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Kugelsektorventil mit hochgenauem Rückmelde-Stellantrieb

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11.05.2010 Das Unternehmen Grünewald hat seine Prozessregelung modernisiert. Mit einem neuen Prozessleitsystem und einem neuen Flächengewichtsventil werden Durchsätze und Papierqualität weiter optimiert. Durch einen hochgenauen Servomotor mit Schrittsteuerung und einer direkten Positionsrückmeldung durch das Kugelsektorventil konnte eine signifikante Stabilisierung der Prozesse und damit der Qualität auch bei deutlich höheren Durchsätzen erreicht werden.

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Entscheider-Facts Für Betreiber


  • Das Kernproblem bei der grundlegenden Sanierung beim papierhersteller Grünewald war der Schrittmotor: Der Sprung von 10000 auf nur noch 5800 Schritte führte zu einer völlig unzureichenden Regelgenauigkeit, die Folge waren Schwankungen im Papierflächengewicht.
  • Deshalb wurde der Schrittmotor schon nach kurzer Zeit gegen einen neu entwickelten Präzisionsantrieb für das Flächengewichtsregelventil ausgetauscht.
  • Bei dieser Problemlösung bilden die 8000 Schritte Auflösung die Basis, aber die interne Positionsrückmeldung des Ventils direkt an den Antrieb ist das wichtigste Merkmal dieser Ventil-Antriebseinheit.
  • Der entscheidende Schritt zu Höchstpräzision gelingt hierbei mit einem Absolut-Drehwinkelsensor, der die tatsächliche Position der Ventileinheit in Echtzeit erfasst und als Stellgröße an den Regler zurückmeldet.

Die Herstellung von Papieren mit Flächengewichten von nur 18 bis max. 60 g/m² erfordert eine hochpräzise Prozessregelung. Grünewald liefert mit einer Jahreskapazität von etwa 50000t überwiegend Lebensmittelkontaktpapier als Papierrollen an Papierverarbeiter, die daraus Serviceverpackungen wie Bäckerbeutel, Wachspapier oder Blumenseiden sowie Tischdecken herstellen.

Im Rahmen einer grundlegenden Modernisierung wurde ein neues Prozessleitsystem installiert. Um auch die Leistung erhöhen zu können, wurde dabei ein über 30 Jahre altes Flächengewichtsregelventil der Baugröße DN100 durch ein modernes Kugelsektorventil DN150 ersetzt. Kernproblem war dabei, dass der für das DN-100-Ventil eingesetzte alte Schrittmotor mit einer Auflösung von 10000 Schritten auf 90° nicht mehr für die neue Ventilbaugröße von DN 150 verfügbar war. Der zunächst als Ventilantrieb verwendete Schrittmotorantrieb mit einer Auflösung von 5800 Schritten auf 90° erwies sich schon nach kurzer Zeit als zu unpräzise.
„Mit einem größeren Ventil tut einem jeder falsche Stellschritt noch mehr weh als mit einem kleineren Ventil“, so Reinhard Christes, Leiter der Elektro-, Mess- und Regeltechnik bei Grünewald Papier. „Der Sprung von 10000 auf nur noch 5800 Schritte führte zu einer völlig unzureichenden Regelgenauigkeit, die Folge waren Schwankungen im Papierflächengewicht.“ Deshalb wurde der Schrittmotor schon nach kurzer Zeit gegen einen neu entwickelten Präzisionsantrieb für das Flächengewichtsregelventil ausgetauscht.

Präzise Volumenströme erforderngezielte Maßnahmen

Der für die Drehbewegungen entwickelte Servomotor wird nach Kundenwunsch werksseitig zur Kommandierung über ein analoges Stellsignal (4…20 mA) oder über eine Schritt-/Richtungssteuerung mit einem Signalpegel von 24V und 400Hz maximaler Eingangsfrequenz konfiguriert. Die Ansteuerung des Stellantriebs per CAN-Bus oder Profibus ist ebenfalls möglich.

