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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur drucksensorischen
Diagnose des Betriebszustandes einer Ventilanordnung, insbesondere
eines pneumatischen Stellantriebs, zur Steuerung eines Prozessmediumflusses,
bei der ein innerhalb eines Ventilgehäuses axial bewegbar
angeordnetes Ventilglied per Steuerdruckbeaufschlagung bewegt wird, wobei
zur Ermittlung der Haftreibung der Steuerdruck in der Start- und/oder
Stoppphase des Ventilglieds gemessen wird. Weiterhin betrifft die
Erfindung auch eine Ventilanordnung, welches elektronische Mittel zu
Umsetzung eines solchen Verfahrens aufweist.
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Der
in dieser Offenbarung verwendete Begriff „Positionierreglung” steht
für ein mechatronisches System, das entsprechend einem
oder mehreren Eingangssignalen die Hilfsenergie eines pneumatischen
Stellantriebs steuert, um das Ventilglied in eine bestimmte Position
zu bringen. Zur Funktion benötigt die Positionierregelung
unter Druck stehendes Gas, meist Druckluft als Hilfsenergie sowie
auch elektrische Energie.
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Einem
allgemeinen Stand der Technik bekannter pneumatischer Stellungsregler
zur Betätigung eines Prozessventils weist mindestens die
im Folgenden näher bezeichneten Kernkomponenten auf. Mit
einem pneumatischen System werden in Abhängigkeit von ein
oder mehreren Eingangssignalen die Antriebskammern eines einfach-
oder doppeltwirkenden pneumatischen Stellantriebs gezielt be- oder entlüftet.
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Das
pneumatische System besteht überlicherweise aus Hilfsenergiezuleitung,
einem oder mehreren Pilotventilanordnung und Steuerdruckzuleitungen
zu den Antriebskammern zur Steuerung der Belüftung und/oder
Entlüftung der Antriebskammern. Mit Hilfe eines Positionssensors
als Stellungsrückmneldungssensor werden die Bewegungen
und Positionen des Ventilgliedes als ein oder mehrere Signale dargestellt.
Darüber hinaus ist eine Steuerelektronik vorhanden, die
einen Mikrocontroller aufweist und ein oder mehrere Eingangssignale
empfängt. Die Firmware in der Steuerelektronik verarbeitet
die Eingangssignale und die Signale des Positionssensors zu Ausgangssignalen,
welche als Eingangssignale des pneumatischen Stellantriebs dienen.
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Pneumatische
Stellantriebe der hier interessierenden Art werden in Schwenk- und
Hubantriebe unterschieden. Beim Hubabtrieb wird die lineare Bewegung
des Abtriebs des Stellantriebs unmittelbar auf ein linear betätigtes
Stellorgan übertragen. Demgegenüber wird beim
Schwenkantrieb die lineare Bewegung des Abtriebs des Stellantriebs
mit geeigneten Mitteln in eine Drehbewegung umgesetzt.
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Der
pneumatische Stellantrieb und die Positionierregelung werden mittels
eines Anbausatzes verbunden. Der Anbausatz umfasst Komponenten, welche
die Bewegung und Position des Stellantriebs zur Stellungsrückmeldungssensorik
an die Positionierregelung überträgt.
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Ein
Problem beim Einsatz von hier interessierenden Ventilanordnungen
ist, dass bei einem unvorhergesehenen Ausfall eines pneumatischen
Stellantriebs die gesamte Anlage bzw. Fahrzeug ausfallen kann. Um
dieses Problem zu beherrschen, war es bislang üblich, einen
vorsorglichen Austausch nach Ablauf einer geschätzten Standzeit
des Stellantriebs durchzuführen. Bei dieser Methode erfolgte
der Austausch jedoch oftmals bereits weit vor der tatsächlichen
Verschleißgrenze, da zwischen der geschätzten
Standzeit und der tatsächlichen Standzeit eine große
Streuung besteht.
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In
der
DE 102 22 890
A1 ist eine technische Lösung offenbart, welche
zu dieser Problematik vorschlägt, eine elektronische Verschleißzustandsüberwachung
durchzuführen. Es ist insoweit eine Elektronikeinheit vorgesehen,
welche eingangsseitig das von einer zentralen Steuereinheit vorgegebene
elektrische Ansteuersignal für ein pneumatisches Ventil und
einem auf einen hierdurch ausgelösten Ansteuerimpuls folgendes
elektrisches Reaktionssignal zugeht. Die Elektronikeinheit vergleicht
den zeitlichen Abstand zwischen dem Ansteuersignal und dem Reaktionssignal
der Schaltverzögerung als Maß des Verschleißzustandes
er Ventilmechanik. Das Reaktionssignal wird dabei über
einen arbeitsleitungsseitig im Ventilgehäuse integrierten
Drucksensor ermittelt. Diese Lösung basiert auf der Erkenntnis,
dass die Verlängerung der Schaltzeit eines Ventils über
dessen gesamte Betriebszeit im direkten Zusammenhang mit dem Verschleißzustand
steht. Somit ermöglicht diese bekannte Lösung über
eine rechtzeitige Erkennung unerwünscht langer Schaltzeiten
einen gezielten Austausch von pneumatischen Ventil oder deren Verschleißteile,
welche in absehbarer Zeit ausfallen würden. Hierdurch ist
eine gezielt präventive Wartung pneumatischer Anlagen möglich.
