Proportionale Magnetventilsteuerung - Wie sie funktionieren

Proportionalmagnetventile werden zur Regelung des Flüssigkeitsdurchflusses durch Veränderung der Position des Ventilkolbens verwendet. Die Regelung des Durchflusses wird am häufigsten zur Steuerung von Druck, Füllstand und Temperatur eingesetzt. Auch andere Prozessvariablen wie pH-Wert, Leitfähigkeit und Feuchtigkeit können durch die Durchflussmenge beeinflusst werden. Die Position des Stößels wird durch ein Magnetfeld gesteuert, das durch Anlegen einer Spannung an die Magnetspule erzeugt wird. Proportionalmagnetventile sind in der Regel normal geschlossen (stromlos geschlossen), können aber auch normal offen sein (stromlos geöffnet). Dieser Artikel befasst sich mit normal geschlossenen Proportionalmagnetventilen.

Wenn die Spule mit Strom versorgt wird, hebt sich der Stößel und drückt gegen die Federkraft, um das Ventil zu öffnen. Ohne Stromversorgung wird der Stößel durch eine Federkraft gegen den Ventilsitz gedrückt, um den Ventilausgang zu schließen. Im Gegensatz zu einem direktgesteuerten Standardmagneten kann die Position des Ankers eines Proportionalmagnetventils über einen Bereich von Hubpositionen gesteuert werden, indem die der Magnetspule zugeführte Leistung variiert wird. Ventile, die für die Proportionalsteuerung geeignet sind, haben eine etwas andere Konstruktion, um die Positionsstabilität des Stößels in Zwischenpositionen zu verbessern. Die Stromversorgung des Ventils wird in der Regel automatisch mit einem PWM-Regler (Pulsweitenmodulation) wie dem Burkert-Regler 8611 (Abbildung 1 links) oder 8605 (Abbildung 1 rechts) gesteuert. Sie werden als Proportionalventilsteuerungen bezeichnet

Die Steuergeräte Burkert 8611 und 8605 sind beide für die Steuerung von Burkert-Proportionalventilen ausgelegt, können aber auch Ventile anderer Hersteller steuern. Der 8605 ist ein spezieller Proportionalventilregler und der 8611 ist ein Universalregler. Der 8611 kann Proportionalventile und andere Prozessventile und -geräte steuern. Jeder Regler ist mit konfigurierbaren Steuerfunktionen ausgestattet, die eine genaue und zuverlässige Prozesssteuerung gewährleisten. Darüber hinaus sind mehrere Designoptionen verfügbar, um die Anforderungen einer Prozesssteuerungsanwendung zu erfüllen.

In diesem Artikel wird die Funktionsweise von Proportional-Magnetventilreglern mit Pulsweitenmodulation (PWM) und PI-Regelungstheorie (Proportional- und Integralregelung) erläutert und ein Überblick über die Burkert Proportional-Magnetventilregler 8611 und 8605 gegeben. Darüber hinaus gibt es Artikel über den 8611 und den 8605, in denen diese Steuerungen ausführlicher beschrieben werden.

Inhaltsübersicht

• Impulsbreitenmodulation (PWM)
• PI (Proportional- und Integral-) Steuerungstheorie
• Überblick über 8605 und 8611
• Zusätzliche Informationen

Impulsbreitenmodulation (PWM)

Die Typen 8611 und 8605 von Burkert sind beide mit einer Regelungstechnik ausgestattet, die Ausgangssignale mit Pulsweitenmodulation (PWM) zur Steuerung von Proportionalmagnetventilen in einem System erzeugt.

Das PWM-Signal ist ein pseudo-analoges Signal, das aus einem digitalen Signal hergestellt wird, das ein- und ausgeschaltet wird. Die PWM besteht aus zwei Hauptkomponenten, die das Ergebnis beeinflussen: die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis. Die Schaltfrequenz bestimmt, wie schnell ein Zyklus zwischen EIN und AUS abgeschlossen wird. Eine Schaltfrequenz von 20 Hz würde beispielsweise 20 Zyklen pro Sekunde entsprechen. Das Tastverhältnis ist der prozentuale Anteil der Zeit, in der das Signal im EIN-Zustand ist, am gesamten Zyklus. Bei einem Tastverhältnis von 75 % ist der Signalausgang beispielsweise 75 % des Zyklus eingeschaltet. Das Tastverhältnis und die Schaltfrequenz beeinflussen den effektiven Strom, der während der Modulation an den Magneten geliefert wird.

Obwohl die PWM-Spannungsimpulse an die Spule quadratisch sind, wird der Strom aufgrund der Spuleninduktivität und des Tastverhältnisses in einer Sägezahnkurve an die Spule abgegeben (Abbildung 2). Das Ergebnis ist eine gleichmäßige Schwingung des Stößels in einem ausgeglichenen Zustand, der gemeinhin als Dither bezeichnet wird. Dither reduziert die statische Reibung und verringert die Hysterese (bei der die tatsächliche Stößelposition hinter der Sollposition zurückbleibt). In Abbildung 2 stammen die Ausschaltzeit (toff) und die Einschaltzeit (ton) aus dem Tastverhältnis, und die Nennspannung (U) ist das, was eingespeist wird und die resultierende Spannungswelle (I) erzeugt.

