EP1443219B1 - Diagnoseverfahren und -vorrichtung für einen pneumatischen Stellantrieb - Google Patents

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EP1443219B1
EP1443219B1 EP04000282A EP04000282A EP1443219B1 EP 1443219 B1 EP1443219 B1 EP 1443219B1 EP 04000282 A EP04000282 A EP 04000282A EP 04000282 A EP04000282 A EP 04000282A EP 1443219 B1 EP1443219 B1 EP 1443219B1
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EP
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pressure
piston
testing
actuator
difference
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EP04000282A
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EP1443219A1 (de
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Bar Pneumatische Steuerungssysteme GmbH
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Bar Pneumatische Steuerungssysteme GmbH
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/02—Mechanical layout characterised by the means for converting the movement of the fluid-actuated element into movement of the finally-operated member
    • F15B15/06—Mechanical layout characterised by the means for converting the movement of the fluid-actuated element into movement of the finally-operated member for mechanically converting rectilinear movement into non- rectilinear movement
    • F15B15/065—Mechanical layout characterised by the means for converting the movement of the fluid-actuated element into movement of the finally-operated member for mechanically converting rectilinear movement into non- rectilinear movement the motor being of the rack-and-pinion type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B19/00—Testing; Calibrating; Fault detection or monitoring; Simulation or modelling of fluid-pressure systems or apparatus not otherwise provided for
    • F15B19/005—Fault detection or monitoring

Definitions

  • the invention relates to a diagnostic method for a pneumatic actuator with at least one piston which is movable in a housing between two end positions and limits two working spaces, wherein the working spaces are connectable to a pressure supply system, which is under a system pressure, wherein at least one position of the piston in the housing is detected.
  • the invention also relates to a diagnostic device with a pneumatic actuator with at least one piston which is movable in a housing between two end positions and limits two working spaces, which are connectable to a pressure supply system, which is under a system pressure, wherein at least one position of the piston in the Housing by means of the diagnostic device can be displayed.
  • Such diagnostic methods and devices use, for example, a pneumatic actuator with a piston which is movable in a housing between two end positions and limits a first working space, which is connectable to a pressure supply system, which is under system pressure and with a position sensor, by means of which at least one Position of the piston is visible in the housing.
  • Such pneumatic actuators belong to the order of the pressure medium transmission and transmitted by means of a claimable only on pressure medium movement from the drive to the output.
  • a gas in particular air
  • the output member is, for example, a rotatable shaft, wherein each axial displacement of the piston in the housing directly causes rotation of the output shaft.
  • the described pneumatic actuators with position sensors for the piston position are known, for example, from DE 101 52 178 A1, DE 100 26 082 C1, EP 0 894 983 A2, WO 91/10070 A1, WO 91/19907 A1 and DE 42 41 189 A1.
  • the known actuators allow monitoring of the piston position during operation. Thus, a malfunction of the known actuators, z. B. reflected in deviations from a desired position, are determined.
  • diagnostics allow a quick localization of a faulty actuator in a plant, significantly facilitating and speeding up troubleshooting and reducing downtime caused by malfunction.
  • EP 0 947 901 A2 discloses a maintenance monitoring system for valves of steam turbines.
  • a valve is equipped with a long shaft, which is provided on the opposite side with a piston.
  • This piston sits in a pressure chamber, which is acted upon by an inlet with hydraulic pressure.
  • a pressure transducer By means of a pressure transducer, the pressure in the chamber is continuously measured and compared with a target value, whereby conclusions can be made on whether the stroke of the valve, or the valve itself, is in tact.
  • US Pat. No. 5,251,148 discloses a process control valve in which side walls in the area of the liquid flow are arranged with different sensors and thus the flow through the valve can be controlled and at the same time different parameters of the liquid, for example the temperature, are recorded.
  • the valve has a shaft which is equipped at its end opposite the valve with a piston, which in turn housed in a cylinder is.
  • the cylinder has two openings for receiving compressed air and two pressure sensors, which measure the air pressure in the area above the piston and in the area below the piston.
  • the signals from all the sensors are routed to a control system that allows the current measured values to be compared with readings recorded at a previous point in time. If deviations occur, possible errors in the process flow can be detected and corrective measures initiated.
  • the invention has for its object to propose an alternative diagnostic method and corresponding devices and actuators that allow the prediction of the individual life of an actuator.
  • the object is achieved according to the invention in that the difference between a characteristic pressure, which is the static pressure component of the applied pressure in a working space, and a reference pressure, which is the static pressure component of the pressure applied in a second working space, when the second working space is not connected to the pressure supply system, determined by means of a Differenzdruckmesselements and compared with a setpoint.
  • the first working space before the start of a switching operation ie the movement of the piston from one end position to the other - unpressurized. If the first working space is connected to the pressure supply system, the pressure applied in the first working space initially rises continuously without the piston being set in motion. Only when the pressure force acting on the piston from the pressure medium exceeds the static friction forces set against the movement, the piston is accelerated in the direction of the other end position. Starting from this "breakaway point", only lower amounts of sliding friction force counteract the compressive force.
  • the diagnostic method according to the invention is applicable not only to actuators which can be coupled with an element to be actuated (eg armature) in the form of a separate component, but also to those actuators which form a structural unit with the element to be actuated and like them for example, in WO 00/04311 are disclosed.
  • an element to be actuated eg armature
  • the difference between the characteristic pressure and a reference pressure is compared with the desired value, wherein the reference pressure is the static pressure component of the applied pressure in a second working chamber and wherein the second working chamber is not connected to the pressure supply system.
  • the reference pressure is the static pressure component of the applied pressure in a second working chamber and wherein the second working chamber is not connected to the pressure supply system.
  • the difference between the respective characteristic and reference pressures in the work spaces can be determined with minimal structural complexity in a usable for both directions of actuation differential pressure measuring element.
