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Selbstabgleichendes Leitgerät für druckmittelbetriebene Regelanlagen
Die Erfindung betrifft ein selbstabgleichendes Leitgerät für druckmittelbetriebene Regelanlagen zur stossfreien Umschaltung eines Regelkreises von Handbetrieb auf automatische Regelung oder umgekehrt, mit zwei Druckmittelverstärkern, die wahlweise bei Verstärkerbetrieb einen Eingangsdruck im Verhältnis 1 :
1 auf den Ausgangsdruck abbilden oder nach Umschaltung auf Speicherbetrieb einen im Augenblick der Umschaltung bestehenden Wert des Ausgangsdruckes halten" wobei der gespeicherte Wert dann von Hand stetig veränderbar ist, und mit einer Umschaltventilanordnung, durch welche in einer Schaltstellung (Handbetrieb) der Eingang des ersten Verstärkers an einen Istwert und der Ausgang des Verstärkers an den Sollwerteingang eines druckmittelbetriebenen Reglers anlegbar ist und der Ausgang des zweiten, auf Speicherbetrieb geschalteten Verstärkers einen von Hand stetig veränderbaren Stelldruck auf ein Stellglied gibt, und durch welche in der andern Schaltstellung (Automatik)
der Ausgang des ersten auf speichergeschalteten Verstärkers auf den Sollwerteingang des Reglers geschaltet ist und der Eingang des andern vom Stellglied abgeschalteten Verstärkers von dem Stelldruck beaufschlagt wird.
EinsolchesGerätistbekannt durch den Aufsatz"Fast Simultaneou Bumpless Transfer"aus der Zeitschrift "Control Engineering", August 1965, Seite 97 - 99. Solche selbstabgleichenden Leitstationen haben den Zweck, einen Regelkreis von Handbetrieb auf Automatik umzuschalten, ohne dass sprunghafte Änderungen eintreten können, durch die der Regelkreis zu Schwingungen erregt werden könnte. Bei gro- ssen Anlagen sind meist eine Vielzahl von Regelkreisen vorhanden, die teils direkt aussen über die Regelanlage oder aber über den Prozess miteinander verknüpft sind. Diese Regelkreise werden von Hand in den gewünschten Zustand angefahren und dann muss die Regelung von Handbetrieb auf automatische Regelung umgeschaltet werden.
Es ist dann wesentlich, dass der Regler an einem Stellglied genau an den Stelldruck liefert, der zuletzt von Hand eingestellt worden war. Sonst erhält man bei der Umschaltung eine sprunghafte Änderung einer Stellgrösse, wodurch der Regelkreis zu Schwingungen erregt werden kann.
Ähnlich ist es bei der Umschaltung von automatischer Regelung auf Handbetrieb, was etwa bei einer Störung in der Anlage (z. B. dem Ausfall eines Ventils) erforderlich werden kann. Hier ist es erforderlich, dass von Hand zunächst genau der gleiche Stelldruck gegeben wird, wie er zuletzt von dem Regler geliefert wurde. Das wird bei Leitgeräten der vorliegenden Art dadurch bewerkstelligt, dass bei Handbetrieb durch den ersten als Sollwertgeber für den Regler fungierenden Verstärker der Sollwert des Reglers stets dem jeweiligen Istwert nachgeführt wird.
Der Regler selbst greift bei Handbetrieb ja nicht in den Reglerkreis ein. Er läuft blind mit. Durch den zweiten als Stelldruckgeber fungierenden Verstärker kann der Stelldruck von Hand stetig verändert werden. Wird jetzt auf automatische Regelung umgestellt, dann befindet sich der Regler in einem Zustand, bei welchem der Sollwert dem Istwert entspricht. Der Regler hat also zunächst keine Veranlassung in den Prozess einzugreifen, so dass der Übergang auf automatische Regelung stossfrei erfolgt. Der Sollwert kann dann mittels des'ersten Verstärkers stetig verändert,. werden. Wenn der Regelkreis auf automatische Regelung umgeschaltet ist, dann ist der Ausgang des zweiten Verstärkers vom Stellglied abgeschaltet. Der zweite Verstärker läuft blind mit. Sein Eingang wird aber ständig von dem durch den Regler bestimmten Stelldruck beaufschlagt.
Wird von Automatik auf Handbetrieb zurückgeschaltet, dann liefert der jetzt wieder als Stelldruckgeber wirkende zweite Verstärker zunächst den Stelldruck, der zu-
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letzt vor der Umschaltung vom Regler geliefert worden war, so dass auch hiebei eine stossfreie Umschal- tung erfolgt.