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Die
Verlängerung von Schaltzeiten basiert dabei insbesondere
auf eine Erhöhung der Gleitreibung des Ventilgliedes innerhalb
des Ventilgehäuses. Neben einer solchen Gleitreibung hat
jedoch auch die Haftreibung des Schaltgliedes Einfluss, welche beim
Start der Bewegung unmittelbar nach Steuerdruckbeaufschlagung aus
dem Stillstand heraus zu überwinden ist. Denn durch Korrosion
der bewegten Teile oder Wechsel von Dichtungen kann sich die Haft-
und Gleitreibung der Ventilmechanik erhöhen. Dies reduziert
im Sinne die Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilgliedes, was die
Ventilleistung reduziert. Der Anstieg der Haft- und Gleitreibung
kann sogar so hoch werden, dass eine Bewegung des Ventilgliedes
bei normaler Steuerdruckbeaufschlagung nicht mehr möglich
ist. Eine messtechnische Ermittlung der Haft- und Gleitreibungsänderungen
ist daher hilfreich, um rechtzeitig anhand des aktuellen Betriebs-
und Verschleißzustandes der Ventilmechanik präventive
Wartungsmaßnahmen in Betracht ziehen zu können.
Die Haft- und Gleitreibung einer Ventilmechanik basieren oftmals
auf ähnliche Erscheinungen und verhalten sich in ähnlicher
Weise. Jedoch kann sich die Haftreibung unabhängig von
der Gleitreibung ändern. Insbesonders eine sehr hohe Haftreibungskraft
im Vergleich zur Gleitreibungskraft wird die Steuerung eines Ventils
beeinträchtigen und kann zum Schaltversagen führen.
Die unabhängige messtechnische Erfassung der Haftreibung
und die Ermittlung von Haftreibungsänderungen sind daher
zur Betriebszustandsermittlung der Ventilmechanik sehr hilfreich.
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Aus
der
DE 102 09 545
A1 geht ein solches Verfahren zur Ermittlung der Haftreibung
eines Schaltgliedes von einem pneumatischen Ventil hervor, welche
während des Betriebes ermittelt werden kann. Hierbei wird
das pneumatische Ventil während des Starts der Bewegung
des Ventilgliedes überwacht, in dem der Steuerdruck vor
Beginn der Bewegung und nach dem Start der Bewegung ermittelt wird.
Die Differenz zwischen diesen beiden Druckwerten wird zur Beschreibung
der Haftreibungskraft herangezogen, welche während des
Starts des Ventilgliedes zu überwinden ist. Um durch Randeffekte verursachte
negative Einflüsse auf die Messung zu vermeiden, wird die
Startphase in Hubrichtung und Gegenhubrichtung des Schaltgliedes
aufgezeichnet. Und die Differenz zwischen den Drücken in
Hubrichtung und Gegenhubrichtung wird als Haftreibungsindikator
genutzt.
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Ein
Problem dieser Haftreibungsermittlung ist, dass für eine
korrekte Messung das Schaltglied nur durch den Druck und die Federkraft
und eventuelle äußere Kräfte in Stillstand
gehalten werden sollte. Jedoch kann das Schaltglied bereits in Stoppstellung
allein durch die Haftreibung verharren. Die Kräfte sind
gewöhnlich unterhalb der maximal möglichen Haftreibungskräfte,
jedoch beeinflussen diese die Messung. Zum Start der Bewegung des
Schaltgliedes wird allein die Differenz zwischen der tatsächlichen
Haftreibungskraft und der maximal möglichen Haftreibungskraft
benötigt als zusätzliche Kraft zur Überwindung
der Haftreibung. Der Differenzdruck, welcher während eines
Starts der Bewegung des Schaltgliedes beim Stand der Technik gemessen wird,
wird sich daher um die Haftreibungskraft während der Stoppphase
verringern, was zu einer verfälschten Ermittlung der Haftreibung
führt.