  • Such measuring elements are well known and available for a variety of applications and sizes as inexpensive mass product on the market.
  • the miniaturization of this measuring element allows - with appropriate dimensions of the component in question - its integration in the housing or even in the piston of the actuator according to the invention.
  • a profile of the pressure difference between two operating points of the actuator is preferably compared with a course of the desired value.
  • the pressure curves from the beginning of the application to breakaway, from breakaway to striking in the other end position and from this point to reach the system pressure in the diagnosis and, if appropriate, with the movement profile of the piston between the End positions are correlated. Any deviation from the relevant setpoint, for example, can be used as a trigger of an immediate visual inspection during operation, as a prerequisite for replacement at the next scheduled downtime or prophylactically for automatic switching to a redundant system path.
  • a diagnostic method preferably determines a pressure reserve for a switching operation, wherein the pressure reserve is the difference between a maximum value of the pressure difference before breakage of the piston and the system pressure.
  • This pressure reserve corresponds indirectly - via the pressurized piston surface in a cylindrical housing of a linearly acting actuator - a power reserve or - on the pressurized piston surface and the effective lever arm in a rotary drive - a torque reserve as a measure of the adjustable in principle from the rest position load: exceeds the static friction the load the force or torque reserve of the actuator, so the setting process is blocked.
  • a warning signal is generated when falling below a minimum limit pressure reserve.
  • an actuating pressure is advantageously determined for a setting process, wherein the setting pressure is the value of the pressure difference when an end position of the piston is reached.
  • the set pressure defined in this way corresponds to the pressure required to complete the setting process - for example, to completely open or close a valve.
  • An increase in the control pressure can indicate, on the one hand, wear of sealing and sliding surfaces of the actuator or of the set element and an increase in the sliding friction forces caused thereby.
  • deposits on the actuator or on the provided element which hinder the reaching of the end position - for example, in a fluid-technical system, a solids deposit of the fluid deposited on the valve seat - also result in an increase in the setting pressure. Again, it is particularly helpful if a warning signal is generated when a maximum limit pressure is exceeded.
  • the measurement of the pressure reserve and the pressure difference or one of the two values is advisable.
  • the measurement can then be triggered particularly simply by an electric pulse generator, for example each registers the beginning or the end of an (electrically conductive) contact between the pistons or between a piston and the housing end.
  • Both limits - limit pressure reserve and limit pressure - are typically largely freely selectable depending on the particular use of the actuator, but should always be selected with a surcharge to the adhesive or Gleitreibungs instituten of the load to be placed, which absorbs fluctuations in these forces on the one hand, on the other hand wear Increasing the pressure difference during operation allows replacement of the actuator at plannable intervals.
  • the pre-assembly of actuators lends itself to fixed set limit values.
  • actuators can also be provided, which allow adjustment of a limit value directly on the actuator.
  • Limit values can also be stored in the form of fixed numerical values in an external diagnostic device. The diagnostic device is then connected to the actuator via a pressure line or - necessarily, especially at longer distances between the actuator and the diagnostic device - via a data line for transmitting the current value of the pressure difference or even the pressure reserve and / or the control pressure.
  • a warning signal in the context of such a diagnostic method according to the invention can be output, for example, in the form of simple - and generally known - optical or acoustic signal elements which are arranged directly on the actuator.
  • a warning signal can also-alternatively or additionally-have the form of an electrical or electromagnetic signal which is transmitted from a diagnostic device arranged on the actuator to a further distant display element, for example on a central display panel or also to a control computer for a larger system.
  • a differential pressure measuring element is provided with which the difference between a characteristic pressure, which is the static pressure component of a voltage applied in a working space, and a reference pressure, the static pressure component of the second working space applied pressure is when the second working space is not connected to the pressure supply system, can be measured and evaluated by means of the diagnostic device.
  • a diagnostic device is used to carry out the above-described diagnostic method according to the invention.
  • the diagnostic device according to the invention can be used in conjunction with actuators, which are merged with the valve to be operated to form a structural unit.
  • a diagnostic device preferably has a digital computing unit in which the comparison of the two characteristic pressures is carried out.
  • Suitable electronic Computing units are well known and available in various designs as mass-produced inexpensively on the market. Basically, the use of analog pneumatic comparators is possible. However, apart from special cases, for example, exclude the use of electronic components, this variant is not preferred for cost reasons.
  • the use of programmable electronic computing units makes it possible to use commercially available standard components; on the other hand, the diagnostic device according to the invention can be used for other purposes in a particularly favorable manner, namely by reprogramming instead of exchanging components.
  • a diagnostic device in the context of the invention in particular, a commercial digital computer is to be considered, which is programmed for use in the aforementioned type.
  • Figure 1 shows a pneumatic actuator 1 according to the invention with rack-pinion principle and a closed cylindrical housing 2, two in this axially mounted and self-centering guided, counter-movable piston 3 and a radially emerging from the housing 2 rotatable output shaft 4.
  • the rotation of the output shaft 4 is by two connected to the piston 3 racks 5, which are arranged axially in the housing 2 and engage in a not shown, arranged on the circumference of the output shaft 4 teeth, fixedly coupled to the axial movement of the piston 3.
  • the two pistons 3 close in the housing 2, the inner working space 6, in which the racks 5 and the output shaft 4 extend.
  • the pistons 3 close the outer working spaces 7.
  • compression springs 8 are arranged, which push the pistons 3 at non-pressurized working spaces 6, 7 to each other.
  • the housing 2, the piston 3 and the racks 5 are made of an aluminum alloy by die casting.
  • the outer surfaces are anodized and additionally coated with epoxy resin.
  • the output shaft 4 is made of stainless steel and is provided for connection to the element to be set with a 2-flat, not shown.
