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Die
Erfindung betrifft ein Ventil mit Online-Erfassung von Ventildaten,
bei welchem Betriebsparameter und/oder Zustandsparameter erfaßt
und auf den technischen Funktionszustand des Ventiles geschlossen
wird, gemäß Oberbegriff von Schutzanspruch 1.
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Verfahren
zur Zustandsermittlung eines Ventiles aus Parametern, die in der
Regelung eines Ventiles oder der Ventilstellung oder bei Stellungsreglern elektropneumatischer
Art generell, den Zustand bezogen beispielsweise auf den Zustand
der Dichtungspackung an der Ventilstange zu ermitteln. Die Ventilstangendichtung
ist als eine sogenannte Stopfbuchsendichtung vorgesehen, die aus
einem Dichtungspaket besteht, welches die Ventilstange zwischen
druckmittelbeaufschlagtem Innenraum und dem Außenraum abdichtet.
Darüber hinausgehend sind an Prozeßventilen auch
mechanische Verbindungen dem Verschleiß unterworfen. Bei
langzeitigem Betrieb in bestimmten Stellungen können Ventile
daher mit der Zeit schwergängig werden oder sogar festfressen.
Von daher ist es vorteilhaft, eine frühzeitige Erkennung
dieses Fehlers zu erhalten und somit unvorhergesehene Anlagenausfälle
zu vermeiden. Aus der
DE
44 55 058 A1 ist ein Regelventil dieser Art angegeben.
Hierbei wird aus einer Mehrzahl von Parametern, nämlich
Anfahrzeit, Anhaltezeit und Auslaufstrecke auf die Reibung und den
Reibungszustand und damit den allgemeinen Betriebszustand der Ventildichtung
hin ausgewertet.
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Eine
Einrichtung sowie Verfahren dieser Art sind jedoch zur Online-Messung
unpraktikabel. In einer Ausgestaltung dieser bekannten Einrichtung
ist vorgesehen, daß solche Prüfverfahrensabläufe
zyklisch oder in einem sogenannten separaten Autokonfigurationslauf
aufgenommen werden. Nachteilig ist hierbei, daß solche
Prüfverfahrensabläufe grundsätzlich außerhalb
der Meßzeiten durchgeführt werden.
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Dadurch
ergibt sich, daß, wenn diese außerhalb der normalen
Betriebszeiten des Ventiles durchgeführt werden, die Testsignale
mit relativ großen Amplituden ausgesendet werden und der
gesamte Stellbereich des Ventiles durchfahren werden muß. Aus
diesem Grund sind diese Verfahren in den meisten Fällen
nicht in laufenden Prozessen, also online anwendbar.
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Ein
weiteres Verfahren hierzu ist aus der
DE 42 33 301 A1 bekannt. Auch hierbei ist
eine Eignung für Online-Erfassung nicht ohne weiteres gegeben, oder
aber die Ermittlung der Zustandsgrößen ist im wesentlichen
viel zu ungenau.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs
genannten Art auf die Online-Erfassung, also während des
normalen Betriebes zu legen, so daß während der
eigentlichen Betriebsphase keine Betriebsstillstandszeiten benötigt
werden, um den Testlauf zu generieren.
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Die
gestellte Aufgabe ist bei einem Ventil der gattungsgemäßen
Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Ein
weiteres Verfahren in Lösung der gestellten Aufgabe ist
erfindungsgemäß aus den Merkmalen des Patentanspruches
2 angegeben.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der
Kern der Erfindung darin, daß als Maß für
den Zustand des Ventiles der Antriebsdruck verwendet wird, derart,
daß der Antriebsdruckverlauf in einer Bewegungsrichtung
kontinuierlich gemessen wird, bis sich der Antrieb in Bewegung setzt
die durch die Bewegung verursachte Druckänderung detektiert,
der zugehörige Druckwert erfasst, und daß ein solcher
Testlauf online während des Betriebes durchgeführt
wird. Hierzu sind nunmehr bei einem doppelt wirkenden Arbeitszylinder,
wie er bei diesem Ventil zum Antrieb verwendet wird, in beiden Kammern oder
Zylinderräumen Drucksensoren angeordnet.
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In
einer weiteren Varinate wird gemäß dem Merkmal
des Anspruches 2 kein gesonderter Testlauf durchgeführt,
sondern der besagte Testlauf wird wie in Anspruch 1 durchgeführt,
jedoch indem der Antriebsdruckverlauf während einer Sollwertänderung zur
Ermittlung von Zustandsparametern des Ventiles berücksichtigt
wird.
