DE19723650C2

DE19723650C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts

Info

Publication number: DE19723650C2
Application number: DE1997123650
Authority: DE
Inventors: Heinrich Hoffmann; Joerg Kiesbauer
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: DE19723650B9; US6267138B1; FR2764712B1; FR2764712A1; DE19723650A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler, wobei eine Umkehrbewegung einer Ventilspindel durch Stellgrößenänderungen, die wohldefiniert, reproduzierbar und gleichförmig sind, Informationen zur Überwachung des Zustands des Stellgeräts liefert, indem durch Messen sowie Verarbeiten von Ventilstellungen (h) und der Zeitpunkte (t), zu denen die Ventilstellungen eingenommen werden, während der Umkehrbewegung, ein Vergleich mit Sollwerten und eine Diagnose erfolgen kann. Ferner kann während Zeiten gleichförmiger Bewegung zusätzlich die Bewegungsgeschwindigkeit bzw., im Falle vorgegebener Ventilstellungen, die zugeordnete Laufzeit bestimmt werden. Außerdem können bei invertierter Bewegungsrichtung durch Wiederholen des Messens und Verarbeitens weitere Diagnosemöglichkeiten geliefert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung hierfür.

Die Überwachung von Stellgeräten zur Steuerung einer korrekten Funktionsfähigkeit ist im Interesse der Kostensenkung und Erhöhung der Sicherheit von steigender Bedeutung. So ist es, beispielsweise, zur Steigerung der Effizienz wünschenswert, den Stillstand von Prozeßan lagen durch Ausfall von Komponenten zu verhindern. Zu diesem Zweck ist ein rechtzeitiger Austausch, beispielsweise, von Verschleißkomponenten sehr wichtig, wobei jedoch ein zu früher Austausch zu unnötig hohen Wartungskosten und zeitlichen Ausfällen führt. Zur Opti mierung der Wartungs- und Reparaturmaßnahmen ist es deshalb notwendig, Überwachungs maßnahmen durchzuführen, die Informationen über den Zustand der Anlage insbesondere der tellgeräte und ihrer Komponenten geben.

Die möglichen Fehlerquellen können stark variieren und umfassen insbesondere folgende bekannte Defekte:

- falsch angezogene und verschlissene Dichtungen (z. B. Stopfbuchsenpac kungen);
- gebrochene Spindel;
- gebrochene Feder (im Membranantrieb);
- gerissene Membran (im Membranantrieb);
- niedriger Versorgungsdruck (bei elektropneumatischen Stellungsreglern); und/oder
- Verschmutzung des Luftfilters (bei elektropneumatischen Stellungsreglern).

Es sind bereits einige Vorschläge zur Überwachung von Stellgeräten bekannt. So offenbart die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegende EP 0 637 713 ein gattungsgemäßes Verfahren für ein Diagnose-System, das einen mit verschiedenen Sensoren verbundenen Prozessor eines intelligenten Stellungsreglers benutzt, um bei Abweichungen der gemessenen Werte von zuvor gemessenen Kennlinien ein Alarm signal auszugeben. Die Sensoren erfassen dabei Körperschallspektren und den Druck an einer Sicherheitsstopfbuchse, können aber auch den Durchfluß am Ventil, den Eingangsdruck und die Ventilstellung erfassen. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß zur Erfassung aller Ab hängigkeiten eine große Kennlinienschar zuvor aufgenommen sowie gespeichert werden muß, was zu einem großen Aufwand zwecks Bestimmung der Kennlinien führt.

In der EP 0 708 389 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Ventilstellung und die Stell größe gemessen und gespeichert werden. Die Daten werden dann an ein definiertes mathema tisches Modell angepaßt, und für jede Komponente wird mindestens ein kritischer Parameter gewählt, so daß eine fehlerhafte Komponente des Stellgeräts durch Anpassung ("Fit") der aktuellen Meßdaten an das mathematische Modell mit Hilfe des berechneten kritischen Para meters gefunden wird. Dieses Verfahren hängt jedoch nachteiligerweise in starkem Maße von dem gewählten mathematischen Modell und der geschickten Wahl der kritischen Parameter ab. Die formale Beschreibung des Modells und der kritischen Parameter erfordert zusätzlich eine geschickte Parameterwahl, um sowohl die Anpassung genügend schnell und mit realisierbarem Aufwand lösbar zu machen als auch die kritischen Parameter aussagekräftig und empfindlich gegenüber Störungen zu wählen. Prinzipiell ähnelt das Vorgehen der Vorgabe von Kennlinien mit einem Toleranzband für die korrekte Stellgerätfunktion. Der kritische Parameter definiert dabei die Toleranz, und die Berechnungen werden zu einem mathemati schen Variationsproblem bei der Anpassung. Die Lösbarkeit dieser Anpassung, insbesondere bei einer größeren Zahl an kritischen Parametern, wird je nach Art des Modells zu einem an spruchsvollen mathematischen Problem. Vor allem die prozeßnahe Realisierung, wie sie oft direkt am Stellgerät mit eigensicherer Elektronik erforderlich ist, wirft weitere Probleme auf, die das Verfahren in vielen Fällen nicht praktikabel werden läßt.

