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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines mit einer Hilfsenergie
angetriebenen Stellorgans gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Als
gattungsbildende Stellorgane sind Regelventile in der Automatisierungs-
und Prozesstechnik als sehr wichtige Elemente in der Steuerung und Regelung
der Prozesse allgemein bekannt. Ihre Zuverlässigkeit bestimmt entscheidend
die Qualität
des gesamten Regelprozesses. Während
des Betriebs auftretende Fehler können zu einem Ausfall des gesamten
Systems führen,
welches hohe Wartungskosten zur Folge hat. Eine frühzeitige
Diagnose und dadurch die Erkennung von Fehlern im Ventil können daher
solche Ausfälle
verhindern und als Folge auch die Kosten senken, welche durch einen
vorsorglichen Austausch von noch fehlerfrei arbeitenden Ventilen entstehen.
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Von
großem
diagnostischen Interesse sind insbesondere Leckagen von Ventilen
im geschlossenen Zustand. Durch Alterungsprozesse oder Verschmutzung
lässt die
Dichtwirkung des Ventilsitzes nach und es strömt trotz eines nach außen hin
signalisiertem geschlossenen Ventils weiterhin das Prozessmedium
durch das Ventil.
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Solche
Leckagen können
beispielsweise durch einen nachgeschalteten Durchflusssensor, welcher
zusätzlich
in die Prozessleitung eingebaut wird, detektiert werden. Solch ein
Sensor ist aber sehr teuer und es entsteht ein hoher Aufwand für die Montage
des Sensors. Auch ist der Energieverbrauch des Durchflusssensors
in der Regel so hoch, so dass er nicht von der Ventilsteuerung mitversorgt werden
kann, sondern eine zusätzliche
Versorgungsleitung benötigt.
Der Einbau solch eines Sensors erfolgt daher in der Regel auch nur,
wenn dieser bereits für
die Prozesssteuerung benötigt
wird. Darüber
hinaus ist aus der Dissertation von Sebastian Maria Mundry „Zustandsüberwachung
an Prozessventilen mit intelligenten Stellungsreglern", Shaker Verlag, Aachen,
2002, bekannt, dass Durchflusssensoren zur Messung des maximalen
Durchflusses nicht geeignet sind, die geringen Leckageströme zuverlässig zu
erfassen.
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Aus
derselben Veröffentlichung
ist ferner bekannt, dass die Strömung
eines unter Druck stehenden Fluids durch eine schmale Öffnung infolge
verschiedener physikalischer Effekte ein Schallsignal erzeugt. So
entstehen durch die auftretenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten starke
Verwirbelungen hinter der Öffnung
und durch den Druckabfall in der Strömung Kavitation. Die Turbulenz
und das Zerfallen der Kavitationsblasen erzeugen ein akustisches Signal,
welches direkt von der Strömungsgeschwindigkeit
und den Fluideigenschaften abhängig
ist. Das Signal besteht bei niedrigen Geschwindigkeiten aus einzelnen
Schallimpulsen, die durch den Zerfall der einzelnen Kavitationsblasen
entstehen, und geht bei hohen Geschwindigkeiten in ein weißes Rauschen über. Überdeckt
wird dieses akustische Signal durch die allgemeinen Prozessgeräusche in
der Anlage, welche durch Pumpen, allgemeine Strömungsgeräusche, chemische Prozesse,
etc. hervorgerufen werden.
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Bei
der Ausbreitung dieser Prozessgeräusche im Leitungssystem der
Anlage werden die Geräusche
abhängig
von ihrer Frequenz unterschiedlich stark gedämpft. Insbesondere die hohen
Frequenzen werden stark gedämpft,
so dass sich Prozessgeräusche
im Allgemeinen nur als niederfrequente akustische Signale (im kHz-Bereich) am Ventil
bemerkbar machen. Durch das Messen in höherfrequenten Bereichen können daher
die durch die Leckage erzeugten Geräusche von den allgemeinen Prozessgeräuschen unterschieden
werden. Es ist aus Leak Detection Service, Maintaining a Succesful
Valve and Trap Leak Detection Program using the Valve-Analyser System,
The 10th Annual Predictive Maintainance Technology National Conference,
November 9–12, 1998
bekannt, dass Ventilservicefirmen heute Ultraschallsensoren benutzen,
um die Geräuschsignale direkt
am Ventil, also in der Nähe
der Schallquelle zu messen. Zusätzlich
werden diese auch mit den Signalen von Ultraschallsensoren verglichen
die weiter stromauf- und stromabwärts im Rohrleitungssystem abgebracht
werden. Aus diesen Signalen kann dann eine Leckage detektiert werden
und es kann bei entsprechender Kalibrierung aus dem Signalpegel
sogar die Größe der Leckage
für das
Ventil bestimmt werden.
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Darüber hinaus
ist aus den
EP 1216375
B1 und
WO
00/73688 A1 bekannt, den Körperschall am Gehäuse des
Ventils oder mit diesem unmittelbar verbundenen Teilen aufzunehmen
und dem Stellungsregler zuzuführen,
in dem die Informationen ausgewertet und verarbeitet werden. Hierbei
wird das Ventil kontinuierlich überwacht,
wobei für
die Diagnose die bereits im Stellungsregler vorhandene Elektronik
und das Positionssignal mitgenutzt wird. Den Veröffentlichungen ist weiterhin
entnehmbar, dass hochfrequente Signale (>50 kHz) untersucht werden und dass das
Ultraschallspektrum im geschlossenen Zustand mit einem Signal im
leicht geöffneten
Zustand verglichen wird. Durch letztere Methode lassen sich ebenfalls
gut die Umgebungsgeräusche
reduzieren ohne dass an verschiedenen Stellen in und gegen die Flussrichtung
Vergleichsmessungen durchgeführt
werden müssen.
