Stellungsregler

Regelventil (unten) mit pneumatischem Antrieb (oben) und Stellungsregler (Mitte)

Stellungsregler (engl. positioner) sind Regler, welche die Stellung (Lage, Position) eines Objektes regeln (Lageregelung). Sie werden häufig in der Automatisierungstechnik und der Prozessindustrie zur Ansteuerung von Stellantrieben eingesetzt, die oft ein größeres Stell- bzw. Regelventil verstellen.

Ein Stellungsregler erhält das Stellsignal (z. B. von einem übergeordneten Regler) in Form eines Einheitssignals (z. B. 4–20 mA) und setzt dieses vor Ort um. Durch eine mechanische Rückführung der momentanen Position des Stellhubes können störende Einflüsse wie Schwankungen in Betriebsdruck oder Stellenergie selbständig ausgeregelt werden. Diese Hilfsenergie kann elektrisch, über Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit bereitgestellt werden.

Aufbau

Die (Fern)Steuerung eines Ventils geschieht in der Regel über einen Stellantrieb (Aktuator). In der Prozessautomatisierung werden hierzu oft pneumatische oder hydraulische Antriebe eingesetzt.

Der Stellungsregler wandelt das Eingangssignal (elektrisch oder pneumatisch) in ein entsprechendes Ausgangssignal um, das die Soll-Position bestimmt. Kennzeichnend für einen Stellungsregler ist die Stellungsrückmeldung, die dazu dient, die Ist-Position zu bestimmen und eine mögliche Differenz nachzuregeln.

Arten

Nach Art der zu regelnden Stellbewegung

Je nach Art des Ventils führt der zu regelnde Stellantrieb aus:

an welche der Stellungsregler jeweils angepasst ist.

Universal einsetzbare Stellungsregler lassen sich über eine (Hebel-)Mechanik an beide Antriebsarten anpassen.

Nach Anzahl der Wirkrichtungen

Je nach Typ des Antriebs werden benötigt:

Manche Stellungsregler werden als dreifach- oder vierfachwirkend bezeichnet. Diese setzen sich zusammen aus mehreren Stellungsreglern, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.

Nach Art der Hilfsenergie

Pneumatische Stellungsregler

Dieser Typ verwendet das pneumatische Einheitssignal 0,2–1,0 bar. Als Hilfsenergie wird Druckluft verwendet (typisch 6 bar).

Dieser relativ teure Typ hatte Vorteile im Hinblick auf explosionsgefährdete Bereiche, weil er ohne potentiell funkenerzeugende elektr(on)ische Bauteile auskommt. Inzwischen können die derzeitigen Prozessleitsysteme jedoch kostengünstig eigensichere elektrische Stellsignale erzeugen, wodurch der o. g. Vorteil entfällt und pneumatische Stellungsregler nur noch selten eingesetzt werden.

Elektrische Stellungsregler

Bei diesem Typ liegen Ein- und Ausgangssignal in elektrischer Form vor. Somit muss auch der Stellantrieb elektrisch sein. Als Spannungsquellen kommen ein- und dreiphasige Gleich- oder Wechselspannung in Betracht.

Elektrische Positioner werden meist in digitaler Form gebaut, um z. B. auch digitale Eingangssignale von Feldbussystemen (bspw. PROFIBUS) auswerten und komplexere Funktionen zur Bestimmung der Soll-Stellung realisieren zu können.

Der Vorteil dieses Typs liegt im minimalen Energieverbrauch bei erreichter Soll-Stellung, da nur noch der Stellungsregler mit Energie versorgt werden muss, nicht jedoch der Antrieb. Allerdings können diese Geräte nur selten im Ex-Bereich (explosionsgefährdeter Bereich) eingesetzt werden, da für die Bewegung des Stellantriebs oft enorme Mengen an Energie und damit an Elektrizität benötigt werden.

Elektropneumatische und elektrohydraulische Stellungsregler

Diese Stellungsregler werden am häufgisten verwendet, weil sie die Vorteile der beiden ersten Typen vereinen: sie bieten Explosionsschutz (bei hinreichend kleiner Spannung), können mit Druckluft bzw. (ggf. schwer entflammbarer) Hydraulikflüssigkeit betrieben werden und digitale Signale verarbeiten.

Das elektrische Eingangssignal wird mittels einer eingebauten elektronischen Schaltung in den entsprechend nötigen Druck umgerechnet. Dann werden die Ventile des Stellungsreglers von der Elektronik so geöffnet, dass der zu regelnde pneumatische bzw. hydraulische Stellantrieb in die Soll-Stellung fährt.

Diese Stellungsregler empfangen Signale in analoger Form (4–20 mA) oder auch in digitaler Form (PROFIBUS, Foundation Fieldbus etc.) und bieten die entsprechenden Funktionen (bspw. nichtlineare Umwandlung des Eingangssignals in Stellwerte).

Stetige Regler mit integriertem Stellungsregler

Bei industriellen Kompaktreglern (PID-Reglern) werden durch den integrierten Stellungsregler motorbetriebene Stellglieder in ihrer Position ausgeregelt. Das Stellglied wird durch den Regler über binäre Ansteuerung, z. B. Relais, auf- oder zugefahren. Das Stellglied muss über eine Positionsrückmeldung verfügen. Diese Rückmeldung wird im einfachsten Falle durch einen Widerstandsschleifer bzw. ein Potentiometer dargestellt und dem Regler zugeführt. Der unterlagerte Stellungsregler regelt nun zusätzlich den geforderten Öffnungsgrad (Stellgrad) des stetigen Reglers.

Viele (elektro-)pneumatische Stellungsregler können integriert angebaut werden, d. h. die pneumatischen Verbindungen werden über Öffnungen in der Bodenplatte des Positioners realisiert. Diese Anbauart erfolgt üblicherweise nach Industrienormen (hauptsächlich NAMUR oder auch VDI/VDE 3847), um die Antriebe und Stellungsregler herstellerunabhängig einsetzen zu können.

Wenn dies nicht möglich ist, wird der Stellungsregler mit Halteklammern bzw. -klemmen an den Antrieb montiert, um die Stellungsrückmeldung zu realisieren. Dazu müssen aber pneumatische Leitungen verlegt werden.

Wenn auch diese Anbauart nicht realisierbar ist (z. B. wenn der Stellungsregler aus Explosionsschutzgründen nicht im Bereich des Ventils montiert werden darf), wird die Stellungsrückmeldung über NCS (Non contact sensors, berührungsfreie Sensoren) realisiert, die dann, neben der pneumatischen Verbindung, als einzige Elemente des Reglers am Antrieb montiert werden.

Einzelnachweise

  1. ↑ JUMO: JUMO Campus - Regelungstechnik - Grundlagen und Tipps für den Praktiker. Abgerufen am 6. Dezember 2017.