DE4419548A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines elektro-pneumatischen Stellungsreglers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines elektro-pneumatischen Stellungsreglers nach dem Oberbe­ griff der unabhängigen Ansprüche.

Stellungsregler haben die Aufgabe, die Position eines mechanischen Bauteils entsprechend einem vorgegebenen variablen oder festen Sollwert zu regeln. Angewandt wer­ den derartige Stellungsregler u. a. zur Regelung der Po­ sition eines Drosselelementes bei Stellgeräten mit pneu­ matischen Antrieben, z. B. der Kegelstange bei Hubventi­ len oder der Welle bei Klappen.

In diesem Zusammenhang ist die DE-OS 28 47 380 zu nen­ nen, in der ein druckmittelbetriebener Regler mit Rück­ führung insbesondere für pneumatisch von einem Stellmo­ tor angetriebene Stellglieder, wie Regelventile oder dergleichen, beschrieben ist. Diese Vorrichtung ist ge­ schaffen worden, um die Anordnung der Spiralmeßfeder zwischen dem Stellglied und dem pneumatischen Meßwerk so mit einer einfachen Vorrichtung zu überwinden, daß die Einstellung des Null-Punktes und eine Verschiebung der Federkernlinie bzw. eine Auswechselung der Spiralmeßfe­ der auf einfache Weise auch bei einem bereits montierten Gerät möglich ist. Das vollständige Ausregeln einer Hy­ sterese, d. h. den durch die verschiedenen mechanischen Komponenten z. B. durch die Abdichtung (Stopfbuchse) sich ergebenden richtungsabhängigen Abweichungen von den Idealübermittlungen, ist zur Zeit aber nicht zufrieden­ stellend möglich. Obwohl Stellungsregler auch die Aufga­ be haben, die Hysterese auszuregeln, können konventio­ nelle Stellglieder den Wert der Hysterese nicht erkennen und keine Änderungen feststellen.

Häufig muß ein Stellungsregler die Position des Stelle­ lementes trotz des Einflusses von variablen Strömungs- und Antriebskräften und der sich aus der Abdichtung der Stange bzw. Welle ergebenden Hysterese ausregeln. Dazu werden zunehmend intelligente digitale Stellungsregler eingesetzt. Derartige Geräte sind mit Prozessor ausge­ stattet, die neben der eigentlichen Stellungsregelung noch weitere Aufgaben übernehmen könnten. Ein derartiges Gerät ist beispielsweise in der DE-C1 42 33 301 offen­ bart, in der ein Stellungsregler mit zwei das Stellgerät steuernden, pneumatisch betriebenen elektromagnetischen Ventilen vorgeschlagen wird. Damit ist zwar ein frühzei­ tiges und zuverlässiges Erkennen einer Fehlfunktion von Stellungsreglern oder Stellgeräten möglich, jedoch nicht das kontinuierliche Überwachen auf die vorgesehene Funk­ tionsfähigkeit, also ein Erfassen sich langsam verän­ dernder Hysterese.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Zustand des Stellgerätes, insbesondere die Größe der Hysterese in­ folge Reibung zwischen Stange bzw. Welle und dem Dicht­ element, zu überprüfen. Dies kann laufend oder in gewis­ sen zeitlichen Abständen geschehen. Im Falle des Über­ schreitens vorgegebener Grenzen kann das Wartungsperso­ nal mittels entsprechender Signalgebereinrichtungen in­ formiert werden.

Es ist von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, daß früh­ zeitig auf Hystereseunregelmäßigkeiten hingewiesen wird. Eine zu geringe Hysterese läßt auf eine zu wenig angezo­ gene Stopfbuchse schließen, die in einer Undichtigkeit nach außen ihren Niederschlag finden könnte. Eine zu ho­ he Hysterese wiederum zeigt, daß durch zu festes Anzie­ hen wahrscheinlich ein Montagefehler vorliegt und mit einem schnellen Verschleiß der Stopfbuchse zu rechnen ist. Durch die frühzeitige Möglichkeit, auf Hystereseän­ derungen einzugehen, kann ohne Materialverlust oder Zeitverlust durch eine Reparatur der Fehler einfach be­ hoben werden. Die Zuverlässigkeit eines derartig über­ wachten Stellgliedes ist ganz beträchtlich gesteigert.