  • the working chambers 6, 7 are sealed to the piston 3 with not shown Nitrilkautschukdichtitch against each other.
  • the illustrated actuator 1 has a nominal pivot angle of 120 °.
  • the actuator 1 brings on the element to be positioned at a system pressure 9 of 10 bar a torque of up to 8000 Nm.
  • the working medium is filtered air (PNEUROP / ISO Class 4).
  • the actuator 1 has two pressure ports 10, 11, which can be acted upon by means of a switching element 12 mutually with the working fluid or vented.
  • the inner working space 6 via the second pressure port 11, the outer working spaces 7 are acted upon.
  • the inner working space 6 is acted upon by the first pressure port 10 with the working fluid
  • the outer working spaces 7 are connected via the second pressure port 11 with the environment and have ambient pressure.
  • the compression springs 8 are block and thus define the end position of the piston. 3
  • the pistons 3 are at the beginning of the setting process in the basic position (or "0 ° position") 13 of the actuator 1 according to the invention, at the end of the setting process in the other end position, here the “ 120 ° position "14.
  • the outer working chambers 7 are acted upon by the working fluid and the inner working chamber 6 vented.
  • the static pressure component of the pressure present in the outer working chambers 7 is applied to the pressure measuring connection 15 as the characteristic pressure
  • the static pressure component of the pressure present in the inner working chamber 6 is present at the reference pressure measuring connection 16 as a reference pressure.
  • the functions of pressure and reference pressure measuring port 16 are reversed, but the operation of the diagnosis described below is identical.
  • the pressure measuring connection 15 and the reference pressure measuring connection 16 are connected to a differential pressure measuring element 17, which reports the measured differential pressure 19 to the diagnosis device 20 via a pressure signal line 18.
  • a position sensor 21 is arranged on the actuator 1, which reports via a position signal line 22, the measured position of the piston 3 to the diagnostic device 20.
  • Figure 2 shows the course of the differential pressure 19 and the path 23 at this actuator 1 according to the invention during the adjustment process:
  • the differential pressure 19 corresponds to the amount 19 of the system pressure 8.
  • the differential pressure 19 is defined negative.
  • the amount of the differential pressure 19 drops to 0 (equal pressures on both sides of the piston 3) and then rises to a maximum pressure 24 below the system pressure 8 at.
  • the force acting between the piston 3 and the housing 2 and in the connected element static friction is overcome, the piston 3 break loose.
  • the difference between the maximum pressure 24 and the system pressure 8 is referred to as pressure reserve 25.
  • the pistons 3 now move towards each other at a substantially constant speed. In this case, the differential pressure 19 drops to a lower, also substantially constant amount.
  • control pressure 26 In the end position, the racks 5 are in contact with the respectively opposite piston 3. The movement of the piston 3 ends, the differential pressure 19 increases up to the system pressure 8 at. The pressure level when reaching the end position is referred to as control pressure 26.
  • Figure 3 shows the actuator 1 according to the invention integrated with a diagnostic device according to the invention 20.
  • the diagnostic device 20 has a position indicator 27, which indicates the position of the output shaft 4.
  • the diagnostic device 20 not shown central electrical connections - a terminal block, an actuator-sensor connector and a bus connection - arranged.
  • the position sensor 21 is arranged on the output shaft 4 electronic angle sensor, which also acts as a limit switch.
  • the diagnostic device 20 has a non-illustrated self-adjusting inductive limit switch.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren für einen pneumatischen Stellantrieb mit mindestens einem Kolben, der in einem Gehäuse zwischen zwei Endlagen beweglich ist und zwei Arbeitsräume begrenzt, wobei die Arbeitsräume mit einem Druckversorgungssystem verbindbar sind, das unter einem Systemdruck steht, wobei mindestens eine Position des Kolbens in dem Gehäuse erkannt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Diagnosevorrichtung mit einem pneumatischen Stellantrieb mit mindestens einem Kolben, der in einem Gehäuse zwischen zwei Endlagen beweglich ist und zwei Arbeitsräume begrenzt, die mit einem Druckversorgungssystem verbindbar sind, das unter einem Systemdruck steht, wobei mindestens eine Position des Kolbens in dem Gehäuse mittels der Diagnosevorrichtung darstellbar ist.
  • Derartige Diagnoseverfahren und -vorrichtungen verwenden beispielsweise einen pneumatischen Stellantrieb mit einem Kolben, der in einem Gehäuse zwischen zwei Endlagen beweglich ist und einen ersten Arbeitsraum begrenzt, der mit einem Druckversorgungssystem verbindbar ist, das unter einem Systemdruck steht und mit einem Positionsgeber, mittels dessen mindestens eine Position des Kolbens in dem Gehäuse erkennbar ist.
  • Solche pneumatischen Stellantriebe gehören zur Ordnung der Druckmittelgetriebe und übertragen mit Hilfe eines nur auf Druck beanspruchbaren Mediums eine Bewegung vom Antrieb zum Abtrieb. Ein Gas (insbesondere Luft) als Medium wirkt unter Druck auf ein als Kolben ausgeführtes Antriebsglied ein und verschiebt dieses in einem zylindrischen Gehäuse in axialer Richtung oder rotiert es - bei einem Drehflügelantrieb - um eine starre Achse.. Das Abtriebsglied ist beispielsweise eine rotierbare Welle, wobei jede axiale Verschiebung des Kolbens in dem Gehäuse unmittelbar eine Rotation der Abtriebswelle bewirkt.
