Positioner

Regelventil mit pneumatischen Antrieb und Stellungsregler

Ein Stellungsregler (engl. positioner) erhält von einem übergeordneten Regler das Stellsignal in Form eines Einheitssignales (z. B. 4–20 mA) und setzt dieses vor Ort um. Durch eine mechanische Rückführung der momentanen Position des Stellhubes können Veränderungen bezogen auf Betriebsdruck und Stellenergie selbständig ausgeregelt werden. Das Stellglied ist meist ein Regelventil. Hilfsenergie ist meist Druckluft. Der übergeordnete Regler wird so von zwei typischen Störgrößen befreit, was die Regelgüte verbessert.

Aufbau

Allgemein

Um ein Ventil zu steuern, wird neben einem Stellungsregler (und natürlich einem Ventil) auch ein so genannter Stellantrieb benötigt. In der Prozessautomatisierung werden hierzu oft pneumatische oder hydraulische Antriebe eingesetzt, da Druckluft leicht zu produzieren ist. Fluide lassen sich auch einfach speichern (im Gegensatz zu elektrischer Energie). Allgemein gilt, dass ein Stellungsregler ein Eingangssignal (elektrisch oder pneumatisch) in ein entsprechendes Ausgangssignal umwandelt (Soll-Position). Des Weiteren verfügen alle Stellungsreglertypen über eine Stellungsrückmeldung, die dazu dient, die Ist-Position zu bestimmen.

Einfach- und doppeltwirkende Stellungsregler

Je nach Typ des Antriebs, werden einfach- oder doppeltwirkende Stellungsregler benötigt. Wenn ein Antrieb einfachwirkend ist, heißt das, dass er nur einen Eingang besitzt, es wird dann (beispielsweise über eine Feder bei pneumatischen Antrieben) eine Gegenkraft erzeugt, die bei Fehlen der Stellenergie das Ventil schließt (oder öffnet, je nach Wirksinn). Doppeltwirkende Antriebe besitzen zwei Eingänge, somit wird für jede Antrieb- und Ventilbewegung Stellenergie benötigt. Manche Stellungsregler werden als dreifach- oder vierfachwirkend bezeichnet, dies sind jedoch im engeren Sinne nur mehrere Stellungsregler in einem Gehäuse. Des Weiteren gibt es lineare und rotierende Antriebe für entsprechende Ventile und somit auch lineare und rotierende Stellungsregler, allerdings auch Geräte, die beide Antriebsarten unterstützen (meist über einen Hebel realisiert, der an die Stellungsrückmeldung montiert wird).

Es existieren drei verschiedene Arten von Stellungsreglern:

Pneumatische Stellungsregler

Dieser Typ verwendet das pneumatische Einheitssignal 0,2–1,0 bar. Als Hilfsenergie wird Druckluft (typisch 6 bar) verwendet. Dieser Typ wird heute selten eingesetzt. Die derzeitigen Prozessleitsysteme können kostengünstig eigensichere Stellsignale erzeugen. Hierdurch entfällt der Vorteil dieses Typs im Hinblick auf explosionsgefährdete Bereiche.

Elektrische Stellungsregler

Bei diesem Typ liegen Ein- und Ausgangssignal in elektrischer Form vor. Der Antrieb muss somit auch elektrisch sein. Als Spannungsquellen kommen ein- und dreiphasige Gleich- oder Wechselspannung in Betracht. Elektrische Positioner werden meist in digitaler Form gebaut, um beispielsweise auch digitale Eingangssignale von Feldbussystemen (bspw. PROFIBUS) auswerten zu können und um z. B. 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 in den seltensten Fällen im Ex-Bereich (explosionsgefährdeter Bereich) da für die Bewegung des Antriebs oft enorme Energiemengen benötigt werden.

Elektropneumatische und elektrohydraulische Stellungsregler

Diese Stellungsregler vereinen die Vorteile der beiden ersten Typen: Sie bieten Explosionsschutz (bei hinreichend kleiner Spannung), können mit Druckluft bzw. (ggf. schwer entflammbarer) Hydraulikflüssigkeit betrieben werden und können digitale Signale verarbeiten. Das Eingangssignal wird mittels einer eingebauten Schaltung in den entsprechend nötigen Druck umgerechnet. Dann werden die Ventile des Stellungsreglers von der Elektronik so geöffnet, dass der Antrieb in die Soll-Stellung fährt. Sie empfangen Signale in analoger Form (4–20 mA-Signal) oder auch in digitaler Form (PROFIBUS, Foundation Fieldbus etc.) und bieten die entsprechenden Funktionen (bspw. nicht-lineare Umwandlung des Eingangssignals in Stellwerte). Dieser Typ ist der meistverbreitete, da er die Vorteile beider Welten bietet.

Anbau von pneumatischen Stellungsreglern

Viele (elektro-)pneumatische Stellungsregler können integriert angebaut werden, das heißt, die pneumatischen Verbindungen werden über Öffnungen in der Bodenplatte des Positioners realisiert. Diese Anbauart erfolgt üblicherweise nach Industrienormen (hauptsächlich NAMUR 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 (wenn beispielsweise der Stellungsregler aus Explosionsschutzgründen nicht im Bereich des Ventils montiert werden darf), wird die Stellungsrückmeldung über so genannte NCS (Non contact sensors, berührungsfreie Sensoren) realisiert, die dann, neben der pneumatischen Verbindung, die einzigen Elemente des Reglers am Antrieb montiert werden.

Einsatzbereiche

Stellungsregler werden in vielen Bereichen benötigt. Die wichtigsten sind:

• Chemische Industrie
• Wasser- und Abwasser
• Petrochemische Industrie
• Kraftwerke
• Papier- und Glasindustrie
• Lebensmittel- und Pharmaindustrie
• Pipelines

Generell werden Stellungsregler in der Prozessindustrie eingesetzt, d. h. in Betrieben, in denen chemische, physikalische oder ähnliche Prozesse ablaufen und gesteuert werden sollen.

Hersteller von Stellungsreglern (Auswahl)

• ABB
• SAMSON
• Siemens (SIPART PS2)

Siehe auch

Automatisierungstechnik, Ventil