DE102006055747B4

DE102006055747B4 - Verfahren und Anordnung zur Diagnose eines Stellorgans

Info

Publication number: DE102006055747B4
Application number: DE102006055747.6A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Pape Detlef; Urs E. Meier; Andreas Stelter
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2006-11-25
Filing date: 2006-11-25
Publication date: 2021-08-26
Anticipated expiration: 2026-11-26
Also published as: US8122905B2; CN101255882A; US20080121290A1; DE102006055747A1

Abstract

Verfahren zur Diagnose eines Stellorgans, das durch einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb unter der Kontrolle einer Steuereinrichtung betätigt wird und das während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs akustische Signale abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass in das Druckmittelsystem (19) des Stellantriebs (6) rückgekoppelte akustische Signale aufgenommen werden, aus denen die Zustandsdaten des Stellorgans (2) abgeleitet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Diagnose eines Stellorgans gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Patentansprüche.
Als gattungsbildende Stellorgane sind Regelventile in der Automatisierungs- und Prozesstechnik als sehr wichtige Elemente in der Steuerung und Regelung der Prozesse allgemein bekannt. Ihre Zuverlässigkeit bestimmt entscheidend die Qualität des gesamten Regelprozesses. Während des Betriebs auftretende Fehler können zu einem Ausfall des gesamten Systems führen, welches hohe Wartungskosten zur Folge hat. Eine frühzeitige Diagnose und dadurch die Erkennung von Fehlern im Ventil können daher solche Ausfälle verhindern und als Folge auch die Kosten senken, welche durch einen vorsorglichen Austausch von noch fehlerfrei arbeitenden Ventilen entstehen.
Von großem diagnostischem Interesse sind insbesondere Leckagen von Ventilen im geschlossenen Zustand. Durch Alterungsprozesse oder Verschmutzung lässt die Dichtwirkung des Ventilsitzes nach und es strömt trotz eines nach aussen hin signalisiertem geschlossenem Ventil weiterhin das Prozessmedium durch das Ventil.
Solche Leckagen können beispielsweise durch einen nachgeschalteten Durchflusssensor, welcher zusätzlich in die Prozessleitung eingebaut wird, detektiert werden. Solch ein Sensor ist aber sehr teuer und es entsteht ein hoher Aufwand für die Montage des Sensors. Auch ist der Energieverbrauch des Durchflusssensors in der Regel so hoch, so dass er nicht von der Ventilsteuerung mitversorgt werden kann, sondern eine zusätzliche Versorgungsleitung benötigt. Der Einbau solch eines Sensors erfolgt daher in der Regel auch nur, wenn dieser bereits für die Prozesssteuerung benötigt wird. Darüber hinaus ist aus der Dissertation von Sebastian Maria Mundry „Zustandsüberwachung an Prozessventilen mit intelligenten Stellungsreglern“, Shaker Verlag, Aachen, 2002, bekannt, dass Duchflusssensoren zur Messung des maximalen Durchflusses nicht geeignet sind, die geringen Leckageströme zuverlässig zu erfassen.
Aus derselben Veröffentlichung ist ferner bekannt, dass die Strömung eines unter Druck stehenden Fluids durch eine schmale Öffnung infolge verschiedener physikalischer Effekte ein Schallsignal erzeugt. So entstehen durch die auftretenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten starke Verwirbelungen hinter der Öffnung und durch den Druckabfall in der Strömung Kavitation. Die Turbulenz und das Zerfallen der Kavitationsblasen erzeugen ein akustisches Signal, welches direkt von der Strömungsgeschwindigkeit und den Fluideigenschaften abhängig ist. Das Signal besteht bei niedrigen Geschwindigkeiten aus einzelnen Schallimpulsen, die durch den Zerfall der einzelnen Kavitationsblasen entstehen, und geht bei hohen Geschwindigkeiten in ein weisses Rauschen über. Überdeckt wird dieses akustische Signal durch die allgemeinen Prozessgeräusche in der Anlage, welche durch Pumpen, allgemeine Strömungsgeräusche, chemische Prozesse, etc. hervorgerufen werden.
Bei der Ausbreitung dieser Prozessgeräusche im Leitungssystem der Anlage werden die Geräusche abhängig von ihrer Frequenz unterschiedlich stark gedämpft. Insbesondere die hohen Frequenzen werden stark gedämpft, so dass sich Prozessgeräusche im Allgemeinen nur als niederfrequente akustische Signale (im kHz-Bereich) am Ventil bemerkbar machen. Durch das Messen in höherfrequenten Bereichen können daher die durch die Leckage erzeugten Geräusche von den allgemeinen Prozessgeräuschen unterschieden werden. Es ist aus Leak Detection Service, Maintaining a Succesful Valve and Trap Leak Detection Program using the Valve-Analyser System, The 10th Annual Predictive Maintainance Technology National Conference, November 9-12, 1998 bekannt, dass Ventilservicefirmen heute Ultraschallsensoren benutzen, um die Geräuschsignale direkt am Ventil, also in der Nähe der Schallquelle zu messen. Zusätzlich werden diese auch mit den Signalen von Ultraschallsensoren verglichen die weiter stromauf- und stromabwärts im Rohrleitungssystem abgebracht werden. Aus diesen Signalen kann dann eine Leckage detektiert werden und es kann bei entsprechender Kalibrierung aus dem Signalpegel sogar die Grösse der Leckage für das Ventil bestimmt werden.