  • Bekannt sind die beschriebenen pneumatischen Stellantriebe mit Positionsgeber für die Kolbenposition beispielsweise aus der DE 101 52 178 A1, der DE 100 26 082 C1, der EP 0 894 983 A2, der WO 91/10070 A1, der WO 91/19907 A1 und der DE 42 41 189 A1. Die bekannten Stellantriebe erlauben eine Überwachung der Kolbenposition im laufenden Betrieb. So kann eine Fehlfunktion der bekannten Stellantriebe, die sich z. B. in Abweichungen von einer Sollposition niederschlägt, ermittelt werden. Die auf den bekannten Stellantrieben basierenden Diagnoseverfahren erlauben eine schnelle Lokalisierung eines fehlerhaften Stellantriebs in einer Anlage, erleichtern und beschleunigen auf diese Weise signifikant die Fehlerbehebung und vermindern die durch Fehlfunktion hervorgerufenen Stillstandszeiten.
  • In Anlagen mit einer Vielzahl von Stellantrieben - und rein statistisch entsprechend höherer Fehlerwahrscheinlichkeit - und in Anlagen, die abgesehen von planmäßigen Wartungsintervallen für den Dauerbetrieb vorgesehen sind, müssen zur Steigerung der Verfügbarkeit auch die verbleibenden Stillstandszeiten möglichst vermieden werden. Die bekannten Stellantriebe bieten jedoch - bis auf statistische Überlegungen - praktisch keine Möglichkeit zur Bestimmung ihrer konkreten individuellen Lebensdauer sowie der Lebensdauer der aus Antrieb und Stellglied (z. B. Armatur) gebildeten Einheit, so dass hier lediglich die Möglichkeit stark verkürzter Austauschintervalle oder (mehrfach) redundanter Auslegung der betreffenden Anlagenteile bleibt.
  • Beide Varianten sind zwangsläufig mit einer verminderten Nutzung des eingesetzten Kapitals verbunden und sollten daher aus wirtschaftlichen Überlegungen möglichst vermieden werden.
  • Aus der europäischen Patentschrift EP 0 947 901 A2 geht ein Wartungs-Überwachungssystem für Ventile von Dampf-Turbinen hervor. Dabei ist ein Ventil mit einem langen Schaft ausgerüstet, der an der gegenüberliegenden Seite mit einem Kolben versehen ist. Dieser Kolben sitzt in einer Druckkammer, die durch einen Einlass mit hydraulischem Druck beaufschlagt wird. Mit Hilfe eines Druckwandlers wird kontinuierlich der Druck in der Kammer gemessen und mit einem Soll-Wert verglichen, wodurch Rückschlüsse darauf gemacht werden können, ob die Hubbewegung des Ventils, beziehungsweise das Ventil selbst, in takt ist.
  • Das Patent US 5,251,148 offenbart ein Ventil zur Kontrolle von Prozessabläufen, in dessen Seitenwänden im Bereich des Flüssigkeitsdurchflusses verschiedene Sensoren angeordnet sind und somit der Durchfluss durch das Ventil kontrolliert werden kann und gleichzeitig verschiedenen Parameter der Flüssigkeit, beispielsweise die Temperatur, aufgezeichnet werden. Auch hier weist das Ventil einen Schaft auf, der an seinem dem Ventil gegenüberliegenden Ende mit einem Kolben ausgestattet ist, der wiederum in einem Zylinder untergebracht ist. Der Zylinder weist zwei Öffnungen zur Aufnahme von Pressluft auf und zwei Drucksensoren, die den Luftdruck im Bereich über dem Kolben und im Bereich unter dem Kolben messen. Die Signale der gesamten Sensoren werden zu einem Kontrollsystem geleitet, das es ermöglicht, die aktuell gemessenen Werte mit Messwerten zu vergleichen, die zu einem vorigen Zeitpunkt registriert wurden. Bei Auftreten von Abweichungen können mögliche Fehler im Prozessablauf festgestellt und Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden.
    • Aufgabe
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Diagnoseverfahren sowie entsprechende Vorrichtungen und Stellantriebe vorzuschlagen, die die Vorhersage der individuellen Lebensdauer eines Stellantriebs ermöglichen.
    • Lösung
  • Ausgehend von dem bekannten Diagnoseverfahren wird die Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Differenz zwischen einem Kenndruck, der der statische Druckanteil des in einem Arbeitsraum anliegenden Drucks ist, und einem Referenzdruck, der der statische Druckanteil des in einem zweiten Arbeitsraum anliegenden Drucks ist, wenn der zweite Arbeitsraum nicht mit dem Druckversorgungssystem verbunden ist, mittels eines Differenzdruckmesselements ermittelt und mit einem Sollwert verglichen wird.
  • Typischer Weise ist der erste Arbeitsraum vor Beginn eines Schaltvorgangs - also dem Bewegen des Kolbens aus einer Endlage in die andere - drucklos. Wird der erste Arbeitsraum mit dem Druckversorgungssystem verbunden, so steigt der in dem ersten Arbeitsraum anliegende Druck zunächst kontinuierlich an, ohne dass der Kolben in Bewegung versetzt würde. Erst wenn die aus dem Druckmedium auf den Kolben wirkende Druckkraft die der Bewegung entgegen gesetzten Haftreibungskräfte übersteigt, wird der Kolben in Richtung der anderen Endlage beschleunigt. Ausgehend von diesem "Losbrechpunkt" wirken lediglich betragsmäßig geringere Gleitreibungskräfte der Druckkraft entgegen.
  • Abhängig von einer Vielzahl von Variablen - von der Höhe des Systemdrucks und der Viskosität des Druckmediums, vom Einströmquerschnitt des Arbeitsraums und von der wirksamen Kolbenfläche, von den Gleitreibungskräften zwischen Kolben und Gehäuse und gegebenen Falls weiteren auf den Kolben wirkenden (äußeren) mechanischen oder Druckkräften , insbesondere von Kräften für die Betätigung einer mit dem Stellantrieb zu schaltenden Armatur (z. B. Ventil o. a.), stellt sich ein charakteristisches Zustandsprofil des Stellantriebs ein. In der Regel wird nach einer Einlaufphase ein "Gleichgewicht" erreicht, das sich durch eine im Wesentlichen konstante Geschwindigkeit des Kolbens bei einem im Wesentlichen konstanten statischen Druck in dem ersten Arbeitsraum auszeichnet.
