachgeschaltete Signalausgabeeinheit 7 an, welche als Treiberstufe
fungierend ein binäres Fehlersignal ausgibt.
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Das
binäre Fehlersignal wird hier sowohl akustisch als auch
optisch ausgegeben. Zur akustischen Ausgabe des binären
Fehlersignals ist außen am Stellungsreglergehäuse 8 ein
Mikrolautsprecher angebracht, der über ein Piezoelement
betrieben besonders kleinbauend ausgeführt ist. Daneben
ist am Stellungsreglergehäuse 8 eine Leuchtdiode 10 angeordnet,
welche das binäre Fehlersignal optisch wiedergibt. Die
optische Wiedergabe des binären Fehlersignals erfolgt per
Blinkansteuerung.
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Die
Leuchtdiode 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel
gemeinsam mit dem Mikrolautsprecher 9 auf einem Fehleranzeigefeld 11 am
Stellungsreglergehäuse 8 angeordnet. Das Fehleranzeigefeld 11 befindet
sich an einer von außen gut erkennbaren Stelle und gewährleistet
die ortsnahe benachbarte Zusammenfassung von Mikrolautsprechern 9 mit Leuchtdiode 10.
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Die
fehlerfallbedingte Sicherheitsstellung nimmt der elektropneumatische
Stellungsregler 3 hier im stromlosen Zustand der elektromagnetisch angesteuerten
Ventilmechanik 4 ein. Die elektronische Steuereinheit 6 stellt
die hieraus resultierende höhere elektrische Energie vollständig
dem Betrieb der Signalmittel zur Verfügung. Zur Unterstützung
ist die Signalausgabeeinheit 6 mit einer Energiespeichereinheit 12 in
Form einer wiederaufladbaren Batterie verbunden. Die Energiespeichereinheit 12 dient der
zusätzlichen Pufferung elektrischer Energie für den
Betrieb der Signalmittel, so dass diese ausreichend lange mit hoher
Signalstärke betrieben werden können.
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- 1
- Stellantrieb
- 2
- Armatur
- 3
- Stellungsregler
- 4
- Ventilmechanik
- 5
- Wegsensor
- 6
- Steuereinheit
- 7
- Signalausgabeeinheit
- 8
- Stellungsreglergehäuse
- 9
- Mikrolautsprecher
- 10
- Leuchtdiode
- 11
- Fehleranzeigefeld
- 12
- Energiespeichereinheit
- P
- Speisedruckanschluss
- R
- Entlüftungsanschluss
- A
- Arbeitsanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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