Die Antriebssteuerung über Schritt-/Richtungssteuerung wird je nach Prozess- bzw. Präzisionsanforderung so konfiguriert, dass eine 90° Schwenkbewegung in 1000 bis 8192 Schritte aufgelöst wird. Die Drehbewegung des Motors wird spielfrei über ein kompaktes Planetengetriebe auf den Kugelsektor übertragen. Dabei entspricht die eingestellte Schrittzahl der tatsächlich am Kugelsektor aufgelösten Stellschritte und nicht der Schrittanzahl des Motors.
Die entscheidende Rückkopplung für eine kompromisslose Regelpräzision wird durch einen 15-bit-Absolut-Drehwinkelgeber erreicht, der die aktuelle Position der Kugelhalbschale im Ventilgehäuse am unbelasteten zweiten Lagerzapfen kräftefrei und hochgenau erfasst und als digitales Signal an die Steuerung zurückmeldet. Mit diesem ventilinternen Regelkreis wird Höchstpräzision zwischen Stellsignal und tatsächlicher Ventilstellung erreicht.
Bei Ansteuerung über ein analoges Stellsignal kann mit diesem Ventilantrieb die Stellzeit für eine 90°-Schwenkbewegung zwischen ganz offen und ganz geschlossen zwischen 1 und 300s eingestellt werden. Die Steuerung ist in einen kompakten Schaltschrank integriert. Darüber hinaus liefert diese auch ein analoges Rückmeldesignal, das von der Anlagensteuerung ausgewertet werden kann.
„Mit diesem neuen Präzisionsantrieb waren alle Probleme auf einmal gelöst. Diese 8000 Schritte Auflösung bilden sicher die Basis, aber die interne Positionsrückmeldung des Ventils direkt an den Antrieb ist das wichtigste Merkmal dieser Ventil-Antriebseinheit, “ so Christes.

Hysteresefrei zu höchsterRegelpräzision

Dies zeigt deutlich, dass die Hysterese ein oft unterschätztes Problem bei Regelventilen ist. Hohe Regelpräzision erfordert ein spielfreies Umsetzen der Antriebskräfte auf die Ventilfunktionseinheit. Nur dann korreliert ein Stellsignal dem dazu parametrierten Öffnungswinkel des Ventils und dem entsprechenden Volumenstrom. Mit einem hochgenauen Ventilantrieb in Kombination mit einem Kugelsektorventil ist es dem Hersteller gelungen, eine Präzisionsventileinheit auch für große Volumenströme herzustellen. Der entscheidende Schritt zu Höchstpräzision gelingt hierbei mit einem Absolut-Drehwinkelsensor, der die tatsächliche Position der Ventileinheit in Echtzeit erfasst und als Stellgröße an den Regler zurückmeldet. Die Auflösung einer 90°-Schwenkbewegung in über 8000 Schritte reduziert die Hysterese auf unter 0,02%.

Damit lassen sich Volumenströme wie beispielsweise zur Papierstoffmengenregelung ganz exakt einstellen. „Wir können jetzt die einem bestimmten Stoffvolumenstrom äquivalente Ventilposition des Flächengewichtsregelventil direkt ansteuern, und das Ventil nimmt auch exakt diese Position ein“, so Christes. „Dank der internen Rückmeldeelektronik können wir unser Flächengewicht viel genauer fahren als dies vorher möglich war. Selbst die 10000 Steps der alten Anlage, die schon eine sehr gute Präzision ermöglichten, werden vom neuen Präzisionsantrieb mit dem Flächengewichtsventil nochmals deutlich übertroffen. Wir produzieren heute mit wesentlich geringen Längsschwankungen. Und je genauer wir fahren, desto besser ist dies für die gesamte Anlage. Dieser Präzisionsventilantrieb hat damit auch Auswirkungen auf die Dosierung von Zuschlagstoffen.“

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Heftausgabe: Mai 2010

Über den Autor

Dr. Rainer Lange ,
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