  • Die Bewegung des Kolbens endet (normalerweise) mit dem Anschlag in der anderen Endlage. Von diesem Zeitpunkt an steigt der statische Druck in dem ersten Arbeitsraum kontinuierlich bis zum Niveau des Systemdrucks an (sofern der Arbeitsraum keine übermäßigen Leckageverluste aufweist), wodurch - zusätzlich zu den nun wieder wirkenden Haftreibungskräften - eine Sicherung des Kolbens in dieser Position gegen unbeabsichtigtes Rückstellen bewirkt wird.
  • Jeder Verschleiß der Kontaktflächen zwischen Kolben und Gehäuse, jede durch Verschmutzung hervorgerufene Verringerung von Ein- oder Ausströmquerschnitten des ersten Arbeitsraums, jede Undichtigkeit im pneumatischen System und ebenso jede Veränderung von Betriebsparametern an dem jeweils mittels des Stellantriebs angetriebenen Elements - beispielsweise eines Kugelhahns - bewirkt Änderungen dieses Zustandsprofils, die sich in charakteristischen Änderungen des statischen Drucks in einem Arbeitsraum niederschlagen. Die Messung des statischen Druckanteils des in einem Arbeitsraum anliegenden Drucks als Kenndruck des Stellantriebs stellt damit - in Verbindung mit der bekannten Positionsbestimmung des Kolbens - die ideale Grundlage zur Diagnose des aktuellen Zustands eines Stellantriebs sowie der damit betätigten Armatur dar.
  • Das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren ist nicht nur bei Stellantrieben anwendbar, die mit einem zu betätigenden Element (z. B. Armatur) in Form eines separaten Bauteils koppelbar sind, sondern auch bei solchen Stellantrieben, die mit dem zu betätigenden Element eine bauliche Einheit bilden und wie sie beispielsweise in der WO 00/04311 offenbart sind.
  • Die Differenz zwischen dem Kenndruck und einem Referenzdruck wird mit dem Sollwert verglichen, wobei der Referenzdruck der statische Druckanteil des in einem zweiten Arbeitsraum anliegenden Drucks ist und wobei der zweite Arbeitsraum nicht mit dem Druckversorgungssystem verbunden ist. Eine solche Ausgestaltung bietet sich insbesondere in Verbindung mit Stellantrieben an, die einen zweiseitig wirksamen Kolben zwischen zwei wechselnd beaufschlagten Arbeitsräumen aufweisen. Je nach Arbeitsrichtung des Stellantriebs stellt dann wechselseitig der statische Druck in dem jeweils druckbeaufschlagten Arbeitsraum den Kenndruck, der statische Druck in dem anderen Arbeitsraum den Referenzdruck dar.
  • Die Differenz zwischen den jeweiligen Kenn- und Referenzdrücken in den Arbeitsräumen kann mit minimalem baulichen Aufwand in einem für beide Betätigungsrichtungen einsetzbaren Differenzdruckmesselement ermittelt werden. Derartige Messelemente sind allgemein bekannt und für eine Vielzahl von Einsatzzwecken und Baugrößen als preiswertes Massenprodukt am Markt verfügbar. Die Miniaturisierung dieses Messelements erlaubt - bei entsprechenden Abmaßen des betreffenden Bauteils - dessen Integration in das Gehäuse oder sogar in den Kolben des erfindungsgemäßen Stellantriebs.
  • Im Rahmen einer erfindungsgemäßen Diagnose wird bevorzugt ein Verlauf der Druckdifferenz zwischen zwei Betriebspunkten des Stellantriebs mit einem Verlauf des Sollwerts verglichen. Je nach den Anforderungen an die Diagnose können die Druckverläufe vom Beginn der Beaufschlagung bis zum Losbrechpunkt, vom Losbrechpunkt bis zum Anschlagen in der anderen Endlage und von diesem Zeitpunkt bis zum Erreichen des Systemdrucks in die Diagnose einfließen und gegebenen Falls mit dem Bewegungsprofil des Kolbens zwischen den Endlagen korreliert werden. Jede Abweichung von dem jeweils betreffenden Sollwert kann beispielsweise als Auslöser einer sofortigen Sichtkontrolle im laufenden Betrieb, als Vormerkung für den Austausch im nächsten planmäßigen Stillstand oder auch prophylaktisch zur automatischen Umschaltung auf einen redundanten Anlagenpfad verwendet werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren ermittelt vorzugsweise für einen Schaltvorgang eine Druckreserve, wobei die Druckreserve die Differenz zwischen einem Maximalwert der Druckdifferenz vor Losbrechen des Kolbens und dem Systemdruck ist. Diese Druckreserve entspricht mittelbar - über die druckbeaufschlagte Kolbenfläche in einem zylindrischen Gehäuse eines linear wirkenden Stellantriebs - einer Kraftreserve oder - über die druckbeaufschlagte Kolbenfläche und den wirksamen Hebelarm bei einem Drehantrieb - einer Momentenreserve als Maß für die prinzipiell aus der Ruhestellung stellbare Last: Übersteigt die Haftreibung der Last die Kraft- oder Momentenreserve des Stellantriebs, so ist der Stellvorgang blockiert. Besonders bevorzugt wird bei Unterschreiten einer minimalen Grenzdruckreserve ein Warnsignal generiert.