In der DE 42 33 301 ist ein Stellungsregler beschrieben, der das Erkennen einer Fehlfunktion von Stellungsregler oder Stellgerät ermöglicht. Dazu wird das Auftreten einer erheblichen Sollwertänderung detektiert und die benötigte Zeit zur Annäherung des Istwerts an einen ent sprechenden Sollwert überwacht, so daß der Vergleich des Istwerts mit dem Sollwert das Er kennen einer Fehlfunktion ermöglicht. Die Möglichkeit, mit einem derartigen Stellungsregler ebenfalls die Art des Fehlers zu bestimmen, ist allerdings nur schwer realisierbar. Auch ist die Zuverlässigkeit der Überwachung dadurch beschränkt, daß die Annäherung des Istwerts an den Sollwert relativ lange Zeiten benötigt und während dieser Zeiten vorhandene Sollwertän derungen oder Störungen das Ergebnis verfälschen oder gänzlich unbrauchbar werden lassen.

Ein anderes Verfahren zur Überwachung eines Stellgeräts mit einem elektropneumatischen Stellungsregler ist in der DE 44 19 548 beschrieben, bei dem dem Steuerdruck ein in der Am plitude veränderliches Testsignal überlagert und aus dem Zusammenhang zwischen diesem Testsignal und der Bewegung des zu regelnden Systems auf den Zustand des Stellgeräts ge schlossen wird. Dieses Verfahren ermöglicht durch Überlagerung des Testsignals zwar die Überwachung der Hysterese, die vor allem die Reibung an einer Kegelstange kennzeichnet, jedoch sollte die Ausgangsposition für die Durchführung dieses Verfahrens eine konstante Ventilstellung sein, um das Einsetzen einer Bewegung festzustellen. Das Verfahren ist des wegen nur aus einer Ruheposition und nicht aus einer Ventilbewegung heraus anwendbar.

Auch die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung P 196 43 297.9 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Stellgeräten, wobei die Zeitdifferenz zwischen dem Ansteuern einer Antriebsschalteinheit und dem möglichen Ansprechen eines der vorhergehenden Ruhestellung des Stellgeräts zugeordneten Positionssignalgebers kon trolliert und daraus auf den Zustand des Stellgeräts geschlossen wird. Ähnlich dem Verfahren gemäß der DE 44 19 548 ist die Ruhestellung des Stellgeräts jedoch eine Ausgangsbedingung, was den Anwendungsbereich nachteiligerweise einschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das gattungsgemäße Verfahren zur Überwa chung eines Stellgeräts derart weiterzuentwickeln, daß die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, d. h., daß insbesondere eine Überwachung aus einem Bewegungszustand des Stellgeräts heraus ausführbar ist, ohne den Einsatz zusätzlicher Sensorik, und der Zustand des Stellgeräts möglichst umfassend beschrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:

1. Ermitteln eines zweiten Zeitpunkts (t₂) und der dazugehörigen zweiten Ventil stellung (h₂) beim Ändern der Stellgröße in Übereinstimmung mit Schritt c1) zum Auslösen der ersten Richtungsumkehr;
2. Erfassen eines dritten Zeitpunkts (t₃), an dem die Spindel, aufgrund unver meidbarer Verzögerungen, nach der ersten Richtungsumkehr eine dritte Ventil stellung (h₂) erreicht, die im wesentlichen der zweiten Ventilstellung (h₂) ent spricht;
3. Ermitteln einer ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II), während der die Spindel bei der ersten Richtungsumkehr stillsteht und die kleinder oder gleich der Zeit spanne von dem zweiten Zeitpunkt (t₂) zu dem dritten Zeitpunkt (t₃) ist; und
4. Vergleichen der ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II) mit einem entsprechenden ersten Sollwert zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.

