DE19615176A1 - Verfahren zur Überwachung und zum Betrieb von insbesondere motorgetriebenen Armaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und zum Betrieb von insbesondere motorgetriebenen Arma­ turen, wobei mit dem Überwachungsverfahren eine Diagno­ se zur vorbeugenden Instandhaltung und Schadensverhü­ tung zur betriebssicheren Arbeitsweise der von den Armaturen abhängenden Anlagen ermöglicht wird.

Im Betriebsverhalten von motorgetriebenen Armaturen beispielsweise von Schiebern treten Veränderungen in den Reibbeiwerten der Spindel, der Spindelmutter, der Stopfbuchse und der Abdichtfläche beispielsweise bei Keilplatten, bedingt durch Materialbeanspruchung bzw. Abnutzung und Schmierung auf. Die Veränderungen können zu einem Armaturenversagen, wie beispielsweise dem Festsitzen der Spindel oder der Keilplatte bei Platten­ schiebern, führen und sind auch von den sich laufend verändernden Umgebungs- bzw. Betriebsbedingungen wie z. B. der Umgebungstemperatur etc. abhängig.

Für sicherheitsrelevante Armaturen, wie in Kernkraft­ werken oder Chemieanlagen, ist die störungsfreie Be­ triebsweise Voraussetzung für die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Anlagenkomponenten, und zwar auch bezüglich der Genauigkeit bzw. Ungenauigkeit der Stell­ werte, wie bei Regel- oder Steuerbewegungen der Armatu­ ren. Die Prüfung und Diagnose solcher motorgetriebener Armaturen stellt damit eine wichtige Maßnahme zur Ge­ währleistung der Betriebssicherheit dar.

Überlicherweise werden derartige Armaturen allenfalls für die Instandhaltung - abgesehen von regelmäßigen Wartungsmaßnahmen wie Schmierung und Reinigung - von Zeit zu Zeit ausgebaut bzw. ausgetauscht und in dem aus der Anlage entnommenen Zustand durchgeprüft und - falls notwendig repariert oder bei bereits eingetretener Störung ersetzt. Bei Störungen des Funktionszustandes einer Armatur tritt ein Ausfall der gesamten Anlage, in der die Armatur eingebaut ist, ein, der zur Umsteuerung der Anlage zwingt und sogar Gefahren heraufbeschwören kann.

Die Prüfung der motorgetriebenen Armaturen erfolgt dabei im allgemeinen im ausgebauten Zustand mit Hilfe der Messung und Beurteilung der Motorwirkleistung ohne Berücksichtigung der Betriebsbedingungen. Auf dem Prüf­ stand erfolgt eine Kalibrierung der Motorwirkleistung bei Messung des Drehmomentes für den separaten gebrem­ sten Stellantrieb allein für die Endlage. Eine Aussage über Zustandsveränderungen des Systems Stellan­ trieb/Armatur wie Veränderungen in den Reibbeiwerten kann zwar mit Hilfe der Überwachung des erforderlichen Drehmomentes bzw. der Spindelkraft für die Fahrt der Armatur in Auf- und Zu-Richtung getroffen werden. Die Überwachung des Drehmomentes erfordert aber einen hohen Meßaufwand, ist nicht in jedem Fall für Armaturen im eingebauten Zustand möglich, sowie im allgemeinen ohnehin nur als Verschiebewegsignal meßbar. Die Um­ rechnung des Drehmomentes aus dem Wirkleistungssignal ist nur für einzelne bestimmte Punkte möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu ver­ meiden und eine durchgehende Überwachung der Armaturen zu gewährleisten.

Dementsprechend erfolgt die eingangs genannte Überwa­ chung erfindungsgemäß dergestalt, daß die Armaturen, insbesondere unter besonderen Betriebsbedingungen wie z. B. in Kernkraftwerken in dem in der Anlage eingebau­ ten und funktionsbereit bleibenden Zustand geprüft werden, indem a) in einer Kalibriermessung die analy­ tische Abhängigkeit der Motorwirkleistung von dem erfor­ derlichen Drehmoment für die Armaturenspindel bzw. von der Spindelkraft mit Hilfe der Regressionsanalayse bestimmt wird, b) in Diagnosemessungen im eingebauten funktionseingebundenen Zustand der Armatur Diagnosepa­ rameter (Merkmale) mit Hilfe der Analyse der Motor­ wirkleistung und zusätzlicher Meßgrößen wie der Spin­ delkraft oder der Kraft am Gehäusedeckel sowie des abgeleiteten Drehmomentes auf der Basis statistischer Verfahren ermittelt und z. B. in einer Datenbank abge­ speichert werden. c) Änderungen der definierten Diagno­ separameter bezüglich des Arbeitsbereiches für die Auf- und Zu-Fahrtrichtung der Armatur getrennt in Zeit­ abständen gemessen werden, mit einer Referenzmessung verglichen und als Trend dargestellt werden und d) Änderungen in bestimmten Parameterzuordnungen (Merkmalsvektoren) für die Diagnose motorgetriebener Armaturen mit Hilfe von entwickelten Identifikations­ verfahren bewertet werden.