Darüber hinaus ist aus den EP 1216375 B1 und WO 00/73688 A1 bekannt, den Körperschall am Gehäuse des Ventils oder mit diesem unmittelbar verbundenen Teilen aufzunehmen und dem Stellungsregler zuzuführen, in dem die Informationen ausgewertet und verarbeitet werden. Hierbei wird das Ventil kontinuierlich überwacht, wobei für die Diagnose die bereits im Stellungsregler vorhandene Elektronik und das Positionssignal mitgenutzt wird. Den Veröffentlichungen ist weiterhin entnahmbar, dass hochfrequente Signale (>50kHz) untersucht werden und dass das Ultraschallspektrum im geschlossenen Zustand mit einem Signal im leicht geöffneten Zustand verglichen wird. Durch letztere Methode lassen sich ebenfalls gut die Umgebungsgeräusche reduzieren ohne dass an verschiedenen Stellen in und gegen die Flussrichtung Vergleichsmessungen durchgeführt werden müssen. Die Mitnutzung der Stellungsgeberelektronik und des Positionssignals reduziert zwar den Installationsaufwand für dieses Diagnosesystem, der Ultraschallsensorkopf selbst muss aber weiterhin als zusätzliche externe Einheit am Ventil montiert werden.
Aus der JP 01213539 A ist eine Ventilüberwachungseinrichtung bekannt, bei der das Nutzsignal eines Nutzsignalsensors am Antrieb und das Störsignal eines Störsignalsensors am Rohr bereinigt und während des Betriebes mit einem Referenzsignal eines ungestörten Ventils verglichen wird. Das Nutzsignal und das Störsignal sind Körperschallsignale.
Ferner lehrt JP 56014672 A , ein Mikrofon nahe dem Ventilsitz anzuordnen und das sich als Körperschall im Ventilgehäuse ausbreitende Geräusch aufzunehmen und in einem Frequenzanalysator zu bewerten.
Schließlich beschreibt EP 1 477 678 A2 eine Pumpe, deren Betriebsgeräusch als Körperschall gemessen wird. Ergänzend sollen Einbauten am Ventilsitz eine Verstärkung des Körperschalls bewirken. Darüber hinaus lehrt die Offenbarung, den Körperschall der übergeordneten Einrichtung während des laufenden Betriebes zu messen, mit einem Referenzwert einer intakten übergeordneten Einrichtung zu vergleichen und aus der Differenz den Erhaltungszustand der zu überwachenden Einrichtung zu ermitteln.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem Aufwand unter weitgehender Nutzung der für den bestimmungsgemäßen Gebrauch des Stellorgans notwendigen und vorhandenen Mittel von dem zu überwachenden Stellorgan ausgehende akustische Signale aufzunehmen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von einem Stellorgan aus, das durch einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb unter der Kontrolle einer Steuereinrichtung betätigt wird und das während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs akustische Signale abgibt. Die akustischen Signale breiten sich im Stellorgan aus und werden über die unmittelbar mit dem Stellorgan verbundenen Elemente in das Druckmittelsystem des Stellantriebs rückgekoppelt. Die akustischen Signale werden dabei vor allem über das Gestänge auf die Membran im Stellantrieb und in das Gehäuse des Stellantriebes übertragen, welche diese Signale wie eine grosse Lautsprechermembran verstärken und an das Druckmittel weitergegeben. Insbesondere innerhalb des Stellantriebes findet hierbei eine grosse Verstärkung des akustischen Signals in das Druckmittel der Antriebskammer statt.
Erfindungsgemäß werden die in das Druckmittelsystem des Stellantriebs rückgekoppelten akustischen Signale aufgenommen und aus diesen Signalen die Zustandsdaten des Stellorgans abgeleitet. Dazu ist nach einem apparativen Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass in der Druckmittelzuführung des Stellantriebs ein akustischer Sensor angeordnet ist, der elektrisch mit einer Auswertungseinrichtung verbunden ist.
Vorteilhafterweise können die rückgekoppelten akustischen Signale an jeder Stelle des Druckmittelsystems abgegriffen werden, so dass eine gut zugängliche Stelle für den Signalaufnehmer ausgewählt werden kann, auch wenn der Stellantrieb selbst eher unzugänglich ist.