Dabei ist erfindungsgemäß bevorzugt, auch die folgenden Schritte durchzuführen:

a) Beibehalten der Bewegung der Spindel nach der ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II) und Bestimmen einer vierten Ventilstellung (h₄) zu einem vierten Zeitpunkt (t₄) sowie einer fünften Ventilstellung (h₅) zu einem fünften Zeitpunkt (t₅);
b) Berechnen einer ersten Geschwindigkeit der Bewegung aus dem vierten sowie dem fünften Zeitpunkt (t₄ und t₅) und der vierten sowie der fünften Ventilstel lung (h₄ und h₅); und
c) Vergleichen der ermittelten ersten Geschwindigkeit mit einem entsprechenden zweiten Sollwert zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das zusätzliche Durchführen der folgenden Schritte vorgesehen:

a) Erzeugen einer Kraft durch den Stellantrieb aufgrund von Stellgrößenänderun gen zum wohldefinierten, reproduzierbaren, stillstandsfreien und gleichförmi gen Bewegen der mit dem Ventilkörper des Ventils verbundenen Spindel in der zweiten Richtung, die der der Bewegung von dem ersten Zeitpunkt (t₁) bis zum Auslösen der ersten Richtungsumkehr entgegengesetzt ist;
b) Ändern der Stellgröße für den Stellantrieb am Ausgang des Stellungsreglers so, daß eine resultierende Kraft an der Spindel wirkt, welche die Bewegung der Spindel zum zweitenmal umkehrt, wobei die Stellgrößenänderungen ebenfalls wohldefiniert, reproduzierbar und gleichförmig sind, jedoch in der ersten Richtung wirken, und
c) Ermitteln eines siebten Zeitpunkts (t₇) und der dazugehörigen siebten Ventil stellung (h₂) beim Auslösen der zweiten Richtungsumkehr;
d) Erfassen eines achten Zeitpunkts (t₈), an dem die Spindel, aufgrund unver meidbarer Verzögerungen, nach der zweiten Richtungsumkehr eine achte Ven tilstellung (h₂) erreicht, die mit der siebten Ventilstellung (h₂) in einem zweiten festgelegten Zusammenhang steht;
e) Ermitteln einer zweiten Zeitspanne (von t_III nach t_IV), während der die Spindel bei der zweiten Richtungsumkehr stillsteht und die kleiner oder gleich der Zeit spanne von dem siebten Zeitpunkt (t₇) zu dem achten Zeitpunkt (t₈) ist; und
f) Vergleichen der zweiten Zeitspanne (von t_III nach t_IV) mit einem entsprechen den dritten Sollwert zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.

Dabei ist bevorzugt, daß ferner die folgenden Schritte durchgeführt werden:

a) Beibehalten der Bewegung der Spindel nach der zweiten Zeitspanne (von t_III nach t_IV) und Bestimmen einer Ventilstellung (h₂) zu einem folgenden Zeit punkt (t₈) sowie einer neunten Ventilstellung (h₉) zu einem neunten Zeitpunkt (t₉);
b) Berechnen einer zweiten Geschwindigkeit der Bewegung aus besagtem fol genden sowie dem neunten Zeitpunkt (t₈ und t₉) und den dazugehörigen Ventil stellungen (h₂ und h₉); und
c) Vergleichen der ermittelten zweiten Geschwindigkeit mit einem entsprechen den vierten Sollwert zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.

Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, daß die siebte Ventilstellung im wesentli chen mit der achten Ventilstellung zusammenfällt.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist weiterhin, daß die dem Auslösen der ersten Richtungsumkehr zugeordnete Ventilstellung der dem Auslösen der zweiten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung im wesentlichen entspricht, wobei die Bewegungsrichtung während der ersten Richtungsumkehr entgegengesetzt der während der zweiten Richtungsumkehr ist.

Auch schlägt die Erfindung vor, daß die Stellgrößenänderung bei der ersten und der zweiten Richtungsumkehr in Art und Betrag im wesentlichen gleich sind.

Es kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, daß der Anfangszeitpunkt und der Endzeit punkt der ersten Zeitspanne einen festgelegten zeitlichen Abstand zu dem zweiten Zeitpunkt bzw. dem dritten Zeitpunkt hat, und/oder zu dem Anfangszeitpunkt und dem Endzeitpunkt der ersten Zeitspanne ein festgelegter Positionsabstand der zugehörigen Ventilstellungen zu der dem Auslösen der ersten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung vorliegt. Ebenso kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß der Anfangszeitpunkt und der Endzeit punkt der zweiten Zeitspanne einen festgelegten zeitlichen Abstand zu dem siebten Zeitpunkt bzw. dem achten Zeitpunkt hat, und/oder zu dem Anfangszeitpunkt und dem Endzeitpunkt der zweiten Zeitspanne ein festgelegter Positionsabstand der zugehörigen Ventilstellungen zu der dem Auslösen der zweiten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung vorliegt.

Ferner schlägt die Erfindung vor, daß der Anfangszeitpunkt der ersten Zeitspanne im wesent lichen mit dem zweiten Zeitpunkt zusammenfällt, und/oder der Endzeitpunkt der ersten Zeit spanne im wesentlichen mit dem dritten Zeitpunkt zusammenfällt.