Damit erfolgt eine Separation der Veränderung in den armaturenspezifischen Arbeits-Reibbeiwerten z. B. für die Spindel, die Spindelmutter, die Stopfbuchse und die Abdichtfläche beispielsweise bei Keilplatten auf der Grundlage der Bewertung der ermittelten Merkmalsvekto­ ren.

Erfindungsgemäß wird dabei eine für die vorbeugende Instandhaltung bzw. Schadensverhütung relevante Infor­ mation zur Unterstützung erforderlicher Maßnahmen aus­ gegeben.

Für die Überwachung der Veränderungen im Drehmomenten­ verlauf kann erfindungsgemäß ein Kraftsignal gemessen an einer Befestigungsschraube am Gehäusedeckel zusätz­ lich zu der Motorwirkleistung herangezogen werden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren, der Überwachung und Diagnose motorgetriebener Armaturen, werden also arma­ turenspezifische Meßwerte sowohl für den Stellantrieb als auch für die Armaturen, wie der Motorstrom, die Motorspannung, die Motorwirkleistung, das Drehmoment, die Spindelkraft oder die Kraft am Gehäusedeckel, Be­ schleunigungs- und Temperatursignale digital erfaßt und zeitsynchron zunächst als Normalwerte ermittelt und gespeichert.

Das Signal der Motorwirkleistung ist von dem erforder­ lichen Drehmoment nichtlinear abhängig und damit für die automatische Zustandsüberwachung geeignet. Mit Hilfe einer Messung des Drehmomentes bzw. äquivalenter Größen, wie des Verschiebeweges der Getriebeschnecke oder der Spindelkraft oder der Kraft am Gehäusedeckel, wird das Wirkleistungssignal kalibriert und die ermit­ telte Abhängigkeit der Wirkleistung von dem erforderli­ chen Drehmoment in analytischer Form ermittelt. In den Diagnosemessungen kann damit eine Umrechnung des Wirkleistungssignals in das erforderliche Drehmoment für den kontinuierlichen Zeitverlauf erfolgen.

In der Diagnosemessung werden durch Anwendung statisti­ scher Verfahren der Signalanalyse armaturenspezifische Parameter zur Charakterisierung des Laufverhaltens der Armatur (Merkmale) automatisch bestimmt. Die Änderungen der Diagnoseparameter während des Betriebes der Armatur werden mit einer Referenzmessung verglichen und als Trend dargestellt. Auf der Basis von experimentellen Untersuchungen und modellgestützter Analysen können definierte Parameterverknüpfungen (Markmalsvektoren) bestimmten Ursachen für festgestellte Abweichungen vom normalen Betriebsverhalten der Armatur zugeordnet wer­ den. Dabei wird eine Separation der Veränderungen der Reibbeiwerte von Spindel, Spindelmutter, Stopfbuchse und Abdichtfläche durchgeführt. Die Auswertung der berechneten Parametermuster erfolgt on-line für die Armatur in eingebautem Zustand, mit Hilfe des Analyse­ moduls des digitalen Meßwerteerfassungssystems für die Armaturendiagnose.

Auf der Basis der Auswerteergebnisse werden für die vorbeugende Instandhaltung bzw. Schadensverhütung rele­ vante Informationen und Hinweise zur Unterstützung erforderlicher Maßnahmen für das Betriebspersonal auto­ matisch ausgegeben. Damit wird eine deutliche Verbes­ serung in der Diagnose des Betriebsverhaltens motorge­ triebener Armaturen erreicht.

Nachstehend sind das erfindungsgemäße Verfahren und näher erläuterte Darstellungen wiedergegeben.

Fig. 1 zeigt als Beispiel eine der angesprochenen Armaturen mit Hand- und Motorsteuerung sowie einen Stellantrieb in Schnittdarstellung.

Fig. 2 zeigt eine Gesamtdarstellung des Verfahrens zur Messung und Diagnose motorgetriebener Armaturen in Blockschaubildweise.

Fig. 3 zeigt eine Datenverlaufdarstellung der gemesse­ nen Motorwirkleistung sowie der entsprechenden Schal­ tersignale bei "Ventilfahrt auf" (Fig. 3a und 3b) und

Fig. 4 eine analoge Darstellung bei "Ventilfahrt zu" (Fig. 4a und Fig. 4b).

