Druckregelung zur Kalibrierung von Drücken (Projektarbeit)

[nikl]

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Hallo Community.

Ich befinde mich zur Zeit in der Projektarbeitsphase meiner Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker im Bereich Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Energietechnik und Prozessautomatisierung.

Zu meinem Projekt:
Ich bin momentan mit dem Aufbau einer automatisierten Druckregelung zur Kalibrierung von Druckmessstellen im Bereich -1...10 bar beschäftigt. Zur Realisierung dieser Druckregelung habe ich im Anhang eine Skizze mit dem Ventilaufbau angehängt.

Zur Regelung verwende ich ein Proportionalventil der Fa. Festo mit Anschluss an Profibus (http://www.festo.com/cms/de_de/7914.htm). Leider ist die Regelung zu ungenau für meine benötigten Verhältnisse, da das Proportionalventil eine Hysterese von ± 100 mbar hat und ich eine Regelung von ca. ± 2 mbar erreichen muss.
Also wollte ich das Proportionalventil als "Vorregelung" einsetzen und die "Feinregelung" über eine Taktung von Schnellschaltventile realisieren. Diesen Teil der Regelung will ich programmiertechnisch per SPS lösen.

Zur Visualisierung soll die Regelung an einem Siemens TP177B Touch-Panel (schwarz/weiß) per WinCC realisiert werden.

Rahmenbedingungen:
- Druckregelbereich -1...10 bar
- Genauigkeit der Messung ± 2 mbar (ist das Ziel)
- Als Istwertmessung steht mir ein Labom CV3100 Drucksensor (http://pascal-cv.com/pascal-cv/) mit Profibusanbindung zur Verfügung
- SPS C7-633 DP mit Simatic 300 Station
- Anbindung an Profibus
- Siemens TP177B (schwarz/weiß)

Ablauf der Steuerung:
Wie ich mir den Ablauf der Steuerung am Touch-Panel vorstelle bzw. es sein soll.

Auswahlpunkt 1 am Touch-Panel (Handbetrieb):
Eingabe eines Sollwertes von z.B. 4,3 bar -> Bestätigung mit OK -> Sollwert wird angefahren.

Auswahlpunkt 2 am Touch-Panel (Automatikbetrieb):
1. Vorbelastung des Prüflings (max. Druckprüfpunkt kann per Auswahlfeld ausgewählt oder selbst eingegeben werden)
-> Bestätigung mit OK -> Vorbelastungsdruck wird angefahren -> Entlüftung bei Erreichen des Drucks

2. Eingabe der Haltezeit (Zeit, die der Prüfling auf einem Prüfdruck konstant gehalten werden muss -> ca. 15-30s)

3. Auswahl der Prüfpunkte (Auswahl von Standardmessungen oder Eingabe der einzelnen Druckprüfpunkte - meistens 5 Punkte)

4. Abfrage, ob getroffenen Einstellungen richtig sind

5. Anfahren der Prüfpunkte

6. Ende, Wiederholung oder Richtungsumkehr der Messung

Kalibrierung von Drücken:

Die Anfrage zu den Ventilen steht noch aus und sollte eigentlich schon gestern kommen, um euch die genauen Typenbezeichnungen der Ventile zu geben.

Meine Frage/Problemstellung:
Wie realisiere ich am besten die Programmierung zur Taktung der Schnellschaltventile, um mich dem Sollwert so genau wie möglich zu nähern.

Habe mir es ein bisschen so vorgestellt:
Proportionalventil bekommt Sollwert von SPS (per Eingabe am Touch-Panel), regelt den Druck auf den Sollwert ein -> Drucksensor (Istwertmessung) gibt mir eine Rückmeldung, wie groß die Abweichung noch ist -> Taktung von Schnellschaltventilen (auf/zu) -> Erneute Istwertmessung zur Ermittlung der Abweichung

Dieser Prozess läuft so lange durch, bis der Sollwert nahezu identisch dem Istwert ist.

Ich wäre für Tipps/Erfahrungsberichte/Verbesserungsvorschläge jeder Art dankbar und entschuldige mich jetzt schonmal für diesen elend langen Text und danke euch im voraus!

Durch Telefonate mit Herstellern habe ich auch in Erfahrung bringen können, dass die genaue Regelung "optimal" mit Servomotoren und Nadelventilen zu erreichen ist.

Im Anhang:
- Skizze mit Ventilaufbau (sry, ich bin Elektroniker )
- "grober" Programmablaufplan (Schrittkette)
http://img836.imageshack.us/img836/1632/programmablaufplan.jpg

 

[nikl]

Keiner Erfahrungen mit der Programmierung bzw. SPS-Ansteuerung von Schnellschaltventile zur Druckregelung gemacht?

