DE2923627A1 - Vorrichtung zur autonomen prozessanalyse - Google Patents

Vorrichtung zur autonomen prozessanalyse

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Description

BAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen, Bayerwerk
Zentralbereich
Patente, Marken und Lizenzen
Compur-Electronie GmbH, 8000 München 70, Steinerstr. 15
Ki/eb
k ß. Juni ig73
Vorrichtung zur autonomen Prozeßanalyse
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Analyse von Meßstoffen, die insofern ein abgeschlossenes System darstellt, als auf jedes äußere Eingreifen verzichtet v/erden kann, solange dies nicht über Störungsmeldungen angefordert wird. Wenn Störungsmeldungen die ausgegebenen Meßwerte nicht in Frage stellen, können diese als zuverlässig betrachtet werden. Routinearbeiten (Kalibrieren, Kondensat-Ablässen bei einem Meßgaskühler, Durchblasen einer Entnahmesonde u. ä.) werden automatisch erledigt. Die Meßstoffe können in gasförmiger oder flüssiger Phase vorliegen.
Prozeßanalysen-Meßeinrichtungen bestehen aus einer Entnahmeeinrichtung, einer Aufbereitungskette und mindestens einem Analysengerät, wobei die einzelnen Teile je nach Aufgaben-
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stellung unterschiedlich ausgelegt sind. Beispielsweise sind bei Raumluftüberwachungen Entnahmeeinrichtung und Aufbereitungskette i. a. sehr einfach ausgelegt, während sie bei Emissionsmessungen in der Regel recht komplexe Gebilde sind. Allgemein sind das richtige Funktionieren von Entnahmeeinrichtung und Aufbereitungskette die Voraussetzung für das Funktionieren des Analysengerätes. - Bei Prozeßanalysen-Meßeinrichtungen kommt es auf eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Meßwerte an. Zur Erreichung einer ausreichenden Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit werden bisher i. a. tägliche Funktionskontrollen von Fachkräften durchgeführt; zur Einhaltung der Meßgenauigkeit werden die Analysengeräte regelmäßig kalibriert. Nachteilig ist bei diesem Verfahren der Präventivwartung neben dem damit verbundenen großen Aufwand, daß Störungen, die zwischen zwei Funktionskontrollen auftreten, unbemerkt bleiben können; dies gilt vor allem für solche Störungen, die sich nicht auf den Meßwert auswirken (beispielsweise zu geringer Meßgasdurchfluß wegen einer Verstopfung).
In der Vergangenheit wurden Vorschläge gemacht, mit Hilfe von Prozeßrechnern die Verfügbarkeit von Analysenmessungen bei gleichzeitiger Verminderung des Betriebsaufwändes herauf- · zusetzen (l, 2). Dabei sollte der Zustand von Statussensoren an einer Meßeinrichtung sowie der Meßwert zu einem zentralen Rechner übertragen werden, der den Meßwert auf seine Plausibilität prüft und die Funktion der Meßeinrichtung mit Hilfe der Statusmeldungen kontrolliert. Mit Hilfe fernübertragener Befehle sollte der Rechner in die Meßeinrichtung eingreifen und beispielsweise Kalibrierungen veranlassen können.
j50 Wegen des damit verbundenen Aufwandes (Rechner, Software, Fernwirksystem) ist dieses Konzept nur bei umfangreichen Meßnetzen sinnvoll. Darüber hinaus stellen sowohl der Rechner als auch
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das Fernwirksystem prinzipiell ein Risiko für die Verfügbarkeit der Meßwerte dar.
Aufgrund dieser Tatsache ist unseres Wissens dieses Konzept bisher nur bei Umweltschutzmeßnetzen verwirklicht worden.