Fig. 5 zeigt als Beispiel die gemessene Wirkleistung und die zugehörigen Schaltersignale für ein gestörtes Laufverhalten einer Armatur bei "Ventilfahrt zu".

Fig. 6 zeigt die bei der automatischen Auswertung des Wirkleistungssignals separaten Bereiche im Zeitverlauf für die Bestimmung der Diagnoseparameter (Merkmals­ vektor) in schematischer Darstellung.

Das Schaubild Fig. 2 der Armaturen-Diagnose zeigt im Bereich Messung die einzelnen Meßgrößen des Stellan­ triebs wie die Endschaltersignale, den Motordrehstrom, die Motorspannung und die abgeleitete Größe Wirklei­ stung sowie die Sensorsignale der Armatur wie das Dreh­ moment, den Verschiebeweg, die Spindelkraft oder die Kraft am Gehäusedeckel, das Dehnmeßsignal, die Tempera­ tur und die Beschleunigung.

Im Bereich Erfassung sind die erforderlichen Meßumfor­ mer, wie Strom- und Spannungswandler, Differenz-, Brü­ cken- und Ladungsverstärker als Analogmodul und die Signalerfassung mit Hilfe von Verstärkern, Antialia­ sing-Filtern, Sample & Hold-Einheit und Analog-Digital-Konvertern, sowie die Ausgabe des Steuersignals für den Stellantrieb als Digitalmodul des Diagnosesystems dar­ gestellt.

Im Bereich Analyse ist die Auswertung mit Signaldar­ stellung, Signalanalyse, Berechnung der Diagnoseparame­ ter, Zustandsbewertung sowie Dokumentation und Daten­ bank mit Hilfe eines Diagnose-PC dargestellt.

In Fig. 3 schaltet der Wegendschalter den Motor ab wie unter Fig. 3a als Endschaltersignal "V AUF" wiedergege­ ben. Den zugehörige Wirkleistungsverlauf gibt Fig. 3b wieder.

Die Arbeitsweise "Ventilfahrt zu" ergibt sich aus Fig. 4a Endschaltersignale und Fig. 4b wobei der Drehmo­ mentschalter "D LIM" den Motor abschaltet.

In Darstellung Fig. 5 schaltet der Wegendschalter "V ZU" wie Fig. 5a Endschaltersignale und Fig. 5b Wirklei­ stungssignal den Stellantrieb ab.

Claims (3)

1. Verfahren zur Überwachung der betriebssicheren Ar­ beitsweise und zur vorbeugenden Instandhaltung bzw. Schadensverhütung von insbesondere motorgetriebenen Armaturen, dadurch gekennzeichnet, daß die motorgetriebenen Armaturen unter Verwendung von Armaturen-Meßdaten bzw. durch spezifische Meßwertauf­ nehmerermittlungssignale in funktionseingebundenem eingebautem Zustand überwacht werden, indem

• a) in einer Kalibriermessung die analytische Abhängig­ keit der Motorwirkleistung von dem erforderlichen Dreh­ moment für die Armaturenspindel bzw. von der Spindel­ kraft mit Hilfe der Regressionsanalyse bestimmt wird,
• b) in Diagnosemessungen im eingebauten funktionseinge­ bundenen Zustand der Armatur Diagnoseparameter (Merkmale) mit Hilfe der Analyse der Motorwirkleistung und zusätzlicher Meßgrößen wie der Spindelkraft oder der Kraft am Gehäusedeckel sowie des abgeleiteten Dreh­ momentes auf der Basis statistischer Verfahren ermit­ telt und z. B. in einer Datenbank abgespeichert werden,
• c) Änderungen der definierten Diagnoseparameter bezüg­ lich des Arbeitsbereichs für die Auf- und Zu-Fahrtrich­ tung der Armatur getrennt in Zeitabständen gemessen wird und mit einer Referenzmessung verglichen und als Trend dargestellt werden, und
• d) Änderungen in bestimmten Parameterzuordnungen (Merkmalsvektoren) für die Diagnose motorgetriebener Armaturen mit Hilfe von entwickelten Identifikations­ verfahren bewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem eine Separation von Veränderungen in den armaturenspezifischen Arbeits-Reibbeiwerten, z. B. für die Spindel, die Spindelmut­ ter, die Stopfbuchse und die Abdichtfläche auf der Grundlage der Bewertung der ermittelten Merkmalsvekto­ ren erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, bei dem eine für die vorbeugende Instandhaltung bzw. Schadensverhütung relevante Information zur Unter­ stützung erforderlicher Maßnahmen ausgegeben wird.