Vielleicht ähnliche Anwendungen?

 

[bike]

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Keiner Erfahrungen mit der Programmierung bzw. SPS-Ansteuerung von Schnellschaltventile zur Druckregelung gemacht?

Vielleicht ähnliche Anwendungen?

Doch.
Zuerst würde ich die Differenz zwischen IST und SOLL Wert bilden.
Aus dieser Differenz wird eine Zeit berechnet wie lange die Ventile geschalten werden sollen.
Ist der Regelkreis stabil, oder sind die Belastungen variabel?
Bei Stabil, kannst du auch Werte in einem DB zur Steuerung vorbelegen.
Wie schnell muss die Reaktion sein?

bike

 

[Earny]

hallo nikl,
da hast Du Dir aber eine anspruchsvolle Aufgabe ausgesucht, bzw. bekommen:
Da wünscht jemand eine Genauigkeit von +/-2 mbar.
Nehme mal einen Messbereich 0 bis 10 bar an. Da Dein Messaufnehmer (Pascal CV) eine Genauigkeit von 0,15% hat bedeutet das, dass er beim Endwert von 10000 mbar einen Fehler von +/-15 mbar aufweisen darf. Von Deinen +/-2 mbar bist Du dann meilenweit entfernt.
Wenn Du jetzt noch annimmst, dass Du ja auch mit diesem Sensor bei 2, 4, 6, 8 bar messen willst, dann wird der Fehler, bezogen auf den jeweiligen Messwert, noch größer.
Ich kenne keinen Hersteller von Druckaufnehmern mit einer Genauigkeitsklasse besser als 0,05% vom Endwert. (Hottinger/Darmstadt macht sowas im Hochdruckbereich bei 0 bis 500 bar.)

Gruß
Earny

 

[nikl]

Doch.
Zuerst würde ich die Differenz zwischen IST und SOLL Wert bilden.
Aus dieser Differenz wird eine Zeit berechnet wie lange die Ventile geschalten werden sollen.
Ist der Regelkreis stabil, oder sind die Belastungen variabel?
Bei Stabil, kannst du auch Werte in einem DB zur Steuerung vorbelegen.
Wie schnell muss die Reaktion sein?

bike

Danke, für deine Antwort.
Der Regelkreis müsste theoretisch sehr stabil laufen (bekomme heute im Verlauf des Tages den Pneumatikplan). Es soll ja immer nur 1 Prüfling am Ende der Regelung angeschlossen sein.
Reaktionszeit spielt in diesem Fall keine derart große Rolle. Sie kann theoretisch erst im 20s+ Bereich liegen, da die konstante Haltezeit des Druckes eher eine wichtigere Rolle spielt.

hallo nikl,
da hast Du Dir aber eine anspruchsvolle Aufgabe ausgesucht, bzw. bekommen:
Da wünscht jemand eine Genauigkeit von +/-2 mbar.
Nehme mal einen Messbereich 0 bis 10 bar an. Da Dein Messaufnehmer (Pascal CV) eine Genauigkeit von 0,15% hat bedeutet das, dass er beim Endwert von 10000 mbar einen Fehler von +/-15 mbar aufweisen darf. Von Deinen +/-2 mbar bist Du dann meilenweit entfernt.
Wenn Du jetzt noch annimmst, dass Du ja auch mit diesem Sensor bei 2, 4, 6, 8 bar messen willst, dann wird der Fehler, bezogen auf den jeweiligen Messwert, noch größer.
Ich kenne keinen Hersteller von Druckaufnehmern mit einer Genauigkeitsklasse besser als 0,05% vom Endwert. (Hottinger/Darmstadt macht sowas im Hochdruckbereich bei 0 bis 500 bar.)

Gruß
Earny

Danke für deine Antwort Earny.
Tut mir leid, dass ich mich leider falsch ausgedrückt habe.

Der Istwertsensor ist für den Prozess vom Genauigkeitsbereich ausreichend, da ich dies auch schon bemerkt hatte und den Auftraggeber darauf aufmerksam gemacht hatte.
Hatte die Genauigkeiten in dem Fall noch nicht angepasst, nochmal Sorry an dieser Stelle. :-|

Aber nochmal Danke, dass du mich darauf aufmerksam gemacht hast.

Update:
Nach einem Telefonat gestern mit der Fa. Festo, werde ich den Prozess der Druckregelung ohne Proportionalventile und nur mit Schnellschaltventilen realisieren.

Ich werde probieren den Pneumatikplan evtl. noch nachzureichen, wenn ich ihn heute zugesandt bekomme.