Die beiden Verstärker wiesen bei der bekannten Einrichtung je eine Reduzierstation auf, d. h. praktisch einen Druckgeber mit einstellbarem Sollwert. Die Sollwerte der Druckregler oder Reduzierstationen sind durch Turbinen verstellbar, die von einem Hilfsluftstrom angeblasen werden. Der Ausgangsdruck der Reduzierstation wird mit einem Eingangsdruck verglichen und von der Druckdifferenz wird der Hilfsluftstrom gesteuert. Hiedurch werden die Turbinen in der einen oder andern Richtung angeblasen und entsprechend die Sollwerte der Reduzierstationen verstellt. Es handelt sich also um eine Nachlaufsteuerung, durch welche der Ausgangsdruck der Reduzierstation einem Eingangsdruck nachgeführt wird, wobei die Turbine als Servomotor für eine mechanische Verstellung wirkt.
Zur manuellen Verstellung kann auch durch handbetätigte Ventilmittel Hilfsluft auf die Turbine geleitet werden. Diese bekannte Anordnung ist recht kompliziert und aufwendig.
Es ist durch die USA-Patentschrift Nr. 2, 769, 453 ein pneumatisch arbeitender Regler bekannt, bei welchem ein Druck über eine erste nachgiebige Wandung in Gestalt eines Balgens auf eine Flüssigkeit in einem Druckraum übertragen wird. Der Druckraum ist weiterhin durch eine zweite federnd nachgiebige Wandung in Gestalt eines federbelasteten Balgens abgeschlossen. Vom Hub dieser letzteren Wandung ist eine nach Massgabe einer Regelgrösse verstellbare Prallplatte zusätzlich bewegbar, welche eine Auslassdüse mehr oder weniger abdeckt und damit einen Druck regelt. Bei dieser bekannten Anordnung handelt es sich um eine nachgiebige Rückführung. Der auf die erste nachgiebige Wandung wirksame Druck ist ebenso wie der durch die Prallplatte geregelte Druck der auf ein Membranventil wirkende Stelldruck der Regelanlage.
Bei einer Änderung der Regelgrösse wird die Prallplatte verstellt. Hiedurch erfolgt eine entsprechende Änderung des Stelldruckes, der aber über die Balgenanordnung zunächst wieder entgegengewirkt wird. Die Rückführung über die Balgenanordnung gibt aber nach, indem Flüssigkeit aus dem Druckraum zwischen den Balgen über eine Drossel abströmt. Es handelt sich dabei nicht um ein selbstabgleichendes Leitgerät und nicht um das Problem der Umschaltung von Handbetrieb auf Automatik und umgekehrt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfachere Konstruktion für ein selbstabgleichendes Leitgerät der eingangs definierten Art zu schaffen.
Die Erfindung besteht darin, dass die pneumatischen Verstärker jeder einen Druckraum aufweisen, auf welchen über eine wahlweise absperrbare drosselnde Verbindung der jeweilige Eingangsdruck +b übertragbar ist, und welcher teilweise von einer federnd nachgiebigen Wandung und teilweise von einer Trennwand begrenzt ist, die Druck ohne Rückstellkraft überträgt und auf der andern Seite von dem Ausgangsdruck eines druckgeregelten Druckmittelstromes beaufschlagt ist, und durch deren Hub der besagte Druckmittelstrom regelbar ist und dass bei Speicherbetrieb jedes Verstärkers zwecks Veränderung des Speicherwertes wahlweise Atmosphärendruck oder ein erhöhter Zuluftdruck auf den Eingang des Verstärkers aufschaltbar ist.
Bei einer solchen Ausbildung der Verstärker wird der zu speichernde Druck unmittelbar auf den besagten Druckraum gegeben und bewirkt dort eine entsprechende Deformation der federnd nachgiebigen Wandung. Die den Druck ohne Rückstellkraft übertragende Trennwand steuert den Ausgangsdruck so, dass sie auf beiden Seiten von dem gleichen Druck beaufschlagt ist. Solange der Eingangsdruck auf den Druckraum übertragen wird, wird der Eingangsdruck im Verhältnis 1 : 1 auf den Ausgangsdruck des Druckmittelstromes abgebildet. Wenn die drosselnde Verbindung abgesperrt wird, bleibt der Druck im Druckraum auf dem zuletzt vorhandenen Wert und ein entsprechender Ausgangsdruck des Druckmittelstromes wir l eingeregelt.