Das verstärkte akustische Signal wird darüber hinaus über die Druckmittelzuleitungen an die Steuereinrichtung weitergeleitet, wobei es keines direkten Körperkontaktes zwischen der Steuereinrichtung und dem Ventilsystem bedarf. Vorteilhafterweise schirmen die Druckmittelleitungen das akustische Signal sogar noch gegen Umgebungsgeräusche ab.
In besonderer Ausprägung der Erfindung werden die rückgekoppelten akustischen Signale in der Steuereinrichtung aufgenommen. Vorteilhafterweise fallen dabei der Ort der Aufnahme des akustischen Signals und der Ort der Verarbeitung des akustischen Signals räumlich zusammen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zustandsdaten des Stellorgans aus dem Amplitudenspektrum der rückgekoppelten akustischen Signale abgeleitet werden. Dabei wird aus dem Auftreten charakteristischer Spektralbilder auf zugehörige Zustände des Stellorgans geschlossen.
Nach einem alternativen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zustandsdaten des Stellorgans aus den Pegeln der rückgekoppelten akustischen Signale abgeleitet werden. Dieses Merkmal geht von der Erkenntnis aus, dass bereits aus der Intensität des rückgekoppelten akustischen Signals auf den Zustand des Stellorgans geschlossen werden kann.
Nach einem weiteren alternativen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zustandsdaten des Stellorgans aus charakteristischen Mustern der rückgekoppelten akustischen Signale abgeleitet werden. Dabei wird von der Erkennnis ausgegangen, dass bestimmten Zuständen des Stellorgans jeweils charakteristische Geräuschmuster zuordenbar sind, deren Erkennung in dem rückgekoppelten akustischen Signal auf den jeweiligen Zustand deutet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die aufgenommenen akustischen Signale elektronisch an eine zentrale Einrichtung zur Analyse und Auswertung übertragen werden. Dabei sind vorteilhafterweise insbesondere für die komplexe Mustererkennung nötige Mittel und Resourcen zentralisiert an einem Ort für mehrere Aufnehmer vorhaltbar.
Nach einem alternativen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die aufgenommenen akustischen Signale in der Steuereinrichtung analysiert und ausgewertet werden. Vorteilhafterweise sind die Mittel zur Aufnahme und zur Verarbeitung der aufgenommenen akustischen Signale in unmittelbarer Nähe zueinander untergebracht. Dadurch werden Signalverfälschungen vermieden.
Schließlich ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, dass als akustischer Sensor ein Drucksensor verwendet wird. Vorteilhafterweise sind derartige Drucksensoren bereits in der Steuereinrichtung zur Überwachung des Steuerdrucks für den Stellantrieb vorhanden, so dass es keiner zusätzlichen Mittel bedarf.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der einzigen Figur ist eine fragmentarisch angedeutete Rohrleitung 1 einer nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ein Prozessventil 2 eingebaut. Das Prozessventil 2 weist in seinem Inneren einen mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörper 4 zur Steuerung der Menge durchtretenden Prozessmediums 5 auf. Der Schließkörper 4 wird von einem Stellantrieb 6 über eine Hubstange 7 linear betätigt. Der Stellantrieb 6 ist über ein Joch 8 mit dem Prozessventil 2 verbunden. An dem Joch 8 ist ein Stellungsregler 9 angebracht. Über einen Positionsaufnehmer 10 wird der Hub der Hubstange 7 in den Stellungsregler 9 gemeldet. Der erfasste Hub wird mit dem über eine Kommunikationsschnittstelle 11 zugeführten Sollwert in einer Regeleinheit 18 verglichen und der Stellantrieb 6 in Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert. Die Regeleinheit 18 des Stellungsreglers 9 weist einen I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung in einen adäquaten Steuerdruck auf. Der I/P-Umsetzer der Regeleinheit 18 ist über eine Druckmittelzuführung 19 mit dem Stellantrieb 6 verbunden.
In der Druckmittelzuführung 19 des Stellantriebs 6 ist ein akustischer Sensor 12 angeordnet. Das akustische Messignal 13 des Sensors 12 wird von einer Signalerfassungseinrichtung 15 empfangen und in einer nachgeordneten Signalverarbeitungseinrichtung 16 bewertet. Der Signalverarbeitungseinrichtung 16 ist eine Speichereinrichtung 17 zugeordnet. Darüber hinaus ist die Signalverarbeitungseinrichtung 16 zur Meldung des Diagnoseergebnisses an eine nicht dargestellte übergeordnete Einrichtung mit der Kommunikationsschnittstelle 11 verbunden.
Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs wird das Prozessventil 2 in Abhängigkeit von seinem Betriebszustand zum Schwingen angeregt. Die Anregungen können wie eingangs erwähnt verschiedene Ursachen haben und führen zu Schallerscheinungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen. So sind Schallsignale im Bereich einiger Kilohertz ein Indiz für eine Leckage währen niederfrequente Schallsignale ein Hinweis auf Vibrationen des Prozessventil 2 sind.
