Laborversuch. Druckregelventil

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1 Laborversuch Druckregelventil Statische und dynamische Untersuchung eines Druckregelventils Inhalt: 1. EINFÜHRUNG DRUCK-REGELVENTIL NW VERSUCHSAUFBAU HW-Aufbau Software VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND AUSWERTUNG Versuchsdurchführung Statische Messungen Dynamische Messungen Versuchsauswertung Statische Untersuchung Dynamische Untersuchung Schlussbetrachtung Anhang Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 1

2 1. EINFÜHRUNG Die Automatisierung mechanischer, pneumatischer und hydraulischer Anlagen basiert vielfach auf Anwendungen der Mikroelektronik z.b. in Form von digitalen Reglern und/oder Steuerungen. Auch in modernen Stelleinrichtungen und Messsystemen wird diese Technik angewendet und macht sie zu wichtigen Komponenten der Prozessautomatisierung. Bild 1 zeigt beispielhaft einen digitalen Lageregelkreis. y w Stellglied Meßglied u DC Bild 1: Blockschaltbild einer digitalen Lageregelung Im Rahmen dieses Laborversuches soll unter Anwendung messtechnischer Methoden ein elektropneumatisches Druck-Regelventil (Stellglied) exemplarisch auf sein statisches und dynamisches Verhalten untersucht werden, um Kenntnisse hinsichtlich des Übertragungsverhaltens und des Einflusses typischer System- Parameter (Versorgungsdruck, Durchfluss,... ) zu gewinnen. Für die Versuchsdurchführung steht ein digital anzusteuerndes Regelventil (Fabrikat WABCO, Typ NW 3) zur Verfügung (Tabelle 1). Typ Eingang Ausgang NW 3 digital, ,0/24 V = 0...5,1 bar Tabelle 1: Eingangs- /Ausgangsdaten des Druckregelventils Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 2

3 2. DRUCK-REGELVENTIL NW 3 Das Regelventil NW 3 besteht im wesentlichen aus 6 Magnetventilen, die binär codiert angesteuert werden. Entsprechend dem Binärcode (6 Bit) werden über die Magnetventile bestimmte Kombinationen von Steuerkolben mit Luft beaufschlagt. Die Kolbenkräfte werden auf Federn übertragen, und die Summe der Federkräfte wirkt auf den Regelkolben des Druckregelventils. Somit wird ein Arbeitsdruck ausgesteuert, welcher der Summe der Federkräfte proportional ist. Bei Luftentnahme (d.h. bei sinkendem Arbeitsdruck) wird die notwendige Luftmenge über den Regelkolben eingespeist und der Druck ausgeregelt. Das Bild 2 zeigt schematisch den mechanischen Aufbau des Druckregelventils. Bild 2: mechanischer Aufbau des Druckregelventils NW 3 Wird der Schaltzustand der 6 Magnetventile durch die Koeffizienten a i, i = 1, 2,...6; a 0, 1, beschrieben, so kann der Ausgangsdruck P, 0 <=P<= P max, durch folgende Beziehung angegeben werden: P 5 ( a j 0 j 1 * 2 ) P mit P f ( PV, Q) j * Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 3

4 Entsprechend der digitalen 6 Bit-Steuerung des Regelventils wird der vom Versorgungsdruck P und vom Durchfluss Q abhängige maximale Arbeitsdruck / Ausgangsdruck P in 2 6 = 64 Stufen quantisiert: P/ (bar/digit) = P max /64 Das Bild 3 zeigt ergänzend die statische Kennlinie des Druckregelventils. Bild 3: Statische Kennlinie des Druckregelventils NW 3 Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 4

5 In Tabelle 2 sind die wichtigsten techn. Daten des NW3 aufgelistet. Betriebsdruck 5, bar Regelbereich ,1 bar Hysterese (max.) +/- 0,08 bar Druckerhöhung 0,085 bar/digit (P V =6; Q=0) Ansteuerung Binär codiert, 6 Bit Spannung 24 V= +/- 10% Nennstrom/Magnet = 0,105 A Schutzart = IP 65 Einschaltdauer = 100% Gewicht = 18 N Tabelle 2: Technische Daten des Druckregelventils NW 3 3. VERSUCHSAUFBAU 3.1 HW-Aufbau Zur Versuchsdurchführung ist im FGA der im Bild 4 gezeigte Aufbau entwickelt worden. Bild 4: Schematische Darstellung der Versuchseinrichtung Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 5