  • Weiterhin wird im Rahmen eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens vorteilhafter Weise für einen Stellvorgang ein Stelldruck ermittelt, wobei der Stelldruck der Wert der Druckdifferenz bei Erreichen einer Endstellung des Kolbens ist. Der so definierte Stelldruck entspricht dem Druck, der zur Vollendung des Stellvorganges - also beispielsweise zum vollständigen Öffnen oder Schließen eines Ventils - benötigt wird. Eine Erhöhung des Stelldrucks kann einerseits auf einen Verschleiß von Dicht- und Gleitflächen des Stellantriebs oder des gestellten Elements und eine hierdurch hervorgerufene Steigerung der Gleitreibungskräfte hinweisen. Andererseits wirken sich auch Ablagerungen am Stellantrieb oder an dem gestellten Element, die das Erreichen der Endstellung behindern - beispielsweise in einer fluidtechnischen Anlage eine am Ventilsitz abgelagerte Feststofffracht des Fluids - in einer Erhöhung des Stelldrucks aus. Wiederum ist es besonders hilfreich, wenn bei Überschreiten eines maximalen Grenzstelldrucks ein Warnsignal generiert wird.
  • Sollen anstelle einer kontinuierlichen Überwachung der Druckdifferenz nur einzelne diskrete Werte zur Diagnose eines Stellantriebs gemessen werden, so bietet sich die Messung der Druckreserve und der Druckdifferenz oder eines der beiden Werte an: Die Messung kann dann beispielsweise besonders einfach durch einen elektrischen Impulsgeber ausgelöst werden, der jeweils den Beginn oder das Ende eines (elektrisch leitenden) Kontakts zwischen den Kolben beziehungsweise zwischen einem Kolben und dem Gehäuseende registriert.
  • Beide Grenzwerte - Grenzdruckreserve und Grenzstelldruck - sind typischer Weise in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatz des Stellantriebs weitgehend frei wählbar, sollten aber grundsätzlich mit einem Zuschlag gegenüber den Haft- beziehungsweise Gleitreibungskräften der zu stellenden Last gewählt werden, der einerseits Schwankungen dieser Kräfte auffängt, andererseits bei verschleißbedingter Steigerung der Druckdifferenz im Betrieb den Austausch des Stellantriebs in planbaren Intervallen ermöglicht.
  • Insbesondere bei großen Stückzahlen bietet sich die Vorkonfektion von Stellantrieben auf fest eingestellte Grenzwerte an. Für spezielle Einsatzzwecke können auch Stellantriebe vorgesehen werden, die eine Einstellung eines Grenzwerts unmittelbar am Stellantrieb erlauben. Grenzwerte können auch in Form fester Zahlenwerte in einer externen Diagnosevorrichtung abgelegt sein. Die Diagnosevorrichtung wird dann mit dem Stellantrieb über eine Druckleitung oder - notwendiger Weise insbesondere bei größeren Distanzen zwischen dem Stellantrieb und der Diagnosevorrichtung - über eine Datenleitung zur Übermittlung des aktuellen Wertes der Druckdifferenz oder auch nur der Druckreserve und/oder des Stelldrucks verbunden.
  • Ein Warnsignal im Rahmen eines solchen erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens kann beispielsweise in Form einfacher - und allgemein bekannter - optischer oder akustischer Signalelemente ausgegeben werden, die unmittelbar an dem Stellantrieb angeordnet sind. Ein Warnsignal kann aber auch - alternativ oder zusätzlich - die Form eines elektrischen oder elektromagnetischen Signals aufweisen, das von einer an dem Stellantrieb angeordneten Diagnosevorrichtung an ein weiter entferntes Anzeigeelement, beispielsweise an einer zentralen Anzeigetafel oder auch an einen Steuerrechner für eine größere Anlage übermittelt wird.
  • Die Aufgabe wird gleichfalls erfindungsgemäß ausgehend von der bekannten Diagnosevorrichtung dadurch gelöst, dass ein Differenzdruckmesselement vorgesehen ist, mit dem die Differenz zwischen einem Kenndruck, der der statische Druckanteil eines in einem Arbeitsraum anliegenden Drucks ist, und einem Referenzdruck, der der statische Druckanteil des in dem zweiten Arbeitsraum anliegenden Drucks ist, wenn der zweite Arbeitsraum nicht mit dem Druckversorgungssystem verbunden ist, messbar und mittels der Diagnosevorrichtung auswertbar ist. Eine solche Diagnosevorrichtung dient der Ausführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens. Auch die erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung lässt sich in Verbindung mit Stellantrieben anwenden, die mit der zu betätigenden Armatur zu einer baulichen Einheit verschmolzen sind.
  • Die Aufgabe wird mithin ausgehend von dem bekannten Stellantrieb bereits erfindungsgemäß gelöst durch zwei Druckmessanschlüsse, an denen mittels eines Differenzdruckmesselements eine Druckdifferenz messbar ist.
  • Eine erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung weist vorzugsweise eine digitale Recheneinheit auf, in der der Vergleich der beiden Kenndrücke ausgeführt wird. Geeignete elektronische Recheneinheiten sind allgemein bekannt und in verschiedenen Ausführungen als Massenprodukte kostengünstig am Markt erhältlich. Grundsätzlich ist auch die Verwendung analoger pneumatischer Komparatoren möglich. Abgesehen von Sonderfällen, die beispielsweise die Verwendung elektronischer Bauteile ausschließen, ist diese Variante jedoch aus Kostengründen nicht bevorzugt. Die Verwendung programmierbarer elektronischer Recheneinheiten ermöglicht einerseits die Verwendung von marktüblichen Standardbauteilen, andererseits kann die erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung so besonders günstig - nämlich durch Umprogrammierung anstelle Austausch von Bauelementen - für andere Zwecke verwendet werden. Als Diagnosevorrichtung im Sinne der Erfindung ist insbesondere auch ein handelsüblicher Digitalrechner anzusehen, der für die Verwendung in der genannten Art programmiert ist.
    • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Skizzen eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    einen erfindungsgemäßen Stellantrieb,
    Fig. 2
    der Druckdifferenz- und Wegverlauf über der Zeit an diesem Stellantrieb,
    Fig. 3
    dieser Stellantrieb integriert mit einer erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung
  • Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen pneumatischen Stellantrieb 1 mit Zahnstangen-Ritzelprinzip und einem geschlossenen zylindrischen Gehäuse 2, zwei in diesem axial gelagerten und selbstzentrierend geführten, gegenläufig beweglichen Kolben 3 und einer radial aus dem Gehäuse 2 austretenden rotierbaren Abtriebswelle 4. Die Rotation der Abtriebswelle 4 ist durch zwei mit den Kolben 3 verbundene Zahnstangen 5, die axial im Gehäuse 2 angeordnet sind und in eine nicht dargestellte, am Umfang der Abtriebswelle 4 angeordnete Verzahnung eingreifen, mit der axialen Bewegung der Kolben 3 fest gekoppelt. Die beiden Kolben 3 schließen in dem Gehäuse 2 den inneren Arbeitsraum 6 ein, in dem auch die Zahnstangen 5 und die Abtriebswelle 4 verlaufen. Mit dem Gehäuse 2 schließen die Kolben 3 die äußeren Arbeitsräume 7 ein. In den äußeren Arbeitsräumen 7 sind Druckfedern 8 angeordnet, die bei drucklosen Arbeitsräumen 6, 7 die Kolben 3 aufeinander zu schieben.
  • Das Gehäuse 2, die Kolben 3 und die Zahnstangen 5 sind aus einer Aluminium-Legierung im Druckgussverfahren gefertigt. Die außen liegenden Flächen sind eloxiert und zusätzlich mit Epoxidharz beschichtet. Die Abtriebswelle 4 besteht aus Edelstahl und ist zum Anschluss an das zu stellende Element mit einem nicht dargestellten 2-Flach versehen. Die Arbeitsräume 6, 7 sind an den Kolben 3 mit nicht dargestellten Nitrilkautschukdichtungen gegen einander abgedichtet.
  • Der dargestellte erfindungsgemäße Stellantrieb 1 weist einen Nennschwenkwinkel von 120° auf. Der Stellantrieb 1 bringt auf das zu stellende Element bei einem Systemdruck 9 von 10 bar ein Drehmoment von bis zu 8000 Nm auf. Als Arbeitsmedium dient gefilterte Luft (PNEUROP/ISO-Klasse 4).
  • Der Stellantrieb 1 weist zwei Druckanschlüsse 10, 11 auf, die mittels eines Schaltelementes 12 wechselseitig mit dem Arbeitsmedium beaufschlagt oder entlüftet werden können.
  • Über den ersten Druckanschluss 10 wird der innere Arbeitsraum 6, über den zweiten Druckanschluss 11 werden die äußeren Arbeitsräume 7 beaufschlagt. In der dargestellten Stellung ist der innere Arbeitsraum 6 über den ersten Druckanschluss 10 mit dem Arbeitsmedium beaufschlagt, die äußeren Arbeitsräume 7 sind über den zweiten Druckanschluss 11 mit der Umgebung verbunden und weisen Umgebungsdruck auf. Die Druckfedern 8 liegen auf Block und definieren so die Endstellung der Kolben 3.
  • Wie aus Figur 2, unteres Diagramm, ersichtlich ist, befinden sich die Kolben 3 zu Beginn des Stellvorgangs in der Grundstellung (oder "0°-Stellung") 13 des erfindungsgemäßen Stellantriebs 1, am Ende des Stellvorgangs in der anderen Endstellung, hier der "120°-Stellung" 14. Durch Umschalten des Schaltelements 12 werden die äußeren Arbeitsräume 7 mit dem Arbeitsmedium beaufschlagt und der innere Arbeitsraum 6 entlüftet. An dem Druckmessanschluss 15 liegt als Kenndruck der statische Druckanteil des in den äußeren Arbeitsräumen 7 anliegenden Drucks an, an dem Referenzdruckmessanschluss 16 liegt als Referenzdruck der statische Druckanteil des in dem inneren Arbeitsraum 6 anliegenden Drucks an. Bei einem Stellvorgang aus 120°-Stellung 14 in die 0°-Stellung 13 sind die Funktionen von Druck- und Referenzdruckmessanschluss 16 vertauscht, die Arbeitsweise der im Folgenden beschriebenen Diagnose ist aber identisch.
  • Der Druckmessanschluss 15 und der Referenzdruckmessanschluss 16 sind mit einem Differenzdruckmesselement 17 verbunden, das über eine Drucksignalleitung 18 den gemessenen Differenzdruck 19 an die Diagnosevorrichtung 20 meldet. Zusätzlich ist an dem Stellantrieb 1 ein Positionsgeber 21 angeordnet, der über eine Positionssignalleitung 22 die gemessene Position der Kolben 3 an die Diagnosevorrichtung 20 meldet.
  • Figur 2 zeigt den Verlauf des Differenzdrucks 19 und des Wegs 23 an diesem erfindungsgemäßen Stellantrieb 1 während des Stellvorgangs: Zu Beginn entspricht der Differenzdruck 19 betragsmäßig dem Systemdruck 8. In der Grundstellung ist der Differenzdruck 19 negativ definiert. Zunächst sinkt der Betrag des Differenzdrucks 19 bis auf 0 (gleiche Drücke auf beiden Seiten des Kolbens 3) und steigt dann bis zu einem unterhalb des Systemdrucks 8 liegenden Maximaldruck 24 an. Bei Anliegen dieses Maximaldrucks 24 wird die zwischen den Kolben 3 und dem Gehäuse 2 sowie in dem angeschlossenen Element wirkende Haftreibung überwunden, die Kolben 3 brechen los. Die Differenz zwischen dem Maximaldruck 24 und dem Systemdruck 8 wird als Druckreserve 25 bezeichnet. Die Kolben 3 bewegen sich nun mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit auf einander zu. Hierbei sinkt der Differenzdruck 19 auf einen niedrigeren, gleichfalls im Wesentlichen konstanten Betrag ab.