Der so gespeicherte Wert kann stetig verändert werden, indem-von Hand gesteuert-über die drosselnde Verbindung eine Zeit lang Druckmittel zu-oder abgeführt werden. Auf diese Weise kann dannbei Handbetrieb der Stelldruck oder bei Automatikbetrieb der Sollwert des Reglers verändert und eingestellt werden.
EinAusführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden beschrieben.
Fig. l zeigt einen nach der Erfindung ausgebildeten Verstärker, Fig. 2 zeigt eine Regelanlage mit einem erfindungsgemässen Leitgerät bei Handbetrieb, Fig. 3 zeigt die Anlage bei Automatikbetrieb und Fig. 4 ist eine schematisch schaubildliche Darstellung des erfindungsgemässen Leitgerätes.
Der Verstärkeraufbau
Der Aufbau eines Verstärkers ist aus Fig. l ersichtlich. Ein Gehäuse 1 wird durch eine Zwischenwand 2 in zwei gleichachsige flache Kammern 3,4 von kreisförmigem Querschnitt unterteilt. Die obere Kammer 3 ist ihrerseits durch eine druckübertragende Trennwand in Gestalt einer schlappen Membran 17 in zwei Räume unterteilt. Der obere Raum 3a ist über eine Leitung 5 an einen
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Ein gangsdruck angeschlossen. Der untere Raum 3b der oberen Gehäusekammer 3 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt und bildet den zweiten Druckraum.
Die untere Kammer 4 des Gehäuses 1 enthält eine federnde Metallmembran 6, die mit konzentrischen Wellen versehen ist und sich nach Massgabe des darauf wirkenden Druckes durchbiegt.
Unterhalb dieser Membran 6 liegt eine schlappe Membran 7. Zwischen der federnden Metallmem-
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bildet die druckübertragende Trennwand dieses ersten Druckraumes 8.
Der erste Druckraum 8 ist mit dem zweiten Druckraum 3b über eine nicht gezeigte Laminar- drossel und ein Ventil 9 verbunden. Das Ventil 9 kann von einem Druckmittelschalter 10 wahl- weise geöffnet oder geschlossen werden. Unter der Membran 7 wird in der Kammer 4 des Gehäu- ses 1 ein Raum 11 gebildet, in welchen eine Zuluftleitung 12 mit einer Drosselstelle 13 mündet und von welcher eine Ausgangsleitung 14 abgeht. Zentral unter der schlappen Membran 7 ist auf dem Boden des Gehäuses 1 ein Ventilsitz 15 mit einem Auslass 16 vorgesehen.
Die Membran 7 bildet mit dem Ventilsitz 15 einen drosselnden Ringspalt. Wenn die Membran 7 angehoben wird und der Ringspalt sich vergrössert, wird ein Auslass parallel zu der Ausgangsleitung 14 freigegeben. Der Druck im Raum 11 und damit der Ausgangsdruck in der Leitung 14 sinkt. Bewegt sich die Membran 7 nach unten, wird der Auslass 16 gedrosselt und der Ausgangsdruck steigt.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt :
Durch die schlappe Membran 17 wird der Eingangsdruck im Raum 3a auf die Flüssigkeit im Raum 3b (zweiter Druckraum) übertragen. Dieser Druck pflanzt sich bei geöffnetem Ventil 9 in den ersten Druckraum 8 fort und bewirkt eine entsprechende Deformation der Metallmembran 6.
Der gleiche Druck wirkt auch auf die schlappe Membran 7. Wenn etwa der Ausgangsdruck im Raum 11 geringer ist als der im Raum 8 wirksame Eingangsdruck, dann bewegt sich die Membran 7 nach unten, drosselt den Auslass 16 und erhöht damit den Ausgangsdruck so lange, bis auf beiden Seiten der Membran der gleiche Druck herrscht.
Bei dieser Betriebsweise wird also der Eingangsdruck im Verhältnis l : l auf den Ausgangsdruck abgebildet. Es kann aber ausgangsseitig durchaus Druckmittel verbraucht werden, während es sich eingangsseitig um einen rein statischen Druck ohne Druckmittelverbrauch handeln kann.