Es existieren Analysengeräte, die mit Hilfe von Statusanzeigen Abweichungen vom Soll-Betriebszustand darstellen. Ferner existieren Hilfseinrichtungen, die Kalibrierungen nach einem festen Zeitprogramm oder von außen initiert durchführen. Dabei wird das Analysengerät mit Nullgas oder Empfindlichkeitsgas beaufschlagt. Bei bestimmten handelsüblichen Geräten werden die sich einstellenden Meßwerte gespeichert, und die folgenden Meßwerte werden aufgrund der gespeicherten Kalibrierwerte elektronisch korrigiert. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß der Meßwert in einer Korrekturschaltung umgesetzt wird; wenn diese ausfällt, steht der Meßwert nicht zur Verfügung. Zwar wird in diesen Abgleichautomaten eine Störungsmeldung erzeugt, wenn die Kalibrierwerte aus einem gewissen Bereich herausgedriftet sind, aber es sind Betriebszustände möglich, bei denen unrichtige Werte gespeichert werden, ohne daß dies erkennbar wird. Bei einem anderen Gerät, das in Verbindung mit IR-Analysatoren angeboten wird, werden Nullpunkt bzw. Empfindlichkeit am Analysengerät mit Hilfe von Motorpotentiometern nachgestellt. Zwar wird hierbei der Meßwert nicht korrigiert, aber fehlerhafte Nachstellvorgänge werden nicht durch Störungsmeldungen gekennzeichnet.
Die beschriebenen Vorrichtungen haben den Nachteil, daß nur Teile der Meßeinrichtung überwacht werden (Statusanzeigen an Analysengeräten) oder nur Teile der Routinearbeiten automatisiert werden (Abgleichautomaten), wobei bei letzteren die
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Verfügbarkeit durch Umsetzung des Meßwertes prinzipiell beeinträchtigt wird und/oder nicht ordnungsgemäße Kalibrierungen nicht außen kenntlich gemacht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verfügbarkeit von Prozeßanalysen-Meßeinrichtungen heraufzusetzen und den Instandhaltungsaufwand zu vermindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu einer Meßeinrichtung üblicher Art eine Überwachungseinheit hinzugefügt wird, die mit Hilfe von Statussensoren sowie aus den Meßwerten Informationen über die gesamte Meßeinrichtung erhält und über Magnetventile, Schalter und Motorpotentiometer in die Meßeinrichtung eingreift und Meldungen über den Zustand der Meßeinrichtung nach außen abgibt. Durch eine Reihe von Maßnahmen wird erreicht, daß die Verfügbarkeit der Meßwerte durch die Überwachungseinheit nicht beeinträchtigt wird:
Die Meßwerte werden über ein passives Bauelement geführt und nicht unmittelbar verändert, sondern nur mittelbar über motorisierte Nachstellpotentiometer der Analysengeräte. Durch geeignete Definitionen der Ausgänge der Überwachungseinheit wird erreicht, daß bei deren Ausfall die Meßeinrichtung ihren i.a. meßfähigen Grundzustand einnimmt und eine Störungsmeldung nach außen abgegeben wird. In einfacher Weise ist es durch Betätigung eines Schalters jederzeit möglich, die Meßeinrichtung in der bisher üblichen Weise und ohne Eingriffsmöglichkeiten der Überwachungseinheit zu betreiben.
Durch Kontrolle des Zustandes der Statussensoren und durch ständige Prüfung des Meßwertes auf seine Plausibilität wird die Meßeinrichtung überwacht. Bei Auftreten einer Störung werden Störungsmeldungen nach außen abgegeben, und
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wenn möglich wird so in die Meßeinrichtung eingegriffen, daß die Störung behoben oder mindestens teilweise kompensiert wird. Ersteres kann dadurch erreicht werden, daß ein Reservebaustein eingeschaltet wird. Nach einem festen Zeitprogramm werden Routine-Instandhaltungsmaßnahmen durchgeführt (z.B. Kalibrierungen), wobei Fehler, die dabei auftreten können, in Form von Störungsmeldungen gekennzeichnet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.· Gemäß Fig. 1 wird aus einer Betriebsleitung mit einer Sonde 1 (Entnahmeeinrichtung) Meßgas entnommen und durch einen Meßgaskühler 2 geleitet. Das anfallende Kondensat kann mit einem Ventil 3 abgelassen werden. Das Meßgas wird in einem Absorber 4a nachgetrocknet, wobei mit Hilfe eines Ventils 5 die Möglichkeit besteht, einen Reserveabsorber 4b einzuschalten. Eine Pumpe 6 fördert das Meßgas durch einen Strömungsmesser 7 und zwei Analysengeräte 8a, 8b, die mit einem Schutzgas gespült werden, dessen Durchfluß mit einem Strömungsmesser 9 kontrolliert wird. Meßgaskühler 2 und Absorber 4a und 4b bilden hier die Aufbereitungskette, die den Analysengeräten 8a und 8b und deren Meßwertanzeige 12 vorgeschaltet ist. Das erste Analysengerät 8a soll hier eine Thermostatisierung besitzen, das zweite 8b eine Statusanzeige 10. Mit Hilfe einer Ventilkombination 11 ist es möglich, statt Meßgas Prüfgase (Nulloder Empfindlichkeitsgas) durch die Analysengeräte zu leiten. Die Meßwerte der Analysengeräte werden auf einem Schreiber 12 angezeigt und registriert. Nullpunkt und Empfindlichkeit können mit Potentiometern IJa, 13 b nachgestellt werden.