Ebenso wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Anfangszeitpunkt der zweiten Zeit spanne im wesentlichen mit dem siebten Zeitpunkt zusammenfällt, und/oder der Endzeit punkt der zweiten Zeitspanne im wesentlichen mit dem achten Zeitpunkt zusammenfällt.

Die Erfindung schlägt ferner vor, daß der Anfangszeitpunkt der ersten Geschwindigkeitsmes sung im wesentlichen dem dritten Zeitpunkt entspricht.

Vorteilhafterweise kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, daß der Anfangszeitpunkt der zweiten Geschwindigkeitsmessung im wesentlichen dem achten Zeitpunkt entspricht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner gekennzeichnet durch eine dritte und vierte Rich tungsumkehr, die zu Zeitpunkten zwischen der ersten und zweiten Richtungsumkehr ausge löst werden.

Dabei ist erfindungsgemäß bevorzugt, daß der Zeitpunkt des Auslösens der dritten Richtungs umkehr mit dem Endzeitpunkt des Messens der ersten Geschwindigkeit im wesentlichen zu sammenfällt.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren während des normalen Regelbetriebs des Stellgeräts durchgeführt wird, indem die Art der Bewegung der mit dem Ventilkörper verbundenen Spindel zeitlich überwacht, die Meßwerte für Ventil stellung und zugehörigen Zeitpunkt zumindest für kurze Zeiträume gespeichert und bei Auf treten einer Richtungsumkehr die Anwendbarkeit des Verfahrens geprüft und gegebenenfalls durchgeführt wird.

Eine andere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren durchgeführt wird, indem der normale Regelbetrieb des Stellgeräts kurzzeitig abgeschaltet wird und ein Testsignal die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Bewegungen der Spindel er zwingt.

Dabei kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, daß durch das Testsignal die erste und/oder zweite Richtungsumkehr zu dem Zeitpunkt erzwungen wird, an dem eine vorgege bene Ventilstellung erreicht wird.

Ferner schlägt die Erfindung vor, daß das Testsignal das Ventil nach Durchführen der Über wachung wieder in die Ventilstellung zu Beginn derselben bringt.

Ebenfalls vorgesehen ist, daß zur Kennzeichnung der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts eine Diagnose mit Hinweisen zu verschiedenen Komponenten des Stellgeräts erfolgt.

Ferner liefert die Erfindung eine Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts mit minde stens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler, wobei der Stellungsregler einen Aufnehmer zur Messung von Ventilstellungen und einen Mikroprozes sor umfaßt, der Mikroprozessor über einen Zeittakt verfügt und mit einer Speichereinheit so wie einer Ausgabeeinheit für Fehlerstatusmeldungen verbunden ist, und in der Speichereinheit ein Programm für ein erfindungsgemäßes Verfahren, Ventilstellungen, Zeiten, Zeitdifferenzen und entsprechende Sollwerte gespeichert sind.

Weiterhin ist vorgesehen, daß die Ausgabeeinheit bei Auftreten von Defekten einen Hinweis auf die Art des Fehlers darbietet.

Ferner kann vorgesehen sein, daß die Signalverbindungen über ein Feldbussystem realisiert sind, und daß die Analyse von Fehlerstatussignalen über das Feldbussystem von dem Stellge rät getrennt ist.

Die Erfindung schlägt auch vor, daß der Stellantrieb ein pneumatischer Antrieb ist, der zur Realisierung einer definierten gleichmäßigen Bewegung in eine Richtung von einem elek tropneumatischen Stellungsregler mit aufeinanderfolgenden Pneumatik-Pulsen gleicher Länge ansteuerbar ist.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregler ein elektropneumatischer Stellungsregler ist, der zwei Ventile umfaßt, von denen zur Realisie rung einer definierten gleichmäßigen Bewegung nur eines von beiden angesteuert ist, um entweder Zuluft- oder Abluft-Pulse zu erzeugen.

Schließlich kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, daß über den Stellungsregler gleichmäßige minimale Zuluft- oder Abluft-Pulse erzeugbar sind, die eine kontinuierliche Bewegung der Spindel bewirken.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß eine Umkehrbewe gung einer Ventilspindel durch Stellgrößenänderungen, die wohldefiniert, reproduzierbar und gleichförmig sind, Informationen zur Überwachung des Zustands des Stellgeräts liefert, in dem durch Messen sowie Verarbeiten von Ventilstellungen (h) und der Zeitpunkte (t), zu denen die Ventilstellungen ein genommen werden, während der Umkehrbewegung, ein Vergleich mit Sollwerten und eine Diagnose erfolgen kann. Ferner kann während Zeiten gleichförmiger Bewegung zusätzlich die Bewegungsgeschwin digkeit bzw., im Falle vorgegebener Ventilstellungen, die zu geordnete Laufzeit bestimmt werden. Außerdem können bei inver tierter Bewegungsrichtung durch Wiederholen des Messens und Verar beitens weitere Diagnosemöglichkeiten geliefert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele im einzel nen anhand von schematischen Zeichnungen beschrieben sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf der Ventilstellung bei der Durch führung eines bevorzugten Verfahrens nach der Erfindung;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Ventilstellung bei der Durch führung eines alternativen bevorzugten Verfahrens nach der Erfindung; und

