DE10128448A1

DE10128448A1 - Prozessventil mit einem pneumatischen Stellantrieb und Verfahren zur Diagnose

Info

Publication number: DE10128448A1
Application number: DE2001128448
Authority: DE
Inventors: Thomas Georg Karte
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2021-06-13
Also published as: DE10128448B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Prozessventil mit einem pneumatischen Stellantrieb, bei dem eine Hubstange mittels eines Prozessgases in Abhängigkeit von einem Stellsignal bewegt wird, wobei das Stellsignal pneumatisch zum Stellantrieb übertragen wird und ein Verfahren zur Diagnose des Prozessventils. Zur Feststellung des Abnutzungsgrades des Prozessventils wird vorgeschlagen, den Ventilkörper (111) mit einem Durchflusssensor (132) mit einem Drucksensor (131) auszustatten, die an eine Messwertverarbeitungseinrichtung (134) angeschlossen sind. Dem Prozessventil (1) ist eine Diagnoseeinrichtung (4) zugeordnet, die mit Bedienelementen (41), Anzeigeelementen (42) und einer Kommunikationseinrichtung (43) zur drahtlosen Kommunikation ausgestattet ist. An die Messwertverarbeitungseinrichtung (134) ist eine Kommunikationseinrichtung (135) zur drahtlosen Kommunikation mit der Diagnoseeinrichtung (4) angeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Prozessventil mit einem pneumatischen Stellantrieb, bei dem eine Hubstange mittels eines Prozessgases in Abhängigkeit von einem Stellsignal bewegt wird, wobei das Stellsignal pneumatisch zum Stellantrieb übertragen wird und ein Verfahren zur Diagnose des Prozessventils. Als Prozessgas wird regelmäßig Druckluft verwendet, die mit Kompressoren zentral erzeugt und über Rohrleitungen an den pneumatischen Stellantrieb geführt wird.
Derartige Prozessventile werden in verfahrenstechnischen Anlagen oder Teilen davon, die durch Explosionsgefahr und/oder hohe elektromagnetische und/oder radioaktive Strahlung belastet sind, zur gezielten Steuerung des freien Querschnitts einer von einem Prozessmedium durchströmten Rohrleitung eingesetzt. Die Errichtung elektrotechnischer Einrichtung in diesen Bereichen unterliegt der Art der Belastung entsprechenden Beschränkungen. Unter diesen Beschränkungen kann die Errichtung eines durch die verfahrenstechnische Anlage zu dem Prozessventil geführten elektrischen Stromkreises unerwünscht oder unzulässig sein.
Häufig sind derartige Prozessventile entsprechend den prozessualen Erfordernissen an schwer zugänglichen oder unzugänglichen Stellen angeordnet.
Prozessventile unterliegen entsprechend ihrer Beanspruchung dem Verschleiß. Insbesondere die inneren Elemente der Prozessventile sind häufig aggressiven und/ oder abrasiven Medien ausgesetzt. Der überraschende Ausfall des Prozessventils kann zu schwerwiegenden Schäden an der verfahrenstechnischen Anlage oder Teilen davon führen sowie die Gesundheit und das Leben anwesender Personen gefährden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Prozessventil derart zu erweitern, dass der Grad der Abnutzung des Prozessventils feststellbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Darüber hinaus sind in Anspruch 8 Schritte zur Diagnose eines Prozessventils definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils rückbezogenen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung geht aus von einem Prozessventil im wesentlichen bestehend aus einem Ventilkörper mit zwei Flanschen zum Anschluss jeweils einer Rohrleitung für zuströmendes und abströmendes Prozessmedium und einem im Inneren des Ventilkörpers angeordneten Ventilsitz. Darüber hinaus weist das Prozessventil einen zum Ventilsitz passenden Ventilteller mit einer Ventilstange auf. Die Ventilstange ist mit der Hubstange des Stellantriebs verbunden.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, die den Verschleiß des Prozessventils kennzeichnenden physikalische Größen aufzunehmen, miteinander zu kombinieren und daraus die Beanspruchung des Prozessventils abzuleiten. Aus der ermittelten Beanspruchung wird im Vergleich mit Erfahrungswerten die Ausfallwahrscheinlichkeit bestimmt.

Im einzelnen ist das Prozessventil mindestens mit Sensoren für den Durchfluss des Mediums durch das Ventil und den Differenzdruck des Prozessmediums über dem Ventil ausgestattet. Darüber hinaus weist das Prozessventil eine Messwertverarbeitungseinrichtung auf, an die der Durchflusssensor und der Drucksensor angeschlossen sind.