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Als
Möglichkeit zur Vermeidung dieses Einflusses wird beim
zitierten Stand der Technik vorgeschlagen, die Hub- und Gegenhubbewegung
des Ventilgliedes zu kombinieren. Dies ist allerdings nur außerhalb
des normalen Betriebs des pneumatischen Ventils machbar. Für
eine Betriebszustandsüberwachung während des Betriebes
ist dies eine solche Maßnahme ausgeschlossen, weil die
Bewegung des Schaltgliedes durch äußere Signale
bestimmt wird und eine Kombination einer Hubbewegung mit direkt
darauf folgender Rückhubbewegung sehr selten vorkommt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur drucksensorischen
Betriebszustandsermittlung einer Ventilmechanik eines pneumatischen
Stellantriebs dahingehend weiter zu verbessern, dass eine korrekte
Ermittlung der Haftreibung des Ventilgliedes als Betriebszustandsindikator sichergestellt
wird.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden
Merkmalen gelöst. Hinsichtlich eines dieses Verfahren ausführenden
pneumatischen Ventils wird auf Anspruch 7 verwiesen. Die jeweils
rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der zum
Start der Bewegung des Ventilgliedes benötigte Druckanstiegswert Δp
des Steuerdrucks nach erfolgtem Stopp der Bewegung des Ventilgliedes
mehrfach nacheinander gemessen wird, wonach die gemessenen Druckanstiegswerte
in einer Speichereinheit zwischengespeichert werden, worauf von
einer Diagnoseeinheit zugegriffen wird, um durch statische Analyse
den wahrscheinlichen Einfluss der Haftreibung auf die Bewegung des
Ventilgliedes zu ermitteln.
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Da
der Einfluss der Haftreibung während der Bewegung des Ventilgliedes
ein mehr zufälliges Ereignis ist, kann dieser durch statische,
mathematische Analysen ermittelt und eliminiert werden. Diese statische
Analyse hat den Vorteil, dass rauschbedingte Messfehler wirkungsvoll
reduziert werden können und gleichzeitig negative Einflüsse
von Haftreibungskräften, welche bereits während
der Stoppphase verursacht worden, eliminiert werden können.
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Vorzugsweise
wird vorgeschlagen, dass nur die Maximalwerte mehrerer gemessener
Druckanstiegswerte Δp des Steuerdrucks zur statischen Analyse
zwischengespeichert werden, um diese als Haftreibungsidikator herzunehmen.
Das beruht auf der Erkenntnis, dass die Haftreibungskraft während
der Stoppphase des Ventilgliedes die gemessene Haftreibungskräfte
reduzieren werden.
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Zusätzlich
oder alternativ hierzu wird zur Verbesserung des Messergebnisses
vorgeschlagen, das ein Druckanstiegswert Δp des Steuerdrucks
in Hubrichtung mit positiven Vorzeichen belegt wird, wogegen ein
Druckanstiegswert Δp des Steuerdrucks in Gegenhubrichtung
mit negativem Vorzeichen belegt wird. Hieraus wird der Maximalwert
sowie der Minimalwert ermittelt, deren Differenz zueinander als
Indikator für die Haftreibung dient.
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Ein
geringfügiger Nachteil der vorstehend beschriebenen Methode
ist, dass der Maximalwert und der Minimalwert sehr empfindlich gegenüber
anderen statischen Einflüssen, wie elektrischem Rauschen
sind. Rauschen im Signal wird höhere Messwerte für
die Haftreibung ergeben. In dieser Hinsicht wird gemäß einer
weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgeschlagen,
dass die Streuung der mehrfach nacheinander gemessenen Druckanstiegswerte Δpn
ermittelt wird, um die Qualität des Messzyklus zur Messwertkorrektur
zu ermitteln.
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Zusätzlich
kann auch zu jedem gemessenen Druckanstiegswert Δp die
zugeordnete Hubrichtung des Ventilgliedes datensatzmäßig
erfasst und zwischengespeichert werden, um die vorstehend beschriebene
nachfolgende Ermittlung des Maximalwerts sowie Minimalwerts durchführen
zu können. Dies erleichtert die entsprechende Zuordnung
zur Hubbewegung sowie Gegenhubbewegung des Ventilgliedes. Für
jeden Datensatz sollte der Durchschnitt gebildet werden und die
Differenz zwischen den Durchschnitten zur Ermittlung der Haftreibung
hergenommen werden.
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Gemäß einer
anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
dass die Verteilung der gemessenen Druckanstiegswerte Δpn in
einem Histogramm optisch dargestellt wird. Über das Histogramm
können die Minimalwerte und Maximalwerte, die Durchschnittswerte
genauso wie die Streuung ermittelt werden. Falls die Messdaten hinsichtlich
Durchschnitt und Streuwerte ausgewertet werden, so erübrigt
es sich, die gemessenen Druckanstiegswerte in Originalform zwischenzuspeichern.