Fig. 3 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist in einem Koordinatensystem mit der Zeit t als Ab zisse und der Ventilstellung h als Ordinate die Ventilstellung in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Der Ursprung des Koordi natensystems ist dabei willkürlich gewählt, und zu Beginn dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erste Ventilstellung h₁ zum Zeitpunkt t₁ ermittelt. Ein Ventil bewegt sich dabei mit kon stanter Geschwindigkeit stillstandsfrei bis zum Zeitpunkt t₂, an dem die Ventilstellung h₂ gemessen wird, die zusammen mit der Ven tilstellung h₁ die Bewegungsrichtung während des Anfangs des Ver fahrens definiert. Zum Zeitpunkt t₂ ändert dann ein Stellungsreg ler an seinem Ausgang die Stellgröße für einen Stellantrieb der art, daß eine resultierende Kraft an einer Spindel wirkt, welche die Bewegung der Spindel umkehrt. Aufgrund von Verzögerungen, die zum Erzeugen der Kraftänderungen am Antrieb und aufgrund von Träg heit entstehen, bewegt sich das Ventil in der urspünglichen Rich tung über die Ventilstellung h₂ hinaus, kommt dann zum Zeitpunkt t_I an der Ventilstellung h_I zum Stillstand und bewegt sich anschließ end, nämlich ab dem Zeitpunkt t_II, in die entgegengesetzte Rich tung. Dabei wird wiederum die Ventilstellung h₂ erreicht, und zwar zum Zeitpunkt t₃.

Das Auslösen der Richtungsumkehr zum Zeitpunkt t₂ geschieht, indem der Stellungsregler Stellgrößenänderungen von gleicher Art und gleichem Betrag wie während der Anfangsbewegung vor der Rich tungsumkehr erzeugt, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Die für die Richtungsumkehr benötigte Zeit ist dabei, beispielsweise, cha rakteristisch für die Reibung einer Stopfbuchse, aber auch ge brochene Antriebsfedern verändern diese Zeit. Die Richtungsumkehr führt zu einem Stillstand des Ventils, wie in Fig. 1 dargestellt, wobei die als endlich breites Plateau ausgeprägte Ventilstellung h_I während des Umkehrvorgangs genauer durch die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t_I und t_II als die zwischen den Zeit punkten t₂ und t₃ charakterisiert ist. Die Zeitpunkte t_I und t_II besitzen ferner einen fest eingestellten zeitlichen Abstand zu den Zeitpunkten t₂ und t₃ in diesem Ausführungsbeispiel. Die für die korrekte Funktionsweise zulässigen Sollwerte und deren tolerier baren Toleranzen für besagte Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t_I und t_II können in einem anfänglichen Initialisierungslauf be stimmt oder aus allgemeinen theoretischen oder empirischen Zusam menhängen ermittelt werden. Die aus der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t_I und t_II zum Vergleich mit einem Sollwert gebildete Größe kann dabei natürlich eine Funktion wie z. B. ein Integral über die Regelgröße sein. Je nach Richtung und Größe der Ab weichung vom jeweiligen Sollwert werden als Ergebnis des erfin dungsgemäßen Verfahrens ein oder mehrere Signale erzeugt, das bzw. die, beispielsweise, auf die korrekte Funktion, auf Federbruch im Antrieb, auf zu stark angezogene oder verschlissene Stopfbuchsen, auf eine ausgeschlagene Verbindung zwischen Stellantrieb und Ventil, auf ein blockiertes Ventil usw. hindeutet bzw. hindeuten.

Während der weiteren Bewegung kann durch Messung zweier Zeitpunkte t₄, t₅ bei Erreichen zweier weiterer Ventilstellungen h₄, h₅ ferner die Geschwindigkeit der Bewegung errechnet werden. Zu diesem Zweck muß bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung nur die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₄ und t₅ bestimmt werden, wenn die Ventilstellungen h₄ und h₅ vorgegeben sind. Durch Vergleich der berechneten Geschwindigkeit bzw. besagter Zeitspanne mit einem entsprechenden Sollwert lassen sich zusätzliche Informationen über den Zustand des Stellgeräts angeben.