Wenn nun, z. B. durch einen Steuerdruck auf den Schalter 10, das Ventil 9 abgesperrt wird, dann wird hiedurch der in diesem Augenblick bestehende Druck im Raum 8 konserviert. Dieser Druck bleibt auf die Membran 7 wirksam und wird demgemäss weiterhin als Ausgangsdruck eingeregelt. Die Erfindung gestattet es also, einen im Moment der Absperrung des Ventils 9 bestehenden Eingangsdruck (wenn man einmal von der Wirkung der Laminardrossel absieht) zu speichern und ständig als Ausgangsdruck eines Druckmittel-, vorzugsweise Luftstromes, zur Verfügung zu halten. Das wird mit relativ einfachen Mitteln ohne komplizierte Nachlaufsteuerung erreicht, wie sie beider vorbekannten Anordnung erforderlich ist.
Die Laminardrossel gestattet es, einen gespeicherten Wert stetig zu verändern. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der Eingang 5 mit der Atmosphäre verbunden werden. Wird dann das Ventil 9 geöffnet, so sucht sich der jetzt bestehende Druckunterschied zwischen dem ersten Druckraum 8 und dem zweiten Druckraum auszugleichen. Es fliesst Flüssigkeit über die Laminardrossel, so dass der geregelte Ausgangsdruck stetig absinkt. Beim Erreichen eines gewünschten Druckes kann dann das Ventil 9 wieder abgesperrt werden. Entsprechend kann man zur Erhöhung des gespeicherten Druckes Zuluft, also erhöhten Druck, auf den Eingang 5 geben und dann das Ventil 9 öffnen, bis der gewünschte Wert erreicht ist.
Die Schaltung des selbstabgleichenden Leitgerätes
Die Fig. 2 und 3 zeigen als Blockschaltbild ein selbstabgleichendes Leitgerät und seine Verbindungen zu den verschiedenen Gliedern der Regelanlage, u. zw. zeigt Fig. 2 das Gerät in Handstellung und Fig. 3 in Automatikstellung.
Mit 54 ist das Leitgerät oder die Hand-Automatik-Station bezeichnet. Die Hand-AutomatikStation 54 ist mit einem Messfühler 18 für eine Regelgrösse, einem Stellglied 19 in Gestalt : ines Membranventils und einem pneumatischen Regler 20 verbunden. Bei dem beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiel handelt es sich um eine rein pneumatische Regelung, bei welcher alle Regelsignale in Drücke umgewandelt oder durch Drücke dargestellt werden.
Der Regler 20 hat einen Sollwerteingang 21 und einen Istwerteingang 22. Der Istwertein-
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gang 22 ist über eine Leitung 23 mit dem Messfühler 18 verbunden. In der in Fig. 2 dargestell- tenHandstellung des Gerätes 54 ist die Leitung 23 über eine Zweigleitung 24 und einem Schal- ter 25 mit dem Eingang 26 eines nach Art der Fig. 1 aufgebauten Verstärkers 27 verbunden.
Der dem Istwert entsprechende Druck aus der Leitung 23 wird dementsprechend auch auf den Aus- gang 28 des Verstärkers 27 im Verhältnis 1 : 1 abgebildet, und dieser Ausgangsdruck wird über eine Leitung 29 auf den Eingang des Reglers 20 gegeben. Der Ausgang 30 des Reglers ist in die- ser Stellung durch einen Hahn 31 vom Stellglied abgeschaltet. Er liefert aber auch kein Korrektur- signal, weil der Istwert und der Sollwert ständig übereinstimmen.
An einem Anzeigegerät 3a, das mit der Leitung 24 über eine Zweigleitung 32 verbunden ist, wird der Istwert angezeigt.
An einem darüber liegendenAnzeigegerät 33, das über eine Leitung 34 mit dem Ausgang 28 des Verstärkers 27 in Verbindung steht, erfolgt die Anzeige des auf den Regler 20 gegebenen Soll- wertes. Bei der in Fig. 2 dargestellten Betriebsweise stehen Istwert- und Sollwertzeiger ständig genau übereinander. Ein drittes Anzeigeinstrument 35 ist über eine Leitung 36 mit dem Membranven- til 19 verbunden und zeigt den Stelldruck an.