Die Empfindlichkeit des Ventils und die Zitterbewegung werden durch die Eigenschaften der Spule, die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis beeinflusst. Das Ventil reagiert am empfindlichsten auf ein PWM-Signal, wenn es in einem bestimmten Schaltfrequenzbereich (f) mit einem optimalen Tastverhältnis betrieben wird. Der Punkt, an dem das Ventil am besten anspricht, wird als Arbeitspunkt bezeichnet. Der Arbeitspunkt ist in Abbildung 3 am Schnittpunkt zwischen der oberen Frequenz und 60 % Tastverhältnis dargestellt. An seiner oberen (fHI) und unteren (fLO) Frequenzgrenze reagiert das Ventil langsamer auf ein PWM-Signal. Ein Beispiel für den idealen Betriebsbereich eines Proportionalventils ist in Abbildung 3 dargestellt.

Die Grenzfrequenzen, die optimale Einschaltdauer und die Spuleneigenschaften sind einzigartig und entscheidend für die genaue Steuerung eines jeden Ventils. Wird ein Ventil mit falschen Betriebsparametern angesteuert, kann es zu Fehlfunktionen des Ventils oder zu erhöhtem Geräuschpegel kommen.

Der Vorteil bei der Verwendung der Burkert Proportionalventilserie mit ihren Reglern ist, dass die richtigen Schaltfrequenzen und Arbeitspunkte für alle Ventile bekannt sind. Burkert hat diese Werte für jeden Ventiltyp empirisch ermittelt. Der 8611 speichert die Grenzwerte der Schaltfrequenz aller Burkert-Ventile. Bei der Konfiguration des Reglers kann der Ventiltyp eingegeben werden, und die Betriebsparameter werden automatisch und ohne weitere Konfiguration in das Regelschema geladen. Der 8605 hat die meisten Frequenzen standardmäßig im Speicher, einige müssen jedoch vor dem Betrieb überprüft werden. Alle Burkert Proportionalventil-Betriebsparameter werden von Burkert zur Verfügung gestellt. Bei Verwendung eines Proportionalmagnetventils einer anderen Marke mit einem Burkert-Steuergerät müssen die Betriebsparameter für eine optimale Leistung korrekt eingegeben werden.

Die Steuerfunktionen, die zur Regelung des PWM-Signals für die Steuerung des Prozesses verwendet werden, variieren zwischen dem 8611 und dem 8605. Der bemerkenswerteste Unterschied zwischen den Reglern ist, dass der 8611 einen geschlossenen Regelkreis für die PWM verwendet. Der 8605 verwendet einen offenen Regelkreis für die PWM. Die Unterschiede und die für jedes Modell verfügbaren Kontrollfunktionen werden in diesem Artikel näher erläutert.

PI (Proportional- und Integral-) Steuerungstheorie

Ein PI-Regelkreis (Abbildung 4) ist ein geschlossener Regelkreis, der eine Regelgröße (d.h. die PWM-Schaltfrequenz) in Abhängigkeit von der gemessenen Rückmeldung der zu regelnden Prozessgröße (d.h. des Drucks) einstellt. Der PI-Regelkreis verwendet Parameter, die als Proportional- und Integral-Terme bekannt sind, um die Regelgröße dynamisch anzupassen und den Fehler zu reduzieren. Der 8611 kann mit einem geschlossenen Regelkreis arbeiten, während der 8605 nur einen offenen Regelkreis hat.

• SP: Gewünschter Sollwert
• PV: Gemessene Prozessvariable
• e(t): Fehlerwert
• P: Proportionale Parameter
• Kp: Proportionale Abstimmungskonstante
• I: Integraler Parameter
• KI: Integrale Abstimmungskonstante
• MV: Gemessene (oder Kontroll-)Variable

Die Proportional- und Integralparameter werden anhand des Systemfehlers berechnet. Der Proportionalparameter ist das Produkt aus einem Abstimmfaktor und der Differenz zwischen dem gewünschten Sollwert (z. B. gewünschter Drucksollwert) und einer gemessenen Prozessgröße (z. B. gemessener Istdruck). Der Integralparameter berücksichtigt den Fehler über eine bestimmte Zeitspanne. Das Produkt aus einem Abstimmfaktor und der Differenz zwischen dem gewünschten Sollwert und einer gemessenen Prozessvariablen, die über eine bestimmte Zeitspanne integriert wird, dient zur Definition des Integralparameters. Die Gleichung in Abbildung 5 zeigt, dass die Summe der Proportional- und Integralparameter verwendet wird, um den Wert der Regelgröße (u(t)) zu bestimmen.

Der Zweck eines PI-Regelalgorithmus ist die Stabilisierung und Verringerung des Systemfehlers über die Zeit durch genaue Regelung einer Regelgröße. Diese Methode wird häufig bei der Kontrolle von Flüssigkeiten eingesetzt. Theoretisch ist der Algorithmus recht einfach und lässt sich in vielen Anwendungen relativ leicht umsetzen. Allerdings muss der Regler mit den korrekten Proportional- und Integralparametern eingestellt werden. Ohne die richtige Einstellung kann die Regelgröße auf Systemänderungen überreagieren oder um den gewünschten Sollwert schwanken. Da jeder Prozess anders ist, werden bei jedem System andere Abstimmungsparameter verwendet, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Es gibt zwar mehrere Abstimmungsmethoden, aber am häufigsten wird jeder Parameter manuell angepasst, bis Stabilität erreicht ist. Die meisten Hersteller von Steuerungssystemen bieten Anleitungen für den Einstieg an. Ohne genaue Eingaben und optimierte Abstimmungsparameter wird die Stabilität der Steuerung beeinträchtigt.

Zu den Vorteilen eines geschlossenen Regelkreises, wie z. B. eines PI-Regelkreises, gehören:

• Reduzierte Hysterese vom Sollwert
• Automatisierte Prozess-Fehlerkorrektur
• Erhöhte Prozessstabilität

Überblick über 8611 und 8605