Fig. 2 zeigt ähnlich der Fig. 1 ein Koordinatensystem in dem die Ventilstellung h in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist. Der eingezeichnete Verlauf zeigt in schematischer Weise die Ven tilstellung bei der Durchführung eines alternativen Verfahrens der Erfindung, das durch ein Testsignal erzwungen ist. Das Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfaßt den mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Verlauf und ist dadurch erweitert, daß eine zweite Richtungsumkehr, nämlich zu dem Zeitpunkt t₇, aus entgegen gesetzter Richtung wie zum Zeitpunkt t₂, erzwungen und ausgewertet wird, und zwar ebenfalls bei der Ventilstellung h₂. Um die Ventil stellung h₂ zweimal von unterschiedlichen Richtungen anfahren zu können, sind desweiteren mindestens zwei zusätzliche Richtungs wechsel zu den Zeitpunkten t₅ und t₆ mit den Ventilstellungen h₅ und h₆ notwendig.

Nach dem in Fig. 2 gezeigten, erfindungsgemäßen Verfahren wird am Anfang, d. h. zum Zeitpunkt t₁, die Ventilstellung h₁ ermittelt. Das Ventil bewegt sich stillstandsfrei und mit konstanter Geschwindig keit bis zum Zeitpunkt t₂, zu dem die Richtungsumkehr ausgelöst wird. Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ ist wieder ein Maß für die Funktionsfähigkeit des Stellgeräts, insbesondere wird die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t_I und t_II als Ver gleichswert zu einem die korrekte Funktion kennzeichnenden Soll wert herangezogen. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit wird direkt anschließend die Zeitspanne von t₃ nach t₅ verwendet, wobei die Ventilstellungen h₂ und h₅ vorgegeben sind und eine Quotientenbil dung dadurch vermeidbar ist. Die zu den Zeitpunkten t₅ und t₆ aus gelösten Richtungsänderungen werden nicht ausgewertet, sondern dienen nur zum Erreichen der Ventilstellung h₂ mit im Vergleich zum Zeitpunkt t₂ entgegengesetzter Bewegungsrichtung. Die Zeit spanne zwischen den Zeitpunkten t₇ und t₅ bzw. t_III und t_IV mit der Ventilstellung h_III dient ebenso wie die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ bzw. t_I und t_II der Zustandsbestimmung des Stellgeräts. Nach der Richtungsumkehr wird zur Bestimmung der Ge schwindigkeit in der invertierten Richtung die Zeitspanne zwischen Zeitpunkten t₈ und t₉ mit den Ventilstellungen h₂ und h₆ gemessen.

Die Umkehrzeiten und Laufzeiten können insbesondere bei pneuma tischen Stellantrieben unterschiedliche Sollwerte für verschiedene Richtungen aufweisen. Beispielsweise verändert ein erniedrigter Versorgungsdruck bei pneumatischen Stellgeräten in der Bewegungs richtung, für die eine Erhöhung des Stelldrucks notwendig ist, sowohl die Umkehrzeit als auch die Bewegungsgeschwindigkeit, wäh rend in der Bewegungsrichtung, für die eine Erniedrigung des Stelldrucks erfolgt, prinzipiell kein Einfluß vorhanden ist. An dererseits erzeugt eine veränderte Stopfbuchsreibung in beiden Richtungen unterschiedliche Umkehrzeiten aber nahezu unveränderte Geschwindigkeiten der Bewegung. Bei auffälligen Abweichungen von den Sollwerten kann somit besonders vorteilhaft aufgrund von ver schiedenen richtungsabhängigen Abweichungen auf Art und Ort eines Defekts geschlossen werden. Für diese Diagnosefunktion ist erfin dungsgemäß vorgesehen, die Auswirkungen typischer Fehler und da raus entstehende Kombinationen von Sollwertabweichungen in einer Speichereinheit in der Art eines überprüfenden Fehlermusters ab zulegen.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der soeben beschriebenen Verfahren zur Überwachung eines Stellge räts 16 mit mindestens einem nicht gezeigten Stellantrieb, einem nicht gezeigten Ventil und einem Stellungsregler 1. Die Vorrichtung verfügt dabei über einen Aufnehmer 18 zur Messung der Ventil stellung und einer Einheit 10, umfassend einen Mikroprozessor und eine Speichereinheit. Der Mikroprozessor 10 verarbeitet die ge messenen Zeiten und Ventilstellungen, führt Vergleiche mit in der Speichereinheit über einen Sollwerteingang 20 abgelegten Sollwer ten durch und ermittelt daraus ein Fehlerstatussignal, das über einen Fehlerstatussignalausgang 36 an eine Ausgabeeinheit 40 über tragen wird.