Zusätzlich lassen sich auch durch die zeitlichen Ände­ rungen der Hysterese über längere Zeiträume hin Rück­ schlüsse auf das gewählte Dichtungsmaterial, dessen Er­ müdung oder ggf. dessen falsche Wahl schließen.

Unter Laborbedingungen wird die Hysterese dadurch ermit­ telt, daß die Antriebskräfte bzw. -drücke des pneumati­ schen Antriebs geändert werden, wobei der Druck und die Stangenbewegung gemessen werden. Derartige statische Messungen erfordern zusätzliche Meßgeräte z. B. zur Er­ fassung des Antriebsdruckes.

Es wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, in einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens das Bewegungs­ verhalten als Maß für die Funktion des Stellgerätes dy­ namisch im Betrieb zu überwachen. Diese Überwachung darf den Betrieb nicht oder nur ganz geringfügig beeinflus­ sen. Bei dieser dynamischen Messung wird dem jeweiligen Ausgangsdruck des Stellungsreglers ein Testsignal, z. B. ein periodisches Signal, überlagert. Dieses Signal kann z. B. sinusförmig, sägezahnartig oder in Form von posi­ tiven oder negativen Sprüngen oder Impulsen aufmoduliert werden, wobei dieses Signal möglichst mittelwertfrei sein soll, also nicht zu einer zu weiten oder zu gerin­ gen Veränderung der Stellung des zu stellenden Elementes führt.

Bei einer Frequenz, die vorzugsweise kleiner als die Grenzfrequenz des Gesamtsystems gewählt ist, ist sicher­ gestellt, daß das Gesamtsystem auch dem Testsignal fol­ gen kann.

Wesentlich ist, daß man die Amplitude des dem normalen Stelldruck über lagerten periodischen Testsignals von ei­ nem kleinen Wert bzw. Null an kontinuierlich steigert. Bei stationärem oder gegenüber der Testfunktion langsam veränderlichem Stelldruck wird sich das Stellglied genau dann bewegen, wenn die Amplitude des Testsignals gerade der Hysterese entspricht, d. h. der Stellungsregler mit seiner ohnehin vorhandenen Wegmeßeinrichtung ein belie­ big kleines periodisches Signal gleicher Frequenz wie der des Testsignals erkennt. In diesem Moment des Erken­ nens ist die Hysteresegrenze gerade geringfügig über­ schritten, was mit Hilfe der an die Wegmeßeinrichtung angeschlossenen Mikroprozessoreinrichtung leicht erkannt werden kann. Die geringen Stellgliedbewegungen sind auf den zu regelnden Prozeß ohne Einfluß, da sie sich gerade im Bereich der Meßsignal-Auflösung bewegen und durch die im allgemeinen wesentlich niedrigere Grenzfrequenz der zu regelnden Anlage vollständig gedämpft werden.

Auch ein variabler Reglersollwert, d. h. ein zeitlich beliebig veränderliches Stellsignal des Stellungsreg­ lers, ist ohne Einfluß, da bekannte Signalverarbeitungs­ methoden, wie Demodulation und Filterung, zur Erkennung angewendet werden können. Zur Ermittlung eines Normal­ wertes können auch Testläufe durchgeführt werden. Der so ermittelte Wert kann durch die Vorgabe von Grenzwerten ergänzt werden. Es ist also denkbar, in einen Mikropro­ zessor bereits die durch lange vorher stattgefundene Tests an ähnlichen Modellen ermittelten Grenzwerte ein­ zugeben und jedem Mikroprozessor zusätzlich durch einen Testlauf den aktuell für ihn zutreffenden Hysterese­ grenzwert bzw. die Sollwerte einzugeben, mit denen er die im laufenden Betrieb gemessenen Werte jeweils ver­ gleicht, um aufgrund dieses Vergleiches entsprechend ein Signal zur Information des Bedienpersonals ausgeben zu können oder abgefragt zu werden.