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Im
erstgenannten Beispiel ergeben sich in Bewegungsrichtung „Öffnen",
im Gegensatz zur Bewegungsrichtung „Schließen"
inverse Druckverläufe, die gleichermaßen auswertbar
sind. Hierbei wird dem Ventil um einen entsprechenden Arbeitspunkt
herum abwechselnd in Auf- und Zurichtung ein Stellsignal oder eine
Sollwertsignaländerung ausgeprägt. Dabei werden
die entsprechenden Min- und Maxwerte des Antriebsdruckes detektiert,
gemessen und abgespeichert. Die Differenz eines Druckpaares zwischen
Minimum und Maximum multipliziert mit der jeweiligen Bezugsfläche
jeweils jeder Kolbenfläche eines beispielsweise doppelt
wirkenden Antriebes ergibt somit das Maß für die
Haftreibungskraft, wobei stationär gilt: f
Reibung = (Pmax × A1) – (Pmin × A2)
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Für
den Fall, daß A1 = A2 ist
ergibt sich im Endeffekt, daß die Reibungskraft ungefähr
proportional den Druckunterschied zwischen Pmax und
Pmin ist.
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Wesentlich
ist in einer Ausgestaltung der Erfindung, daß diese aufgeprägte
sozusagen Störschwingung um einen Arbeitspunkt gemacht
wird, wodurch sich der erhebliche Vorteil ergibt, daß kein gesonderter
Testlauf durchgeführt werden muß, sondern daß aufgrund
der Aufprägung einer sozusagen Diagnoseschwingung um den
Arbeitspunkt herum der eigentlich zu regelnde Gesamtprozeß,
in den das Ventil eingebunden ist, nicht gestört wird.
Daraus ergibt sich, daß die Kalibrierung oder die Testung
des Ventiles während des Betriebes, also online erfolgen kann.
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Gleiches
gilt für die zweite Variante, bei der keine aufgeprägten
Schwingungen um den Arbeitspunkt herum zur Diagnose dienen, sondern
daß Sollwertänderungen, gegebenenfalls mit starkem
Anstieg oder starker Abfall innerhalb des Gesamtregelprozesses mit
eingebaut werden, so daß auch hierbei eine Online-Messung
möglich und zur Testung der Prozeß nicht angehalten
werden muß.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird von den besagten Druckwerten
auf die Beweglichkeit des Ventiles und den Zustand der Dichtung
geschlossen. Andere Möglichkeiten bestehen jedoch, gegebenenfalls
verschleißende mechanische Hemmungen in den mechanischen
Kopplungselementen zu erkennen und über bestimmte Druckverläufe
identifizieren zu können.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, daß dem
Wartungspersonal somit qualifizierten Hinweise automatisch ausgegeben
werden, die entweder auf einen Verschleiß der Dichtung
oder aber auch auf andere Fehler mechanischer Art hinweisen. Die
Hinweise kommen dabei aufgrund dessen, daß keine zyklischen
Prozeßpausen mehr durchgeführt werden müssen,
sondern während des Prozesses online getestet werden kann,
daß kein Prüfzyklus in einer erzwungenen Pausenzeit
des Betriebes eingeschoben werden muß.
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Die
Wirkungsweise der Erfindung ist anhand der Zeichnung dargestellt.
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Die
Abbildung zeigt eine sogenannte Striebeck-Kurve, die den aus der
Literatur bekannten Stick-Slip-Effekt beschreibt. Diese stellt den
prinzipiellen Verlauf der Reibkraft dar, wenn die aufzuwendende
Kraft in Bewegungsrichtung gezählt wird. Dabei ist folgendes
zu erkennen: Wenn der Antrieb steht, beispielsweise für
eine Sekunde und anschließend eine Sollwertänderung
durchgeführt wird, steigt die Kraft (bzw. der Betrag des
Antriebsdrucks) in Bewegungsrichtung kontinuierlich an, bis sich
der Antrieb in Bewegung setzt. Dieser Druck fällt anschließend
bei anwachsender Geschwindigkeit rapide ab. Ab einem bestimmten
Minimaldruck steigt die Kurve dann wieder an. Zu höheren
Geschwindigkeiten hin steigt also auch wieder die Reibungskraftt
bzw. der aufzuwendende Druck. Die Reibungskraft, die in der Striebeck-Kurve
auch auf der Koordinate aufgezeichnet ist, ergibt sich dabei bei
relativ gleichen Kolbenflächen eines doppelt wirkenden
Antriebes aus der Striebeck-Kurve auf der Koordinate aufgezeichnet ist,
ergibt sich dabei bei relativ gleichen Kolbenflächen eines
doppelt wirkenden Antriebes aus der Differenz der Drücke
in den beiden Kammern des Antriebes. In einer ersten Ausgestaltung
wird dann das Ventil bzw. die Ventilstange gemäß dem
oben genannten Sollwertsignal in einem Arbeitspunkt abwechselnd
in Auf- und Zurichtung bewegt, wobei die entsprechenden Min- und
Maxwerte des Antriebsdruckes bzw. der Druckdifferenzen zwischen
den beiden Kammern detektiert, gemessen und abgespeichert werden.