Eine vorteilhafte Vorrichtung nach der Erfindung besitzt einen elektropneumatischen Stellungsregler 1, der zur Erzeugung de finierter, reproduzierbarer Bewegungen minimale Zuluft- oder nach Invertierung der Bewegungsrichtung Abluft-Impulse erzeugt. Für elektropneumatische Stellungsregler 1, die zum Be- und Entlüften des Stellantriebs zwei getrennte Ventile 12 und 14 besitzen, be deutet dies eine kurzzeitige Ansteuerung des einen oder des an deren Ventils 12 bzw. 14 über einen Zuluftsignalausgang 32 bzw. einen Abluftsignalausgang 34. Das Ventil 12 schaltet dabei die Verbindung zum Zulufteingang 24 und das Ventil 14 schaltet ent sprechend den Abluftausgang 26.

In weiterhin günstiger Weise läßt sich die Vorrichtung gestalten, wenn die Signalverbindungen über ein nicht gezeigtes Feldbussystem realisiert sind und die Analyse des Fehlerstatussignals im Hin blick auf mögliche Fehlerursachen sowie deren Kombinationen über das Feldbussystem vom Stellgerät 16 getrennt ist und beispielswei se auf einem nicht gezeigten Computer in der Leitwarte erfolgt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl ein zeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1

Stellungsregler

10

Mikroprozessor und Speicherein heit

12

Ventil

14

Ventil

16

Stellgerät

18

Aufnehmer

20

Sollwerteingang

24

Zulufteingang

26

Abluftausgang

32

Zuluftsignalausgang

34

Abluftsignalausgang

36

Fehlerstatussignalausgang

40

Ausgabeeinheit
h₁

bis h₆

, h_I

, h_III

Ventilstellung
t₁

bis t₉

, t_I

bis t_IV

Zeitpunkt

Claims

1. Verfahren zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, ei nem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler, das folgende Schritte umfaßt:

a) Ermitteln einer ersten Ventilstellung (h₁) zu einem ersten Zeitpunkt (t₁);
b) Erzeugen einer Kraft durch den Stellantrieb aufgrund von Stellgrößenänderun gen zum wohldefinierten, reproduzierbaren, stillstandsfreien und gleichförmi gen Bewegen der mit dem Ventilkörper des Ventils verbundenen Spindel in ei ner ersten Richtung; und
c) Ändern der Stellgröße für den Stellantrieb am Ausgang des Stellungsreglers so, daß eine resultierende Kraft an der Spindel wirkt, welche die Bewegungsrich tung der Spindel zum erstenmal umkehrt, wobei die Stellgrößenänderungen ebenfalls wohldefiniert, reproduzierbar und gleichförmig sind, jedoch in entge gengesetzter zweiter Richtung wirken,

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

1. Ermitteln eines zweiten Zeitpunkts (t₂) und der dazugehörigen zweiten Ventil stellung (h₂) beim Ändern der Stellgröße in Übereinstimmung mit Schritt c1) zum Auslösen der ersten Richtungsumkehr;
2. Erfassen eines dritten Zeitpunkts (t₃), an dem die Spindel, aufgrund unver meidbarer Verzögerungen, nach der ersten Richtungsumkehr eine dritte Ventil stellung (h₂) erreicht, die im wesentlichen der zweiten Ventilstellung (h₂) ent spricht;
3. Ermitteln einer ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II), während der die Spindel bei der ersten Richtungsumkehr stillsteht und die kleiner oder gleich der Zeitspan ne von dem zweiten Zeitpunkt (t₂) zu dem dritten Zeitpunkt (t₃) ist; und
4. Vergleichen der ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II) mit einem entsprechenden ersten Sollwert zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die siebte Ventil stellung (h₂) im wesentlichen mit der achten Ventilstellung (h₂) zusammenfällt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Auslösen der ersten Richtungsumkehr zugeordnete Ventilstellung (h₂) der dem Auslösen der zweiten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung (h₂) im we sentlichen entspricht, wobei die Bewegungsrichtung während der ersten Richtungsum kehr entgegengesetzt der während der zweiten Richtungsumkehr ist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößenänderung bei der ersten und der zweiten Richtungsumkehr in Art und Betrag im wesentlichen gleich sind.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangszeitpunkt (t_I) und der Endzeitpunkt (t_II) der ersten Zeitspanne einen fest gelegten zeitlichen Abstand zu dem zweiten Zeitpunkt (t₂) bzw. dem dritten Zeitpunkt (t₃) hat, und/oder zu dem Anfangszeitpunkt (t_I) und dem Endzeitpunkt (t_II) der ersten Zeitspanne ein festgelegter Positionsabstand der zugehörigen Ventilstellungen (h_I) zu der dem Auslösen der ersten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung (h₂) vor liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der An fangszeitpunkt (t_III) und der Endzeitpunkt (t_IV) der zweiten Zeitspanne einen festge legten zeitlichen Abstand zu dem siebten Zeitpunkt (t₇) bzw. dem achten Zeitpunkt (t₈) hat, und/oder zu dem Anfangszeitpunkt (t_III) und dem Endzeitpunkt (t_IV) der zweiten Zeitspanne ein festgelegter Positionsabstand der zugehörigen Ventilstellungen (h_III) zu der dem Auslösen der zweiten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung (h₂) vorliegt.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangszeitpunkt (t_I) der ersten Zeitspanne im wesentlichen mit dem zweiten Zeitpunkt (t₂) zusammenfällt, und/oder der Endzeitpunkt (t_II) der ersten Zeitspanne im wesentlichen mit dem dritten Zeitpunkt (t₃) zusammenfällt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der An fangszeitpunkt (t_III) der zweiten Zeitspanne im wesentlichen mit dem siebten Zeit punkt (t₇) zusammenfällt, und/oder der Endzeitpunkt (t_IV) der zweiten Zeitspanne im wesentlichen mit dem achten Zeitpunkt (t₈) zusammenfällt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der An fangszeitpunkt der ersten Geschwindigkeitsmessung im wesentlichen dem dritten Zeitpunkt (t₃) entspricht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der An fangszeitpunkt (t₈) der zweiten Geschwindigkeitsmessung im wesentlichen dem achten Zeitpunkt (t₈) entspricht.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, gekennzeichnet durch eine dritte und vierte Richtungsumkehr, die zu Zeitpunkten (t₅ und t₆) zwischen der ersten und zwei ten Richtungsumkehr ausgelöst werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt (t₅) des Auslösens der dritten Richtungsumkehr mit dem Endzeitpunkt des Messens der ersten Geschwindigkeit im wesentlichen zusammenfällt.