Diese Schallsignale breiten sich im Prozessventil 2 aus und werden über die unmittelbar mit dem Prozessventil 2 verbundenen Elemente in das Druckmittelsystem 19 des Stellantriebs 6 rückgekoppelt. Die akustischen Signale werden dabei vor allem über die Ventilstange 7 auf die Membran im Stellantrieb 6 und in das Gehäuse des Stellantriebes 6 übertragen, welche diese Signale wie eine grosse Lautsprechermembran verstärken und an das Druckmittel weitergegeben. Insbesondere innerhalb des Stellantriebes 6 findet hierbei eine grosse Verstärkung des akustischen Signals in das Druckmittel der Antriebskammer statt.
Dabei breiten sich die Schallsignale auch in die Druckmittelzuführung 19 zwischen dem I/P-Umsetzer der Regeleinheit 18 und dem Stellantrieb 6 aus. Hier werden die Schallsignale von dem akustischer Sensor 12 aufgenommen. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung eines Drucksensors als akustischer Sensor 12. Ein derartiger Drucksensor ist Bestandteil des I/P-Umsetzers der Regeleinheit 18 und dient zur Regelung des Steuerdrucks für den Stellantrieb 6. Damit sind zusätzliche akustische Sensoren 12 verzichtbar. Die Leckageerkennung ist damit als reine Softwarelösung im Stellungsreglers 9 implementierbar.
Zusätzlich zur Leckageerkennung ist es mit der oben beschrieben akustischen Messung der Schallsignale auch möglich, weitere Geräusche auszuwerten und zu analysieren, als die oben genutzten Strömungsgeräusche. Hierzu gehören insbesondere aber nicht abschließend Vibrationen des Ventils oder andere Fehlerquellen, welche ein Techniker heute vor Ort durch Hören identifizieren würde. Dabei kann vorgesehen sein, die Verarbeitung dieser zusätzlichen Geräusche durch eine entsprechende akustische Auswertung im Gerät vorzunehmen oder durch die Weitergabe der Geräusche an eine zentrale Einrichtung, wo sie von einem Techniker analysiert werden können, ohne dass er sich vor Ort zum Ventil begeben muss. Immer dann, wenn beispielsweise am Ventil ein starkes ungewöhnliches Geräusch entsteht, kann dieses in Form einer Geräuschdatei zur Diagnose an die zentrale Einrichtung übertragen werden. In der zentralen Einrichtung kann sowohl eine manuelle als auch eine maschinelle Analyse der empfangenen Geräuschdatei vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Rohrleitung
2: Prozessventil
3: Ventilsitz
4: Schließkörper
5: Prozessmedium
6: Stellantrieb
7: Ventilstange
8: Joch
9: Stellungsregler
10: Positionsaufnehmer
11: Kommunikationsschnittstelle
12: Akustischer Sensor
13: Akustisches Messsignal
14: Diagnoseeinheit
15: Signalerfassungseinrichtung
16: Signalverarbeitungseinrichtung
17: Speichereinrichtung
18: Regeleinheit
19: Druckmittelzuführung

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Stellorgans, das durch einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb unter der Kontrolle einer Steuereinrichtung betätigt wird und das während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs akustische Signale abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass in das Druckmittelsystem (19) des Stellantriebs (6) rückgekoppelte akustische Signale aufgenommen werden, aus denen die Zustandsdaten des Stellorgans (2) abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsdaten des Stellorgans (2) aus dem Amplitudenspektrum der rückgekoppelten akustischen Signale abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsdaten des Stellorgans (2) aus den Pegeln der rückgekoppelten akustischen Signale abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsdaten des Stellorgans (2) aus charakteristischen Mustern der rückgekoppelten akustischen Signale abgeleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommenen akustischen Signale elektronisch an eine zentrale Einrichtung zur Analyse und Auswertung übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommenen akustischen Signale in der Steuereinrichtung analysiert und ausgewertet werden.
Anordnung zur Diagnose eines Stellorgans, das durch einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb unter der Kontrolle einer Steuereinrichtung betätigt wird und das während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs akustische Signale abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckmittelzuführung (19) des Stellantriebs (6) ein akustischer Sensor (12) angeordnet ist, der elektrisch mit einer Auswertungseinrichtung verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung durch die Steuereinrichtung des Stellantriebs (6) gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung durch eine entfernte zentrale Einrichtung gebildet ist.
Verfahren zur Diagnose eines Stellorgans, das durch einen druckmittelbetriebenen Stellantrieb unter der Kontrolle einer Steuereinrichtung betätigt wird und das während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs akustische Signale abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor als akustischer Sensor (12) verwendet wird.