Die Differenz eines Druckpaares multipliziert mit der jeweiligen
Bezugsfläche der Kolbenfläche – bei einem
doppelt wirkenden Antrieb sind das zwei Flächen – ergibt
somit ein Maß für die Haftreibungskraft, aus der
in der oben bereits offenbarten Weise dann die Reibkräfte
ermittelt werden.
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Die
Abbildung zeigt die oben bereits beschriebene Striebeck-Kurve, auf
der auf der Koordinate die Reibkraft und auf der Ordinate die Geschwindigkeit
aufgetragen ist. Der höchste Punkt links, quasi bei Geschwindigkeit
0, stellt die Überwindung der Haftreibungskräfte
dar. Bei einem entsprechenden Druck werden diese überwunden
und der Antrieb setzt sich in Bewegung, wobei zwei Effekte zum Tragen
kommen; zum einen löst die sehr viel niedrigere Gleitreibung
die Haftreibung sprunghaft ab und zum anderen wird durch die Bewegung
der Kolbenfläche das Druckmittelvolumen vergrößert,
wodurch in Summe dann der hier sich ergebende starke Druck und damit
Reibkraftabfall zu verstehen ist. An einem unteren Minimum bei einer
Mindestgeschwindigkeit findet dann die Umkehrung der Reibkraftkurve statt,
und diese steigt von da an proportional mit zunehmender Geschwindigkeit
wieder an.
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Der
interessante Bereich, nämlich zwischen Geschwindigkeit
0 und Mindestgeschwindigkeit ist der für die Auswertung
erfindungsgemäß verwendete Bereich. Die dort ermittelten
Reibkräfte sind signifikant für die Beweglichkeit
des Ventiles und den Zustand der Ventilstangendichtung. In erfindungsgemäßer
Weise werden diese Werte sodann für die Diagnose des Zustandes
der mechanischen Teile in diesem Bereich (Ventilstange, Packung
usw.) bewertet. An apparativer Ausrüstung benötigt
man lediglich eine Ventil- oder Stellungsregleranordnung der üblichen
Art und verwendet in dem Druckeingangssystem Drucksensoren, die
die besagten Druckverläufe messen. Die Drucksensoren können
auch im Bereich der aktiven Druckmittelräume oder der Zylinder
direkt angeordnet sein.
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Die
beschriebene Charakteristik trifft wesentlich für kleine,
einfach wirkende Antriebe zu. Bei großen Antrieben, zum
Beispiel auch mit pneumatischem Verstärker, müssen
die physikalisch exakten Verhältnisse berücksichtigt
werden. Da zwischen der Reibkraft und der Meßgröße
noch ein integral wirkender Prozeß geschaltet ist, nämlich
die Druckbildung im Volumen des Antriebes, wird der gemessene Antriebsdruck
einmal differenziert, um die Max- und Minwerte der Reibkraft dynamisch
richtig zu erfassen. Hierbei kann aber diagnostisch nicht nur auf
den Zustand der Ventilstangendichtung, sondern auch mechanischer Übertragungskomponenten
geschlossen werden, die mit der aus den Drücken oder Druckdifferenzen
ermittelten Reibkräfte in physikalischem Zusammenhang stehen.
Insoweit können auch Verschleißerscheinungen an
mechanischen Teilen oder an Gelenken und Umlenkungen oder dergleichen ebenso
ermittelt werden. Für bestimmte Reibkraftmuster können
Mustervergleichsverfahren herangezogen werden, die signifikant für
bestimmte auftretende Fehler sind.
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Insgesamt
müssen folgende Schritte durchgeführt werden:
- 1. Stellungsregler im Automatikbetrieb.