16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren während des normalen Regelbetriebs des Stellgeräts durchgeführt wird, indem die Art der Bewegung der mit dem Ventilkörper verbundenen Spindel zeitlich überwacht, die Meßwerte für Ventilstellung und zugehörigen Zeitpunkt zumindest für kurze Zeiträume gespeichert und bei Auftreten einer Richtungsumkehr die Anwend barkeit des Verfahrens geprüft und gegebenenfalls durchgeführt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver fahren durchgeführt wird, indem der normale Regelbetrieb des Stellgeräts kurzzeitig abgeschaltet wird und ein Testsignal die zur Durchführung des Verfahrens notwendi gen Bewegungen der Spindel erzwingt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Testsignal die erste und/oder zweite Richtungsumkehr zu dem Zeitpunkt (t₂) bzw. (t₇) erzwungen wird, an dem eine vorgegebene Ventilstellung (h₂) erreicht wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Testsignal das Ventil nach Durchführen der Überwachung wieder in die Ventilstellung zu Beginn derselben bringt.

20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kennzeichnung der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts eine Diagnose mit Hinwei sen zu verschiedenen Komponenten des Stellgeräts erfolgt.

21. Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler, wobei der Stellungsregler (1) einen Aufnehmer (18) zur Messung von Ventilstellungen und einen Mikroprozessor (10) umfaßt, der Mikroprozessor (10) über einen Zeittakt verfügt und mit einer Spei chereinheit (10) sowie einer Ausgabeeinheit (40) für Fehlerstatusmeldungen verbun den ist, und in der Speichereinheit (10) ein Programm für ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, Ventilstellungen, Zeiten, Zeitdifferenzen und entspre chende Sollwerte gespeichert sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeeinheit (40) bei Auftreten von Defekten einen Hinweis auf die Art des Fehlers darbietet.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalver bindungen über ein Feldbussystem realisiert sind, und daß die Analyse von Fehlersta tussignalen über das Feldbussystem von dem Stellgerät getrennt ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb ein pneumatischer Antrieb ist, der zur Realisierung einer definierten gleichmäßigen Bewegung in eine Richtung von einem elektropneumatischen Stel lungsregler (1) mit aufeinanderfolgenden Pneumatik-Pulsen gleicher Länge ansteuer bar ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregler (1) ein elektropneumatischer Stellungsregler ist, der zwei Ventile (12, 14) umfaßt, von denen zur Realisierung einer definierten gleichmäßigen Bewegung nur eines von beiden angesteuert ist, um entweder Zuluft- oder Abluft-Pulse zu erzeu gen.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß über den Stellungsregler (1) gleichmäßige minimale Zuluft- oder Abluft-Pulse erzeugbar sind, die eine konti nuierliche Bewegung der Spindel bewirken.