Aus der Erfahrung ist bekannt, dass die Abnutzung des Prozessventils proportional zur Durchflussmenge und dem Druck des Prozessmediums steigt. Die Durchflussmenge durch das Prozessventil und der Druck des Prozessmediums werden während des Betriebs in dem Prozessventil gemessen und abrufbar aufgezeichnet. Alle Messwerte werden nach einem vorgebbaren Algorithmus gewichtet miteinander zu einer momentanen Belastungsgröße kombiniert. Die momentanen Belastungsgrößen werden über die Betriebszeit zu einer Gesamtbelastungsgröße saldiert. Die Gesamtbelastungsgröße wird mit Erfahrungswerten verglichen und aus dem Vergleichsergebnis die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls des Prozessventils bestimmt.

Dem Prozessventil ist eine Diagnoseeinrichtung zugeordnet, die mit Bedienelementen, Anzeigeelementen und einer Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation ausgestattet ist. Das Prozessventil weist eine Kommunikationseinrichtung zur drahtlosen Kommunikation mit der Diagnoseeinrichtung auf, die an die Messwertverarbeitungseinrichtung angeschlossen ist. Darüber hinaus weist das Prozessventil eine autonome Energiequelle zur Stromversorgung der Messwertverarbeitungseinrichtung und der Kommunikationseinrichtung auf.

Vorteilhafterweise ist damit jegliche Verkabelung des Prozessventils verzichtbar. Dementsprechend entfällt der Aufwand zur Verlegung und Wartung elektrischer Leitungen. Ferner wird auf diese Weise auch in verfahrenstechnischen Anlagen, in denen die Errichtung eines zu dem Prozessventil geführten elektrischen Stromkreises unerwünscht oder unzulässig ist, die Diagnose von Prozessventilen ermöglicht.