Dies bietet den Vorteil, dass nur noch ein reduzierter Datensatz
abzuspeichern ist. Durch diese Maßnahme braucht die mit
der Diagnoseeinheit zur statistischen Analyse in Verbindung stehende
Speichereinheit nur mit recht geringer Speicherkapazität ausgelegt
zu werden.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ventilanordnung mit elektronischen
Mitteln zur drucksensorischen Betriebszustandsermittlung einer Ventilmechanik,
und
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2 ein
Histogramm, welches die Verteilung gemessener Drücke veranschaulicht.
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Nach 1 ist
in einer fragmentarisch angedeuteten Rohrleitung 1 einer
nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ein Ventilgehäuse 2 eines
Prozessventils eingebaut. Dieses 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 pneumatischen
Stellantrieb 10 über eine Hubstange 7 linear
betätigt. Der pneumatische Stellantrieb 10 ist über
ein Joch 6 mit dem Ventilgehäuse 2 des
Prozessventils verbunden. An dem Joch 6 ist ein digitaler
Stellungsregler mit einer Positionierregelung 13 angebracht. Über
einen Positionssensor 12 wird der Hub der Hubstange 7 in
den Bereich des Stellungsreglers gemeldet. Der erfasste Hub wird
innerhalb der Positionierregelung 13 mit einem vorgegebenen
Sollwert verglichen und der pneumatische Stellantrieb 10 in
Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert.
Der pneumatische Stellantrieb 10 umfasst im Bereich der
Positionierregelung 13 eine Pilotventilanordnung zur Umsetzung
des elektrischen Regelsignals der ermittelten Regelabweichung in
einen adäquaten Steuerdruck. Der Steuerdruck wird über
eine Druckmittelzuführung 14 in eine Antriebskammer 11 des
pneumatische Stellantriebes 10 geleitet.
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Innerhalb
der Antriebskammer 11 ist ein (von außen nicht
sichtbarer) membranartiger Steuerkolben 15 integriert,
der die Hubstange 7 betätigt.
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Über
einen ebenfalls dem pneumatischen Stellantrieb 10 zugeordneten
Drucksensor 16 ist der Druck innerhalb der Antriebskammer 11 messbar. Der
Drucksensor 16 misst zur drucksensorischen Betriebszustandsermittlung
der Ventilmechanik den zum Start der Bewegung des Ventilgliedes 4 benötigten
Druckanstiegswert Δp des Steuerdrucks nach erfolgtem Stopp
der Bewegung des Ventilgliedes 4 mehrfach hintereinander.
Die so ermittelten Messwerte werden von einer Diagnoseeinheit 17 aufbereitet
und in einer nachgeschalteten Speichereinheit 18 hinterlegt.
Durch statistische Analyse der Diagnoseeinheit 17 unter
Rückgriff der in der Speichereinheit 18 hinterlegten
Messwerte wird der statistische wahrscheinlicher Einfluss der Haftreibung
auf die Bewegung des Ventilgliedes 4 festgestellt.
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Die 2 zeigt
als solches Histogramm der Verteilung gemessener Druckanstiegswerte Δp.
Die Druckanstiegswerte Δp sind dabei auf der waagerechten
Achse aufgetragen, wobei positive Werte die Hubrichtung des Schaltgliedes
kennzeichnen, wogegen negative Werte die Gegenhubrichtung des Schaltgliedes
kennzeichnen. Auf der senkrechten Achse ist die Häufigkeit
der auftretenden Messwerte aufgetragen.
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Die
Graph I hat sein Maximum bei ca. –1,2 bar Druckdifferenz,
woraus sich die Aussage ableiten lässt, dass sehr häufig
in Gegenhubrichtung ein solcher die Haftreibung kennzeichnender
maximaler Steuerdruck aufzubringen ist, um das Schaltglied in Bewegung
zu setzen.
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Der
Graph II hat dagegen sein Maximum bei etwa nur –0,4 bar
Druckdifferenz Δp, woraus sich die Aussage ableiten lässt,
dass nur eine sehr geringe Haftreibung am häufigsten zu überwinden
ist beim Schalten des Ventils. Dasselbe gilt auch für die
Hubrichtung des Ventils, wo die Druckdifferenz bei ebenfalls sehr
geringen etwa 0,2 bar am häufigsten ist.
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- 1
- Rohrleitung
- 2
- Ventilgehäuse
- 3
- Ventilsitz
- 4
- Schließkörper
- 5
- Prozessmedium
- 6
- Joch
- 7
- Hubstange
- 10
- Stellantrieb
- 11
- Antriebskammer
- 12
- Positionssensor
- 13
- Positionierregelung
- 14
- Druckmittelzuführung
(von Pilotventil)
- 15
- Steuerkolben
- 16
- Drucksensor
- 17
- Diagnoseeinheit
- 18
- Speichereinheit
- Δp
- Druckanstiegswert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10222890
A1 [0008]
- - DE 10209545 A1 [0010]