Diese Meßeinrichtung ist mit den folgenden Statussensoren ausgestattet: Temperaturfühler für Meßgaskühler-Temperatur 14;, Sensoren 15a, 15b für Zustand der Absorber 15a, 15t>;
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Minimalkontakte l6, 17 an den Strömlingsmessern J, 9; Temperaturfühler l8 für Analysengerät-Thermostatisierung, Statusanzeige 10 des Analysengerätes 8b. Sämtliche Statussensoren sind an eine zentrale Überwachungseinheit U angeschlossen. Sie ist im Gegensatz zu den bekannten Geräten in einer Art Nebenschluß mit der Aufbereitungskette und den Analysengeräten gekoppelt. Dadurch wird erreicht, daß der Datenfluß von den Analysengeräten 8a, 8b zur Meßwertanzeige 12 nicht behindert wird. Außerdem läßt sich auf diese Weise die Überwachungseinheit von der Meßeinrichtung vorübergehend abkoppeln ohne die prinzipielle Funktion der Analysenmeßeinrichtung zu beeinträchtigen. Weitere Informationen erhält die Überwachungseinheit U unmittelbar aus den Meßwerten (Leitungen J>0, 51)·
Die Überwachungseinheit U kann sämtliche Ventile schalten, die Nachstellpotentiometer verstellen und die Spannungsversorgungen des Meßgaskühlers und der Thermostatisierung mit Relais 19, 20 abschalten. Der Zustand dieser Ausgaben wird an der Überwachungseinheit mit Leuchtdioden 21 angezeigt. Mit Schaltern 22 können die Ventile auch manuell angesteuert werden.
Mit insgesamt 7 intern einstellbaren Spannungen 2j5 wird erreicht, daß die Überwachungseinheit U an verschiedenartige Meßeinrichtungen angepaßt werden kann. Die Sollwerte für die Nullpunkts- und Empfindlichkeitsnachstellungen der Analysengeräte, die erlaubte Streubreite der Meßwerte und die untere Meßbereichsgrenze (für Plausibilitätskontrollen) können beliebig gewählt werden. Bei den Temperaturüberwachungen kann die obere Grenze des erlaubten Temperatur-
JO bereichs vorgegeben werden, wobei die Überwachungseinheit U über die Größe dieser Grenzwerte erfährt, ob ein Kühler oder eine Thermostatisierung kontrolliert werden soll. Entspre-
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chend können SpannungsVersorgungen abgeschaltet werden, je nachdem ob eine Unterkühlung oder Überhitzung festgestellt wird. In ähnlicher Weise wird über die Sollwerte für die Empfindlichkeitsnachstellungen eingegeben, wieviele Analysengerate zu überwachen und kalibrieren sind.