Die drahtlose Kommunikation zwischen der Messwertverarbeitungseinrichtung und der Diagnoseeinrichtung hat darüber hinaus den Vorteil der freizügigen Positionierbarkeit der Diagnoseeinrichtung. Insbesondere für an schwer zugänglichen oder unzugänglichen Stellen angeordnete Prozessventile wird die Diagnose erleichtert beziehungsweise überhaupt erst ermöglicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Prozessventils mit einem pneumatischen Stellantrieb
Fig. 2 eine strukturelle Darstellung eines Prozessventils
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der Energiequelle
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung der Diagnoseeinrichtung
In Fig. 1 ist eine Prozessventil 1 mit einem pneumatischen Stellantrieb 2 dargestellt. Das Prozessventil 1 besteht im wesentlichen aus einem Ventilkörper 111 mit zwei Flanschen 113 zum Anschluss jeweils einer Rohrleitung 3 für zuströmendes und abströmendes Prozessmedium und mit einem im Inneren des Ventilkörpers 111 angeordneten Ventilsitz 112. Darüber hinaus weist das Prozessventil 1 einen zum Ventilsitz 112 passenden Ventilteller 121 mit einer Ventilstange 122 auf.
Zur Betätigung des Prozessventils 1 ist ein pneumatischer Stellantrieb 2 vorgesehen, der mit Stützen 25 mechanisch starr mit dem Prozessventil 1 verbunden ist. Der pneumatische Stellantrieb 2 ist mit einem Prozessdruckanschluss 22 und einem Steuerdruckanschluss 23 versehen. Über den Prozessdruckanschluss 22 wird dem pneumatischen Stellantrieb 2 ein komprimiertes Arbeitsgas, bei dem es sich üblicherweise um Druckluft handelt, zugeführt. Dem Prozessventil 1 wird ein pneumatisches Steuersignal über den Steuerdruckanschluss 23 zugeführt. Der Abtrieb des Prozessventils 1 ist durch eine Hubstange 21 gebildet. Der Hubstange 21 wird in Abhängigkeit von dem pneumatischen Steuersignal durch das Arbeitsgas eine längs der Hubstange 21 gerichtete Bewegung aufgeprägt.
Die Hubstange 21 ist über eine Kupplung 24 mit der Ventilstange 122 verbunden. Damit wird in Abhängigkeit von dem pneumatischen Steuersignal der Ventilteller 121 zum Schließen des Prozessventils 1 in den Ventilsitz 112 gepresst und zum Öffnen des Prozessventils 1 von diesem abgehoben.
Das Prozessventil 1 ist in seinem zuströmenden Kanal mit einem Drucksensor 131 und einem Durchflusssensor 132 ausgestattet. Mit dem Drucksensor 131 wird der Druck des zuströmenden Prozessmediums abrufbar gemessen. Die Menge des durch das Prozessventil 1 fließenden Prozessmediums wird mit dem Durchflusssensor 132 abrufbar gemessen. Die Messwerte für den Druck und die Durchflussmenge sind durch eine entfernte Diagnoseeinrichtung 4 abrufbar.
Der Drucksensor 131 und der Durchflusssensor 132 sind gemäß Fig. 2 an eine Messwertverarbeitungseinrichtung 134 angeschlossen. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Prozessventil 1 darüber hinaus mit einem Positionssensor 133zur Bestimmung der Lage des Ventiltellers 121 zum Ventilsitz 112 ausgestattet, der gleichwohl an die Messwertverarbeitungseinrichtung 134 angeschlossen ist.
Weiterhin ist das Prozessventil 1 mit einer Kommunikationseinrichtung 135 zur drahtlosen Kommunikation ausgestattet, die mit der Messwertverarbeitungseinrichtung 134 verbunden ist. Die Kommunikationseinrichtung 135 besteht aus einer Funksendeeinrichtung und einer Funkempfangseinrichtung.
Darüber hinaus weist Prozessventil 1 eine autonome Energiequelle 136 zur Stromversorgung der Messwertverarbeitungseinrichtung 134 und der Kommunikationseinrichtung 135 auf. Die Energiequelle 136 besteht gemäß Fig. 3 aus einem Energiespeicher 1361 und einem Energiewandler 1362 zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie. Der Energiespeicher 1361 ist als Akkumulator ausgeführt. Alternativ kann der Energiespeicher 1361 als hochkapazitiver Kondensator ausgeführt sein.
In einer ersten Ausführungsform ist der Energiewandler 1362 primärseitig durch das strömende Prozessmedium gespeist. Dabei besteht der Energiewandler 1362 aus einer Turbine und einem angekoppelten Generator. Die kinetische Energie des strömenden Prozessmedium treibt die Turbine. Der angekoppelte Generator dient der Stromerzeugung.
In einer zweiten Ausführungsform ist der Energiewandler 1362 primärseitig durch die Hubbewegung des Ventiltellers 121 gespeist. Dabei besteht der Energiewandler 1362 aus einem Generator, wobei die Linearbewegung des Ventiltellers entsprechend in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden muss.
In einer dritten Ausführungsform ist der Energiewandler 1362 primärseitig durch das Arbeitsgas des pneumatischen Stellantriebs 2 gespeist. Dabei besteht der Energiewandler 1362 aus einer Turbine und einem angekoppelten Generator. Die kinetische Energie des strömenden Arbeitsgases treibt die Turbine. Der angekoppelte Generator dient der Stromerzeugung.
Gemäß Fig. 4 weist die Diagnoseeinrichtung 4 Bedienelemente 41, Anzeigeelemente 42, eine Kommunikationseinrichtung 43 zur drahtlosen Kommunikation und eine Verarbeitungseinrichtung 44 auf. Die Diagnoseeinrichtung 4 kann als stationäres Gerät ortsfest aus einem Energieversorgungsnetz gespeist sein. Alternativ kann die Diagnoseeinrichtung 4 als mobiles Gerät mit einem transportablen Energiespeicher, beispielsweise einem Akkumulator, ausgestattet sein. Die Kommunikationseinrichtung 43 besteht aus einer Funksendeeinrichtung und einer Funkempfangseinrichtung.