6 Gemäß der Funktion des Regelventils wird ein binäres Steuerwort u in einen pneumatischen Druck P übertragen wobei gilt: P = f(u, Q, t,, P V ) mit: Q : Durchfluss P V : Netz-/Versorgungsdruck. Als Messgrößen zur Ermittlung der funktionalen Zusammenhänge werden erfasst: - Druck P (Abbildungsgröße U P ) - Durchfluss Q - Steuersignal u - Zeit t. Der Druck P, 0 <=P<= 6(5,1)bar, wird über einen Drucksensor (DMS-Technik) erfasst, dessen elektrisches Ausgangssignal von einem Trägerfrequenzmessverstärker (MV) in ein druckproportionales Spannungssignal U P, 0 <=U P <= 10 V, übertragen wird. Dieses analoge Signal wird über das nachgeschaltete Interface (PCL-812) digitalisiert (12 bit A/D-Wandler) und dann programmgesteuert vom PC ausgelesen und verarbeitet. Der Durchfluss Q, 0 <=Q <=100%, ist am Durchflussmessgerät abzulesen und über die Tastatur an das PC-Programm zu übergeben. Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 6

7 Hierbei muss beachtet werden, dass der Ablesewert Q einen relativen Wert (%) mit Bezug auf den Nenndurchfluss (Q N = 400 l/min bei P = 3 bar) darstellt und gemäß der Korrekturkurve (Bild 5) umzurechnen ist, was hier softwareseitig erfolgt. Bild 5: Durchfluss-Korrekturfaktor K Q als Funktion des Druckes Das Steuersignal u wird computergestützt generiert und über das Interface als digitales Signal (6 Bit, , =/24 V =) an das Regelventil NW 3 übertragen. Die Messzeit t wird im Menü des Bedienprogramms eingegeben, und sollte ca. 0,5 s betragen Die gewählte Abtastzeit sollte bei 10-20ms liegen. Der Versorgungsdruck P V muss an einem analogen Anzeigegerät abgelesen und als Mess-Parameter an das Programm übergeben werden. Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 7

8 3.2 Software Das mit LabVIEW erstellte Bedienprogramm enthält vier wichtige Unterprogramme (Bild 6): Programm Ventil NW3 Kalibrierung Kennlinie Versorgungsdruckabhängigkeit Kennlinie Durchflussabhängigkeit Sprungantwort Bild 6: Software-Struktur des Bedienprogramms Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 8

9 4. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND AUSWERTUNG 4.1 Versuchsdurchführung Vor der eigentlichen Versuchsdurchführung ist der Aufbau entsprechend Bild 4 zu überprüfen und die Bedienung des Programms nach Einweisung exemplarisch zu testen Statische Messungen Untersuchung der Versorgungsdruck-Abhängigkeit - Aufnahme von 3 Messreihen P = f(u) gemäß Tabelle: Messung Nr. P V (bar) Parameter zur Einstellung des Durchflusses P V (bar) u Q (%) Drucker-Ausgabe der Messwerte - - Drucker-Ausgabe der statischen Kennlinien/-felder P = f(u) und Q* = f(p) für P V = 6; 7; 8 bar Untersuchung der Durchfluss-Abhängigkeit - Aufnahme von 6 Messreihen P = f(u) gemäß Tabelle: Messung Nr. Q (u, P V ) 1 0% 2 15% 3 20% 4 30% 5 40% 6 45% Parameter zur Einstellung des Durchflusses P V (bar) u Drucker-Ausgabe der Messwerte - Drucker-Ausgabe der statischen Kennlinien/ -felder P = f(u) und Q* = f(p) für verschiedene Durchflüsse Q Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 9

10 4.1.2 Dynamische Messungen Aufnahme von 2 Sprungantworten P = f(t) gemäß Tabelle: Nr. u1 > u2 1 z.b.: 0 -> 50 2 z.b.: 50 -> 0 Parameter zur Einstellung des Durchflusses P V (bar) u Q (%) Versuchsauswertung Statische Untersuchung Versorgungsdruck-Abhängigkeit - Ermitteln Sie anhand der Kennlinien die Abhängigkeit des Ausgangsdruckes P und des Durchflusses Q* vom Vordruck P V bei den gegebenen Parametern - Beurteilen Sie die aufgenommenen Kennlinien! Durchfluss-Abhängigkeit - Bestimmen Sie in dem Kennlinienfeld P = f(u) die Linien konstanten Durchflusses - Bestimmen Sie in dem Kennlinienfeld Q* = f (P) die Linien konstanter Ansteuerung u - Ermitteln Sie die Durchflussabhängigkeit des Druckes P = f(q*) unter Berücksichtigung der Ansteuerung u bei konstantem Versorgungsdruck P V. (Grafische und analytische Lösung!) - Beurteilen Sie die aufgenommenen Kennlinien! Dynamische Untersuchung Auswertung der Übergangsfunktionen - Bestimmung des Übertragungsverhaltens durch Vergleich mit Ihnen bekannten Modellen - Bestimmung der typischen Konstanten 4.3 Schlussbetrachtung Zusammenfassende Bewertung Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 10

11 Anhang Rö/Ha 03/2002 DRUCK-REGELVENTIL 11