Der zweite Verstärker 37 dient als Stelldruckgeber. Sein Ausgang 38 ist über einen weiteren
Verstärker 39, einen Schalter 40 und die Leitungen 41 und 42 mit dem Membranventil 19 verbunden. Der Verstärker 37 ist als Speicher geschaltet, d. h. das Ventil 9 (Fig. l) ist in der Re- gel abgesperrt, so dass der Ausgangsdruck bei 38 einem im ersten Druckraum 8 (Fig. l) gespeicher- ten Wert entspricht. Dieser Wert kann über Plus- und Minus-Steuertasten 44,45 stetig erhöht oder vermindert werden. Wenn die Plus-Steuertaste 45 gedrückt wird, dann wird über die Leitung 46 und Schalter 47 ZuluftaufdenRaum 3b (Fig. l) des Reglers 37 gegeben und gleichzeitig wird das Ventil 9 (Fig. l) geöffnet. Über die Laminardrossel strömt dann Druckmittel aus dem Raum 3b in den ersten Druckraum 8.
Der Druck im Raum 8 und damit am Ausgang 38 steigt. Entsprechend wird nach Drücken der Minus-Steuertaste 44 der Raum 3a auf Atmosphärendruck gebracht und gleichzeitig ebenfalls das Ventil 9 geöffnet. EsströmtdannDruekmittelausdemerstenDruckraum 8 ab.
Durch den als Speicher mit von Hand stetig veränderbarem Speicherwert geschalteten Verstärker 37 kann also der am Membranventil 19 wirksame Stelldruck eingestellt und verändert werden.
Wenn der angezeigte Istwert-Sollwert von einem gewünschten Wert abweicht, dann kann man die Plus- oder Minus-Steuertaste so lange drücken, bis deristwert-und Sollwertzeiger (die ja übereinander stehen) den gewünschten Wert erreicht hat.
Wenn das Gerät 54 jetzt über einen Wippschalter 48 auf Automatikbetrieb umgeschaltet wird, der Regler 20 also jetzt die Steuerung des Stellgliedes 19 übernehmen soll, dann wird der Schal- ter 25 umgeschaltet (Fig. 3). Der Messfühler 18 mit dem Istwertdruck liegt also nicht mehr an dem Eingang des Verstärkers 27. Dieser ist jetzt auf Speicherbetrieb umgeschaltet und hält an seinem Ausgang 28 den zuletztvorhandenen Wert. Das ist der Sollwert des Reglers.
Der Ausgang des Reglers 20 wird über den Schalter 31 auf das Stellglied 19 geschaltet. Dafür wird der Ausgang des Verstär- kers 39 durch den Druckmittelschalter 40 vom Stellglied 19 abgeschaltet, so dass der Stelldruckgeberverstärker 37 keinen Einfluss mehr auf das Stellglied hat. Es erfolgt jetzt eine automatische Regelung durch den Regler 20.
Da im Augenblick der Umschaltung Istwert und Sollwert des Reglers 20 übereinstimmen und der Sollwert sich bei der Umschaltung auch nicht ändert, greift der Regler 20 nach der Umschaltung zunächst auch nicht irgendwie in den Prozess ein. Die Umschaltung von Hand- auf Automatikbetrieb bringt somit keinerlei abrupte Änderungen mit sich, welche den Regelkreis zu Schwingungen anregen könnten.
Der Schalter 47 ist in Fig. 3 umgeschaltet worden und hat damit den Verstärker 37 von den Plus- und Minus-Steuertasten 44, 45 bzw. den damit verbundenen Steuerorganen abgeschaltet. Dafür ist der Verstärker 27 über einenDruckmittelschalter 49 mit den Plus- und Minus-Steuertasten verbunden. Dadurch kann in der oben im Zusammenhang mit Verstärker 37 beschriebenen Weise der Sollwert des Reglers 20 erhöht oder vermindert werden.
Bei der Stellung"Automatik"in Fig. T ist der Eingang des Verstärkers 37 über eine Leitung 50 sowie einen Druckmittelschalter 51 mit dem Reglerausgang 30 verbunden, wird also von dem Stelldruck beaufschlagt. Sein Ausgang liefert also ständig den vom Regler 20 bestimmten Stelldruck.
Wenn jetzt aus irgendeinem Grunde eine Rückschaltung auf Handbetrieb erforderlich ist, der Regler 20 also vom Stellglied 19 ab-und der Verstärker 37 (oder Verstärker 39) an das Stellglied angeschaltet wird, dann liefert der Verstärker 37 ohne weitere Manipulationen sofort den Stelldruck, welcher zuletzt vom Regler 20 geliefert worden war. Es erfolgt also auch hier eine stossfreie Umschaltung.
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