In einfachster Ausführung ist jedem Prozessventil 1 jeweils eine Diagnoseeinrichtung 4 zugeordnet. Dabei ist dem Prozessventil 1 und der Diagnoseeinrichtung 4 eine und dieselbe Kennung zugeordnet. Mittels dieser Kennung besteht eine eindeutige Zuordnung zwischen einem Prozessventil 1 und einer Diagnoseeinrichtung 4.
In einer erweiterten Ausführungsform sind einer Diagnoseeinrichtung 4 mehrere Prozessventile 1 zugeordnet. Dabei ist jedem Prozessventil 1 eine besondere Kennung zugewiesen. Die Diagnoseeinrichtung 4 weist genau die Kennungen der ihr zugeordneten Prozessventile 1 auf und ist in Abhängigkeit von dieser Kennung zur selektiven Kommunikation mit jeweils einem Prozessventil 1 geeignet.
Die Diagnoseeinrichtung 4 ist im Rahmen der Reichweite des Funkfeldes der Kommunikationseinrichtungen 43 und 135 beliebig positionierbar. Damit werden auf einfache und bequeme Weise schwer oder nicht zugänglich Prozessventile 1 auf den Grad ihrer Abnutzung hin überprüfbar. In gleicher Weise sind auch solche Prozessventile 1 schnell und einfach prüfbar, die zwar gut zugänglich aber wegen anderer Erschwernisse, wie beispielsweise hohe Umgebungstemperaturen, für die Vor- Ort-Prüfung sehr unbequem sind.
Während des Betriebs werden in dem Prozessventil 1 mindestens die Durchflussmenge durch das Prozessventil 1 und der Druck des Prozessmediums gemessen und abrufbar aufgezeichnet. Vorzugsweise wird darüber hinaus die Position des Ventiltellers 121 in dem Ventilkörper 111 gemessen und abrufbar aufgezeichnet. Alle Messwerte werden nach einem vorgebbaren Algorithmus gewichtet miteinander zu einer momentanen Belastungsgröße kombiniert. Die momentanen Belastungsgrößen werden über die Betriebszeit zu einer Gesamtbelastungsgröße saldiert. Die Gesamtbelastungsgröße wird mit Erfahrungswerten verglichen. Aus dem Vergleichsergebnis wird die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls des Prozessventils 1 bestimmt.
Dabei kann vorgesehen sein, die einzelnen Messwerte in der Messwertverarbeitungseinrichtung 134 des Prozessventils 1 miteinander zu kombinieren und die momentanen Belastungsgröße zur Gesamtbelastungsgröße zu saldieren. Vorteilhafterweise werden dadurch die zur Diagnoseeinrichtung 4 zu übertragenden Daten reduziert.
Alternativ kann vorgesehen sein, in der Messwertverarbeitungseinrichtung 134 des Prozessventils 1 die einzelnen Messwerte als solche abrufbar aufzuzeichnen. Bei Bedarf oder turnusmäßig werden die Messwerte von der Diagnoseeinrichtung 4 abgerufen und nach einem vorgebbaren Algorithmus gewichtet miteinander zu einer momentanen Belastungsgröße kombiniert. Die momentanen Belastungsgrößen werden über die Betriebszeit in der Diagnoseeinrichtung 4 zu einer Gesamtbelastungsgröße saldiert. Vorteilhafterweise sind die Messwerte dabei unter Verzicht auf Eingriffe in die Messwertverarbeitungseinrichtung 134 des Prozessventils 1 verschiedenen Algorithmen und statistischen Auswertungen unterziehbar. Dazu wird der Diagnoseeinrichtung 4 der gewünschte Algorithmus vorgegeben.
Die Wichtung der einzelnen Messwerte untereinander zu der momentanen Belastungsgröße ist abhängig von der Bauart und den verwendeten Werkstoffen des Prozessventils 1. Grundsätzlich ist jedoch die Abrasion bei gegebener Position des Ventiltellers 121 in dem Ventilkörper 111 proportional zur Durchflussmenge und zum Druck des zuströmenden Prozessmediums.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird während des Betriebs der Gasdruck des das Prozessventil 1 betätigenden pneumatischen Stellantriebs 2 gemessen und abrufbar aufgezeichnet. Aus dem Gasdruck und konstruktiven Konstanten des pneumatischen Stellantriebs 2 ergibt sich die auf den Ventilteller 121 wirkende Stellkraft. Beim Öffnen und Schließen des Prozessventils 1 werden jeweils die wirkenden Stellkräfte gemessen. Die Differenz der Stellkräfte ergibt eine Krafthysterese. Wird Kraft gegen Weg in einem Diagramm aufgetragen, läßt sich aus der Hysterese dieser Kurve die Reibungskraft der Stopfbuchse, ablesen. Die Stopfbuchse dichtet an der Ventilstange das Medium gegen die Umgebung. Die Reibungskraft oder deren Veränderung kann als Maß für Verschleiß' und Dichtigkeit der Stopfbuchse benutzt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist für selten betätigte Prozessventile 1 vorgesehen, dem prozessualen Stellsignal während des Betriebs vorgegebene Steilimpulse geringen Hubs und kurzer Dauer zu überlagern. Auf diese Weise wird dem Messwertmangel über längere Zeiträume für derartige Prozessventile 1 begegnet. Bezugszeichenliste 1 Prozessventil
111 Ventilkörper
112 Ventilsitz
113 Flansch
121 Ventilteller
122 Ventilstange
131 Drucksensor
132 Durchflusssensor
133 Positionssensor
134 Messwertverarbeitungseinrichtung
135 Kommunikationseinrichtung
136 Energiequelle
1361 Energiespeicher
1362 Energiewandler
2 Stellantrieb
21 Hubstange
22 Prozessdruckanschluss
23 Steuerdruckanschluss
24 Kupplung
25 Stütze
3 Rohrleitung
4 Diagnoseeinrichtung
41 Bedienelement
42 Anzeigeelement
43 Kommunikationseinrichtung
44 Verarbeitungseinrichtung