- 2. Überprüfung, ob das Ventil in Ruhe ist,
anhand von Stellung und Antriebsdruck.
- 3. Start des Auswerteverfahrens.
- 4. Messung des Antriebsdruckes und der Ventilstellung.
- 5. Sprungförmige Änderung des Sollwertes für
die Stellung des Ventiles, Sollwert > tote Zone des Reglers, damit eine Ventilbewegung
erzwungen wird.
- 6. Messung des Antriebsdruckes, Detektion des Druckes zum Zeitpunkt,
wenn das Ventil sich bewegt.
- 7. Speicherung des aktuellen Antriebsdruckes und des zugehörigen
Stellungswertes.
- 8. Wiederholung der Punkte 1 bis 7 für eine Sollwertänderung
in entgegengesetzter Richtung.
- 9. Berechnung der Druckdifferenz und der Reibkraft bei der gegebenen
Ventilstellung.
- 10. Abspeicherung der Werte in einem Diagramm.
- 11. Vergleich der Werte mit Referenzwerten, ggf Auslösung
eines Alarms.
- 12. Wiederholung der Punkte 1–10 bei anderen Stellungswerten
(z. B. betriebsbedingt) und Erzeugung eines stellungsabhängigen
Diagrammes.
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Die
zweite Variante besteht darin, daß für einen begrenzten
Anwendungsbereich sich eine nachfolgend vereinfachte Vorgehensweise
eignet. In diesem Falle wird der Istwert des Stellungsignales als Maß für
den Zeitpunkt der Druckspeicherung genommen. Es müssen
keine Sollwertänderungen eingeprägt werden. Die
Stellungsänderung durch prozeßbedingte Sollwertänderung
kann abgewartet werden. Der Istwert der Stellung und der Antriebsdruck
werden erfaßt. Falls der Stellungswert sich ändert,
wird der zugehörige Antriebsdruck in Abhängigkeit
von der Bewegungsrichtung abgespeichert. Die korrespondierenden
Druckwerte unterschiedlicher Bewegungsrichtungen werden wie oben
subtrahiert und ein Diagramm generiert.
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Die
Schritte sind dabei wie folgt:
- 1. Überprüfung,
ab der Antrieb steht.
- 2. Start des Auswerteverfahrens.
- 3. Messung des Antriebsdruckes und der Ventilstellung.
- 4. Detektion einer Änderung des Stellungs-Istwertes.
- 5. Speichern des zugehörigen Antriebsdruckes richtungsabhängig.
- 6. Berechnung des Differenzdruckes zweier unterschiedlicher
Bewegungsrichtungen und/oder Berechnung der Reibkraft.
- 7. Generation eines Druck/Weg-Diagrammes.
- 8. Bei Überschreitung zulässiger Schranken Alarm
an das Bedienpersonals
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Für
die Variante 1 ergibt sich für die Berechnung der Totzeit
folgendes.
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Der
Positionierer und damit die Wegmessung im Positionierer ist mechanisch
an die Ventilstange angekoppelt. Durch Verschleiß kann
eine Lose innerhalb der mechanischen Ankopplung entstehen. Folglich
wird das Weg-Messsignal insbesondere bei Richtungsumkehr verzögert.
Die dabei auftretende Totzeit reduziert die Stabilität
des Positions-Regelkreises, was zu Dauerschwingungen und Anlagenabschaltung
führen kann. Die Grundidee des Verfahrens besteht darin,
dass das Ventil durch Sollwertänderungen -wie oben beschrieben-
bewegt wird. Der tatsächliche Zeitpunkt, zu dem sich das Ventil
aus dem Ruhe zustand in Bewegung setzt, ist aus dem Antriebsdruck
bzw. dem Zeitverhalten der Reibkraft, wie oben beschrieben, detektierbar.
Zu diesem Zeitpunkt wird ein Zeitzähler gestartet. Dieser wird
gestoppt, wenn über das Weg-Messsignal eine Wegänderung
detektiert wird. Die gemessene Zeit ist dann die oben beschriebene
Totzeit. Ein Maß für die zulässige Totzeit
ist das Verhältnis gemessene Zeit/max. Stellzeit des Antriebs.