Gruß Nikl

 

[bike]

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Dann würde ich bis zu einem Sollwert von ca 80-85 steuern, die Sollwerte aus einem DB nehmen und erst dann regeln.
Wie schlimm ist ein Überschwingen? Davon ist abhängig ob du mit einer Steuertabelle auskommst oder verschiedene generieren musst. Oder aber du regelst von Anfang an, was natürlich auf die Lebensdauer deiner Ventile geht.


bike

 

[nikl]

Überschwingen ist nicht wirklich schlimm. Das einzig kritische ist, dass der Sollwert später über einen Zeitraum von 15-30s wirklich konstant gehalten werden muss.

Die Lebensdauer der Ventile sollten dies auf jeden Fall abkönnen, da Schnellschaltventile ja für viele Prozesse mit hohen Schaltzahlen ausgelegt sind.

Das einzige, was mir noch Sorgen bereitet ist, ob die Zykluszeit meiner CPU nicht mit den Schaltzeiten hinterherkommt. Die Schnellschaltventile schalten im Bereich ~2ms und je nach der Zykluszeit der CPU kann dies evtl. nicht voll ausgeschöpft werden.

Ich verwende eine C7-633 DP als CPU und Festo MHE2-MS1H-3/2G-M7 Schnellschaltventile.
Für den Aufbau mit Schnellschaltventilen benötige ich nun noch ET200 Baugruppen zum Ansteuern (werde mich noch mit Siemens auseinandersetzen, was da die optimale Lösung ist).

Im Anhang findet ihr mal die 2 Lösungsansätze im Pneumatikplan (Fa. Festo)

Lösung 1:
Unterstellt, dass mit geringeren Durchflüssen (Drosseln) in Verbindung mit Schnellschaltventilen eine höhere Regelgenauigkeit möglich wäre, könnte folgender Aufbau Sinn ergeben.
Wie von Ihnen vorgeschlagen, habe ich pro Versorgung zwei Kreise angenommen um grob und fein zu regeln.
Das Ventil mit offener Grundstellung würde bei Spannungsunterbrechung für eine Entlüftung des Systems sorgen.

Lösung 2:
Da Sie eine recht hohe Einregelzeit akzeptieren (Schnellschltventile u.U. nicht notwendig), könnte der gleiche Aufbau auch mit einer Ventilinsel mit Busansteuerung (hier Profibus) realisiert werden.
Eine entsprechenden Lösungsansatz finden Sie in Skizze 2.

Grüße
Nikl

 

[JOHKU]

Hallo Kollegen,

ich habe die Aufgabe nicht 100% verstanden aber ich habe das Gefühl das es sich um soetwas wie eine 3 Punkt-Schritt regelung handelt.
Versuche es doch mal mit dem FB42 und verwende den AUF Befehl für Druckluft und ZU für Vacuum.

War nur so eine Idee....

 

[bike]

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Überschwingen ist nicht wirklich schlimm. Das einzig kritische ist, dass der Sollwert später über einen Zeitraum von 15-30s wirklich konstant gehalten werden muss.

Das kann jede PLC, die muss nicht einmal so echt schnell sein

Die Lebensdauer der Ventile sollten dies auf jeden Fall abkönnen, da Schnellschaltventile ja für viele Prozesse mit hohen Schaltzahlen ausgelegt sind.

Lösung 2:
Da Sie eine recht hohe Einregelzeit akzeptieren (Schnellschltventile u.U. nicht notwendig), könnte der gleiche Aufbau auch mit einer Ventilinsel mit Busansteuerung (hier Profibus) realisiert werden.
Eine entsprechenden Lösungsansatz finden Sie in Skizze 2.

Da hast du ja schon den Hinweis von den Profis.
Diese Weg würde ich mir aussuchen, das Konzept ist schlüssig und verwendet kein exotische Teile.

Denk mal in dieser Richtung nach und wenn, dann frag wieder


bike

 

[nikl]

Danke für eure Antworten.

Mein "direkter Projektleiter" bevorzugt eher die Lösung mit den Schnellschaltventilen, da es sehr warscheinlich feiner zu dosieren geht und nicht immer wieder der Zyklus der Ventilinsel (ca. 20ms) abgearbeitet werden muss :-|

Habe heute mit der Realisierung der Programmierung begonnen und mir schon Hilfe bei den Programmierern eingeholt.

Werde sehr warscheinlich nur mit Vergleichern arbeiten und den Prozess dann in der Praxis erst optimieren können. Da der Programmierungsaufwand für eine Automatisierung nicht auf die schnelle realisierbar sein wird, werde ich vorerst nur eine "Sollwerteingabe" am Touch-Panel machen.