Claims

1. Prozessventil mit einem pneumatischen Stellantrieb, wobei das Prozessventil im wesentlichen aus einem Ventilkörper mit zwei Flanschen zum Anschluss jeweils einer Rohrleitung für zuströmendes und abströmendes Prozessmedium und einem im Inneren des Ventilkörpers angeordneten Ventilsitz sowie einem zum Ventilsitz passenden Ventilteller mit einer Ventilstange besteht, wobei die Ventilstange mit einer Hubstange des Stellantriebs verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
dass der Ventilkörper (111) mit einem Durchflusssensor (132) zur Erfassung des durch das Prozessventil (1) strömenden Prozessmediums ausgestattet ist,
dass der Ventilkörper (111) mit einem Drucksensor (131) zur Erfassung des Prozessdrucks des durch das Prozessventil (1) strömenden Prozessmediums ausgestattet ist,
dass eine Messwertverarbeitungseinrichtung (134) vorgesehen ist, an die der Durchflusssensor (132) und der Drucksensor (131) angeschlossen sind,
dass dem Prozessventil (1) eine Diagnoseeinrichtung (4) zugeordnet ist, die mit Bedienelementen (41), Anzeigeelementen (42) und einer Kommunikationseinrichtung (43) zur drahtlosen Kommunikation ausgestattet ist,
dass eine Kommunikationseinrichtung (135) zur drahtlosen Kommunikation mit der Diagnoseeinrichtung (4) vorgesehen und an die Messwertverarbeitungseinrichtung (134) angeschlossen ist und
dass eine autonome Energiequelle (136) zur Stromversorgung der Messwertverarbeitungseinrichtung (134) und der Kommunikationseinrichtung (135) vorgesehen ist.

2. Prozessventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilstange (122) mit einem Positionssensor (133) zur Bestimmung der Lage des Ventiltellers (121) zum Ventilsitz (112) ausgestattet ist und dass der Positionssensor (133) an die Messwertverarbeitungseinrichtung (134) angeschlossen ist.

3. Prozessventil nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die autonome Energiequelle (136) einen Energiespeicher (1361) und einen Energiewandler (1362) zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie umfasst.

4. Prozessventil nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die dem Energiewandler (1362) zugeführte kinetische Energie durch das strömende Prozessmedium gebildet ist.

5. Prozessventil nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die dem Energiewandler (1362) zugeführte kinetische Energie durch die Hubbewegung des Ventiltellers (121) gebildet ist.

6. Prozessventil nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die dem Energiewandler (1362) zugeführte kinetische Energie durch das Prozessgas zum Betrieb des pneumatischen Stellantriebs (2) gebildet ist.

7. Prozessventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass jedes Prozessventil (1) eine identifizierende Kennung aufweist und dass die Diagnoseeinrichtung (4) in Abhängigkeit von dieser Kennung zur selektiven Kommunikation mit jeweils einem Prozessventil (1) geeignet ist.

8. Verfahren zur Diagnose eines Prozessventils mit einem in einem Ventilkörper angeordneten Ventilteller zur Steuerung des freien Querschnitts einer von einem Prozessmedium durchströmten Rohrleitung in Abhängigkeit von einem prozessualen Stellsignal mit folgenden Schritten
während des Betriebs werden in dem Prozessventil (1) mindestens die Durchflussmenge durch das Prozessventil (1) und der Druck des Prozessmediums gemessen und abrufbar aufgezeichnet,
alle Messwerte werden nach einem vorgebbaren Algorithmus gewichtet miteinander zu einer momentanen Belastungsgröße kombiniert,
die momentanen Belastungsgrößen werden über die Betriebszeit zu einer Gesamtbelastungsgröße saldiert,
die Gesamtbelastungsgröße wird mit Erfahrungswerten verglichen und
aus dem Vergleichsergebnis wird die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls des Prozessventils (1) bestimmt.

9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs die Position des Ventiltellers (121) in dem Ventilkörper (111) gemessen und abrufbar aufgezeichnet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der Prozessdruck eines das Prozessventil (1) betätigenden pneumatischen Stellantriebs (2) gemessen und abrufbar aufgezeichnet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessventil (1) während des Betriebs mit vorgegebenen Stellimpulsen geringen Hubs und kurzer Dauer, die dem prozessualen Stellsignal überlagert werden, beaufschlagt wird.