Störungen werden intern, nach Ursachen unterschieden, mit den Leuchtdioden 24 gemeldet. Externe Störungsmeldungen werden pauschal in zwei Stufen ("Warnung","Messung ausgefallen") in Form von potentialfreien Kontakten 25 ausgegeben. Zwei weitere extern benutzbare Meldungen 26 kennzeichnen den Betriebszustand der Meßeinrichtung: "Kalibrieren" wird gemeldet, wenn die Meßeinrichtung mit sich selbst beschäftigt ist und die Meßwerte nicht zur Verfügung stehen. "Wartung" wird gemeldet, wenn der Wartungsschalter 27 gedrückt ist; wenn das der Fall ist, läuft die Meßeinrichtung im Handbetrieb, d.h. die Überwachungseinheit ist von der übrigen Meßeinrichtung abgekoppelt. - Alle extern verwendbaren Meldungen werden intern mit Leuchtdioden 28 dargestellt.
In der Überwachungseinheit U ist als zentraler Baustein ein Mikroprozessor enthalten, der bei Betätigung des Schalters 29 an den Anfang des ihm eingegebenen Programms springt.
Die Funktion der Überwachungseinheit ist in Fig. 2 in Form eines Flußdiagramms dargestellt.
Nach Einschalten der Spannung oder Betätigung des Schalters 29 (Fig. 1) springt das System an den Startpunkt a und prüft danach b, ob der Wartungsschalter 27 (Fig. 1) gedrückt· ist. Wenn dies der Fall ist, verharrt das System in einer Wartungsschleife c, bei der die Überwachungseinheit abgekoppelt ist und die übrige Meßeinrichtung sich in ihrem Grundzustand befindet. Ist der Wartungsschalter nicht gedrückt,
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bleibt das System in Warteschleifen d bis die zu überwachenden Temperaturen im Sollbereich liegen. Im nächsten Abschnitt e wird geprüft, ob die Statusanzeige des Analysengerätes Fig. 1, 8b mindestens 15 see lang ununterbrochen störungsfreie Punktion signalisiert.
Es folgt der Abschnitt "Empfindlichkeiten nachstellen" f. Dabei werden die Analysengeräte mit Hilfe der Ventilkombination 11 nacheinander mit Empfindlichkeitsgas (Gas bekannter Konzentration) beströmt. Nach einer Spülzeit wird mit Hilfe des Strömungsmessers 7 und seines Minimalkontaktes 16 geprüft, ob Empfindlichkeitsgas durch die Analysengeräte strömt. Wenn nicht, werden Störungsmeldungen ausgegeben. Wenn ja, wird mit Hilfe eines Empfindlichkeits-Motorpotentiometers der Meßwert des nachzustellenden Analysengerätes schrittweise auf den vorgegebenen Sollwert gebracht. Sind mehr als J2 Schritte erforderlich oder muß die Nachstellrichtung mehr als zweimal geändert werden, wird die Nachstellung abgebrochen und Störungsmeldungen werden ausgegeben. Entsprechend werden im folgenden Abschnitt g die Nullpunkte nachgestellt.
Während der Nachstellungen steht der Meßwert nicht zur Verfügung. Dies wird nach außen durch die Meldung "Kalibrieren" mitgeteilt. Erst nach einer ausreichend langen Spülung mit Meßgas wird diese Meldung zurückgenommen.
Wenn im Abschnitt 3 der Wartungsschalter 27 gedrückt ist, werden alle Störungsmeldungen gelöscht, die übrige Meßeinrichtung in ihren Grundzustand versetzt, und die Überwachungseinheit wird abgekoppelt. Wird der Wartungsschalter nur kurzzeitig betätigt, springt das Programm in die Abschnitts 6 und 7 (Kalibrieren).
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Im Abschnitt 8 wird geprüft, ob die Durchflüsse ausreichend groß sind und die Statusanzeige des Analysengerätes 8b störungsfreien Betrieb anzeigt. Im Abschnitt i wird geprüft, ob die Temperaturen des Meßgaskühlers und der Thermostatisierung des Analysengerätes 8a im Sollbereich liegen. Wird dieser unter- bzw. überschritten, werden die Spannungsversorgungen abgeschaltet. Liegt die Temperatur der Thermostatisierung nicht im Sollbereich, werden zur Kompensation von Nullpunkts- und Empfindlichkeitsdriften Nachstellungen stündlich vorgenommen.