  • In der Endposition stehen die Zahnstangen 5 in Kontakt mit dem jeweils gegenüber liegenden Kolben 3. Die Bewegung der Kolben 3 endet, der Differenzdruck 19 steigt bis auf den Systemdruck 8 an. Das Druckniveau bei Erreichen der Endposition wird als Stelldruck 26 bezeichnet.
  • Figur 3 zeigt den erfindungsgemäßen Stellantrieb 1 integriert mit einer erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung 20. Die Diagnosevorrichtung 20 weist einen Stellungsanzeiger 27 auf, der die Stellung der Abtriebswelle 4 anzeigt. An der Diagnosevorrichtung 20 sind nicht dargestellte zentrale Elektro-Anschlüsse - eine Klemmleiste, ein Aktor-Sensor-Stecker und ein Bus-Anschluss - angeordnet. Der Positionsgeber 21 ist ein an der Abtriebswelle 4 angeordneter elektronischer Winkelgeber, der gleichzeitig als Endlagenmelder fungiert. Zusätzlich weist die Diagnosevorrichtung 20 einen nicht dargestellten, selbst einstellenden induktiven Endlagenmelder auf. Mittels der Diagnosevorrichtung 20 wird im Sinne eines "Condition Monitoring" der Differenzdruck 19 und der Schwenkwinkel überwacht und gegebenen Falls auf einem Alarmausgang 28 ein Warnsignal an eine übergeordnete Kontrolleinheit generiert.
  • In den Figuren sind
    • 1
    Stellantrieb
    2
    Gehäuse
    3
    Kolben
    4
    Abtriebswelle
    5
    Zahnstange
    6
    Innerer Arbeitsraum
    7
    Äußerer Arbeitsraum
    8
    Druckfeder
    9
    Systemdruck
    10
    Erster Druckanschluss
    11
    Zweiter Druckanschluss
    12
    Schaltelement
    13
    0°-Stellung
    14
    120°-Stellung
    15
    Druckmessanschluss
    16
    Referenzdruckmessanschluss
    17
    Differenzdruckmesselement
    18
    Drucksignalleitung
    19
    Differenzdruck
    20
    Diagnosevorrichtung
    21
    Positionsgeber
    22
    Positionssignalleitung
    23
    Weg
    24
    Maximaldruck
    25
    Druckreserve
    26
    Stelldruck
    27
    Stellungsanzeiger
    28
    Alarmausgang

Claims (8)

  1. Diagnoseverfahren für einen pneumatischen Stellantrieb (1) mit mindestens einem Kolben (3), der in einem Gehäuse (2) zwischen zwei Endlagen beweglich ist und zwei Arbeitsräume (6, 7) begrenzt, wobei die Arbeitsräume (6, 7) mit einem Druckversorgungssystem verbindbar sind, das unter einem Systemdruck (8) steht, wobei mindestens eine Position des Kolbens (3) in dem Gehäuse (2) erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen einem Kenndruck, der der statische Druckanteil des in einem Arbeitsraum (6, 7) anliegenden Drucks ist, und einem Referenzdruck, der der statische Druckanteil des in einem zweiten Arbeitsraum (6, 7) anliegenden Drucks ist, wenn der zweite Arbeitsraum (6, 7) nicht mit dem Druckversorgungssystem verbunden ist, mittels eines Differenzdruckmesselements ermittelt und mit einem Sollwert verglichen wird.
  2. Diagnoseverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf der Druckdifferenz zwischen zwei Betriebspunkten des Stellantriebs (1) mit einem Verlauf des Sollwerts verglichen wird.
  3. Diagnoseverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Schaltvorgang eine Druckreserve (25) ermittelt wird, wobei die Druckreserve (25) die Differenz zwischen einem Maximalwert der Druckdifferenz vor Losbrechen des Kolbens (3) und dem Systemdruck (8) ist.
  4. Diagnoseverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten einer minimalen Grenzdruckreserve ein Warnsignal generiert wird.
  5. Diagnoseverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Stellvorgang ein Stelldruck (26) ermittelt wird, wobei der Stelldruck (26) der Wert der Druckdifferenz bei Erreichen einer Endstellung des Kolbens (3) ist.
  6. Diagnoseverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines maximalen Grenzstelldrucks ein Warnsignal generiert wird.
  7. Diagnosevorrichtung (20) mit einem pneumatischen Stellantrieb (1) mit mindestens einem Kolben (3), der in einem Gehäuse (2) zwischen zwei Endlagen beweglich ist und zwei Arbeitsräume (6, 7) begrenzt, die mit einem Druckversorgungssystem verbindbar sind, das unter einem Systemdruck (8) steht, wobei mindestens eine Position des Kolbens (3) in dem Gehäuse (2) mittels der Diagnosevorrichtung (20) darstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzdruckmesselement vorgesehen ist, mit dem die Differenz zwischen einem Kenndruck, der der statische Druckanteil eines in einem Arbeitsraum (6, 7) anliegenden Drucks ist, und einem Referenzdruck, der der statische Druckanteil des in dem zweiten Arbeitsraum anliegenden Drucks ist, wenn der zweite Arbeitsraum nicht mit dem Druckversorgungssystem verbunden ist, messbar und mittels der Diagnosevorrichtung (20) auswertbar ist.
  8. Diagnosevorrichtung (20) nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnosevorrichtung (20) eine digitale Recheneinheit aufweist.
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