Da periodisch Testsignale vorgeschlagen werden, kann die Filterung des Meßsignals mit bekannten Mitteln vorgenom­ men werden zur Trennung der Stellbewegung in Folge Soll­ wertänderung und der Reaktion auf das Testsignal.

Die Meldung eines Statussignals beim Über- bzw. Unter­ schreiten bestimmter Hysteresegrenzen kann ebenfalls auf bereits an sich bekannte Weise erfolgen.

Bei einem Stellungsregler kann ein erfindungsgemäßer Test entweder während des gesamten Betriebes "mitlau­ fen", oder es kann in einem bestimmten zeitlichen Ab­ stand, von einigen Sekunden bis zu sehr langen Abstän­ den, die jeweils von Wartungspersonal beobachtet werden, variiert werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Überwachung der vorgesehenen Funktionsfähigkeit eines Stellgerätes, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem eigentlichen Stellsignal am Ausgang eines Stellungs­ reglers ein Testsignal überlagert wird, bis eine Bewe­ gung des zu regelnden Systems verursacht ist, die von einer entsprechenden Meßeinrichtung am zu regelnden Sy­ stem erfaßt wird, wobei ein Mikroprozessor aus der ver­ ursachten Bewegung und der Größe des Testsignals durch Vergleich solcher Beobachtungen auf die momentane Funk­ tionsfähigkeit des Stellgerätes zurückschließt.

2. Verfahren zur Überwachung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Testsignal von einem vor­ bestimmten Wert beginnend kontinuierlich in der Amplitu­ de ansteigt.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Wert Null ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Test­ signals kleiner als die Grenzfrequenz des Systems ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Testsignal peri­ odisch und mittelwertfrei ist, so daß eine anschließende Filterung möglich ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Testsignal positive und negative Sprünge aufweist.

7. Verfahren zur Überwachung der vorgesehenen Funktionsfähigkeit eines Stellgerätes durch Erfassen der Hysterese, dadurch gekennzeichnet, daß dem eigentlichen Stellsignal am Ausgang des Stellungsreglers ein Testsig­ nal überlagert wird, das in der Größe derart angepaßt wird, daß es bei konstantem Stelldruck jeweils in den beiden Bewegungsrichtungen des Stellgerätes einen Bewe­ gungsanfang induziert.

8. Stellungsregler zur Durchführung des Verfah­ rens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch einen Mikroprozessor, der dem eigentli­ chen Stellsignal am Ausgang des Stellungsreglers ein Testsignal überlagert, dessen Amplitude bei kleinen Wer­ ten beginnend steigerbar ist, bis der Mikroprozessor mittels der Meßeinrichtung des Stellungsreglers eine entsprechende Bewegung des zu regelnden Systems erkennt.

9. Stellungsregler nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mikroprozessor die Hysterese des Stellsystems aus der Amplitude des Testsignals bei be­ ginnender bzw. kleiner Bewegung des Stellgliedes berech­ net und an geeignete Anzeigemittel ausgibt.

10. Stellungsregler nach einem der beiden vorher­ gehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor das Meßsignal zur Trennung von Stell­ bewegung infolge Sollwertänderung von der Reaktion auf das Testsignal filtert.

11. Stellungsregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozes­ sor vorbestimmte Hysteresegrenzen mit den momentan vor­ liegenden Hysteresegrenzen vergleicht zur Ausgabe eines Statussignals.

12. Stellungsregler nach einem der Stellungsreg­ leransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrich­ tung zur Wiederholung des Verfahrens zur Überwachung der vorgesehenen Funktionsfähigkeit in zeitlichem Abstand vorhanden ist.