Im Abschnitt j wird der Zustand der Absorber 4a und 4b geprüft. Ist der Absorber 4a erschöpft, wird mit dem Magnetventil 5 der Reserveabsorber 4b eingeschaltet. Sind beide Absorber erschöpft, wird zum Schutz des Analysengerätes das Meßgas abgeschaltet.
Im Abschnitt k werden die Meßwerte auf ihre Plausibilität geprüft. Wenn sie außerhalb des Meßbereiches liegen oder ihre Streuung größer ist als über die vorgegebene Streubreite erlaubt, werden, wie bei allen anderen Störungen auch, Meldungen ausgegeben. Je nach Auswirkung einer Störung auf die Meßwerte wird nach außen "Warnung" oder "Messung ausgefallen" gemeldet.
In den Zextverzweigungen 1 wird der zeitliche Abstand der weiteren Abschnitte gesteuert. Alle 0,1 see springt das Programm zum Abschnitt c. Eine zeitliche Verzögerung ist deswegen eingearbeitet, damit bei den Plausibilitätsprüfungen Streuungen mit Frequenzen <10 Hz erfaßt werden können.
Im Abschnitt m werden alle 10 min die externen Störungemeidungen zunächst gelöscht, wenn sie nicht aus den Abschnitten f oder g (Kalibrieren) stammen. Im folgenden werden sie neu erzeugt, wenn die Störungsursachen noch vorhanden sind. Damit wird eine Aktualisierung der externen Störungs-
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meidungen erzielt.
Alle 24 h oder 168 h wird der Abschnitt η (Kondensat ablassen) eingeschoben, bei dem durch Aktivierung des Magnetventils 3> das im Meßgaskühler angefallene Kondensat abgelassen wird. Da hierbei die Meßwerte nicht zur Verfügung stehen, wird der externe Ausgang "Kalibrieren" während dieses Vorgangs gesetzt. Auf η folgen die Abschnittsf und g (Kalibrieren).
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Chemie-Ing.-Technik 46 (1974) Nr. 19, S.825/8^1
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Claims (4)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur autonomen Prozeßanalyse, bestehend aus einer Entnahmeeinrichtung für den Meßstoff, einer Aufbereitungskette, mindestens einem Analysengerät, einer Meßwertanzeige und einer Überwachungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinheit (U) mit der Aufbereitungskette (1,2,4) und dem Analysengerät (8) gekoppelt ist, ohne den Datenfluß vom Analysengerät (8) zur Meßwertanzeige (12) unmittelbar zu beeinflussen und mit Hilfe von Statussensoren (10,14,15,16,17,18) sowie aus den Meßwerten (30,31) Informationen über die gesamte Meßeinrichtung erhält, über Magnetventile (3,5>H)j Schalter (19,20) und Motorpotentiometer (13a, 13t>) in die Meßeinrichtung eingreift und Meldungen über den Zustand der Meßeinrichtung nach außen abgibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinheit aus folgenden Komponenten besteht:
a) Eine Schaltung zur ständigen Statuskontrolle (Überwachung der Sollwerte von Betriebsdaten) von Aufbereitungskette und Analysengerät,
b) eine Schaltung zur ständigen Überwachung des Meßwertes auf seine Plausibilität,
c) eine Schaltung zur Nachstellung des Nullpunktes und der Empfindlichkeit des Analysengerätes,
d) eine Schaltung zur Erzeugung von Störungsmeldungen, wenn in der Meßeinrichtung Abweichungen vom Sollzustand auftreten oder wenn Nachstellungen nicht ordnungsgemäß ablaufen.
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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinheit zusätzlich eine Schaltung enthält, die in der Aufbereitungskette bei Ausfall eines für die Messung wesentlichen Bestandteiles ein entsprechendes Reservebauteil einschaltet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und ^>, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinheit zusätzlich eine Schaltung enthält, die nach einem Ausfall der Spannungsversorgung die Meßwerte erst dann, als zuverlässig ausweist, wenn der SoIlzustand (insbesondere Temperaturen von Aufbereitungskette und Analysengerät wieder erreicht sind und die Funktion des Analysengerätes durch eine Kalibrierung sichergestellt ist.
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