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Die
Schritte sind folgende:
- 1. Stellungsregler
in Automatik-Betrieb
- 2. Überprüfung, ob das Ventil in Ruhe ist
anhand von Stellung oder Antriebsdruck (z. B. für 1 s)
- 3. Start des Auswerteverfahrens
- 4. Messung des Antriebsdruckes und der Ventilstellung
- 5. Sprungförmige Änderung des Sollwertes für
die Stellung des Ventils
Sollwert > als tote Zone des Reglers, damit eine Ventilbewegung
erzwungen wird
- 6. Messung des Antriebsdruckes, Detektion des Zeitpunktes wenn
das Ventil sich bewegt
- 7. Start der Zeitmessung
- 8. Bei Änderung des Positionssignals → Stopp
der Zeitmessung und abspeichern
- 9. Wiederholung der Punkte 1–8 für mehrere
Sollwertänderungen
- 10. Bestimmung der Totzeit aus den Messungen
- 11. Bei Überschreiten zulässiger Schranken, Alarm
an das Bedienpersonal
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Für
Variante 2 ergibt sich für die Berechnung des Weges folgendes
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Falls
die Anzeige der toten Zone als Hub erforderlich ist, gibt es zwei
Möglichkeiten:
Falls die Stellzeiten des Ventils richtungsabhängig sind,
muss die Totzeit richtungsabhängig gespeichert werden.
Nach Ermittlung der Totzeit wird die tote Zone folgendermaßen
berechnet Ytote_Zone =
(Tt1/Ty1) × Y;wobei
- Tt1
- = gemessene Totzeit
(ggf. in Richtung "öffnen")
- Ty1
- = Stellzeit (ggf.
in Richtung "öffnen")
- Y
- = 100%-Hubbereich
des Ventils in mm
- Ytote_Zone
- = Tote Zone in mm
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Falls
ein Unterschied zwischen beiden Stellzeiten besteht, erfolgt die
Berechnung in Schließrichtung analog. Es muss jedoch nur
eine Richtung ausgewertet werden. Wichtig ist, dass immer die zueinander
korrespondierenden Zeiten verwendet werden.
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Läßt
man einen größeren Fehler zu, so kann natürlich
auf die Richtungsabhängigkeit verzichtet werden.
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Verbesserte Berechnung
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Bei
dem betreffenden Ventil werden im Neuzustand kleine Sollwertänderungen
um einen Arbeitspunkt (z. B. 50% oder dem voraussichtlich am häufigsten
verwendete Arbeitspunkt) durchgeführt wie oben beschrieben.
Die Zeit (t0), zu der sich das Ventil in
Bewegung setzt wird wie oben beschrieben erfasst. Ebenso wird die
Zeit (t63) gespeichert wenn der Istwert
der Position anschließend 63% der Sollwertänderung
(y63) erreicht hat. Anschließend
wird die Differenz der Zeitwerte gebildet Δt = t63 – t0.
Daraus wird ein Bewertungsfaktor berechnet und abgespeichert und
zur späteren Berechnung der toten Zone herangezogen. Die
tote Zone berechnet sich demzufolge: Ytote_Zone = (y63/Δt) × (Tt1) mit dem Bewertungsfaktor (y63/Δt).(Anmerkung:
statt y63, t63 könnten auch andere aus der Regelungstechnik
bakannte Zeitkennwerte genommen werden)
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Falls
das Ventil (Antrieb) richtungsabhängige Stellzeiten aufweist,
werden ebenfalls nur zueinander korrespondierende Zeiten (z. B.
in Richtung 'Öffnen') verwendet.
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Daraus
ergeben sich folgende Schritte:
- 1. Stellungsregler
in Automatik-Betrieb
- 2. Überprüfung, ob das Ventil in Ruhe ist
anhand von Stellung oder Antriebsdruck (z. B. für 1 s)
- 3. Start des Auswerteverfahrens
- 4. Messung des Antriebsdruckes und der Ventilstellung
- 5. Sprungförmige Änderung des Sollwertes für
die Stellung des Ventils;
Sollwert > als tote Zone des Reglers, damit eine Ventilbewegung
erzwungen wird
- 6. Messung des Antriebsdruckes, Detektion des Zeitpunktes wenn
das Ventil sich bewegt
- 7. Start der Zeitmessung
- 8. Bei Änderung des Positionssignals → Stopp
der Zeitmessung und abspeichern
- 9. Wiederholung der Punkte 1–8 für mehrere
Sollwertänderungen
- 10. Bestimmung der Totzeit aus den Messungen
- 11. Berechnung der toten Zone gemäss einem der Verfahren
1. oder 2.
- 12. Bei Überschreiten zulässiger Schranken, Alarm
an das Bedienpersonal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4455058
A1 [0002]
- - DE 4233301 A1 [0005]