Die Mitnutzung der Stellungsgeberelektronik und des Positionssignals
reduziert zwar den Installationsaufwand für dieses Diagnosesystem, der
Ultraschallsensorkopf selbst muss aber weiterhin als zusätzliche
externe Einheit am Ventil montiert werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit möglichst
geringem Aufwand unter weitgehender Nutzung der für den bestimmungsgemäßen Gebrauch
des Stellorgans notwendigen und vorhandenen Mittel signifikante
Statussignale des zu überwachenden
Stellorgans aufzunehmen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht aus von einem mit einer Hilfsenergie angetriebenen
Stellorgan, dem die Hilfsenergie mit Hilfe eines Aktors zur Umsetzung
einer elektrischen Stellgröße in eine
physikalische Größe der Hilfsenergie
zugeführt
wird, wobei die Elemente des Aktors einen Regelkreis bilden.
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Erfindungsgemäß wird der
Aktor bei der Aufnahme von Statussignalen des Stellorgans entgegen seiner
bestimmungsgemäßen Wirkungsrichtung
des Signalflusses als Sensor betrieben. Dabei wird die Rückwirkung
des Stellorgans auf ein Element im Regelkreis des Aktors als Störgröße erfasst,
selektiert und bewertet. Im Einzelnen wird an dem beaufschlagten
Regelkreiselement ein Mischsignal bestehend aus dem Ist-Signal des Aktors
und Statussignalen des Stellorgans abgegriffen.
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Vorteilhafterweise
sind durch die Verwendung des bestimmungsgemäß vorhandenen Aktors als Sensor
für die
Rückwirkung
des Stellorgans zusätzliche
Schalt- und Bauelemente zur Signalaufnahme verzichtbar.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Sensorsignal aus der
Regelabweichung des Aktors abgeleitet. Vorteilhafterweise ist dabei
das an dem beaufschlagten Regelkreiselement abgreifbare Mischsignal
bis auf die Regelabweichung von der stationären Ist-Signal-Komponente des
Aktors befreit.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Sensorsignal aus der
Regelgröße des Aktors
abgeleitet. Dabei wird das Sensorsignal durch Filterung höherfrequenter
Signalanteile von der stationären
Ist-Signal-Komponente des Aktors getrennt.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die
dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines druckmittelbetriebenen Stellantriebs mit
einem Prozessventil
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2 eine
Prinzipdarstellung eines Stellungsreglers nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip
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3 eine
Prinzipdarstellung eines geregelten I/P-Umsetzers
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In
der 1 ist eine fragmentarisch angedeutete Rohrleitung 1 einer
nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ein Prozessventil 2 eingebaut.
Das Prozessventil 2 weist in seinem Inneren einen mit einem
Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörper 4 zur Steuerung
der Menge durchtretenden Prozessmediums 5 auf. Der Schließkörper 4 wird
von einem Stellantrieb 6 über eine Hubstange 7 linear
betätigt.
Der Stellantrieb 6 ist über
ein Joch 8 mit dem Prozessventil 2 verbunden.
An dem Joch 8 ist ein Stellungsregler 9 angebracht. Über einen
Positionsaufnehmer 10 wird der Hub der Hubstange 7 in den
Stellungsregler 9 gemeldet. Der erfasste Hub wird mit dem über eine
Kommunikationsschnittstelle 11 zugeführten Sollwert in einer Regeleinheit 18 verglichen
und der Stellantrieb 6 in Abhängigkeit von der ermittelten
Regelabweichung angesteuert. Die Regeleinheit 18 des Stellungsreglers 9 weist
einen I/P-Umsetzer zur Umsetzung einer elektrischen Regelabweichung
in einen adäquaten
Steuerdruck auf. Der I/P-Umsetzer der Regeleinheit 18 ist über eine Druckmittelzuführung 19 mit
dem Stellantrieb 6 verbunden.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung ist der Stellungsregler 9 nach den für sich bekannten
Düse-Prallplatte-Prinzip
aufgebaut. Wie in 2 dargestellt, basiert dieses
Prinzip auf einer Kraftwaage, bei der ein Waagebalken 15 durch
die Kraft eines Elektromagneten bestehend aus einem Topfmagneten 13,
in den eine Tauchspule 14 hineinragt, einerseits und die
Bestromung durch eine Düse 16,
für die
der Waagebalken 15 als Prallplatte ausgebildet ist, andererseits
im Gleichgewicht gehalten wird. Die Tauchspule 14 des Elektromagneten
wird über
die Anschlussklemmen 12 mit einem sollwertäquivalenten
Strom gespeist. Bei Stromerhöhung
wird die Tauchspule 14 tiefer in den Topfmagneten 13 hineingezogen
und dadurch die Düse 16 unter
der Prallplatte etwas mehr verschlossen. Dadurch entsteht eine Druckerhöhung an
der Druckmittelzuführung 21, die über den
pneumatischen Verstärker 20 an
den Stellantrieb 6 weitergegeben wird. Der Sollwertänderung
entsprechend wird das Prozessventil 2 verstellt. Über den
Positionsaufnehmer 10 wird die Stellung des Prozessventils 2 an
den Waagebalken 15 zurückgemeldet.
Dadurch kommt die Kraftwaage wieder in das Gleichgewicht.
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Während des
bestimmungsgemäßen Gebrauchs
wird das Prozessventil 2 in Abhängigkeit von seinem Betriebszustand
zum Schwingen angeregt. Die Anregungen können wie eingangs erwähnt verschiedene
Ursachen haben und führen
zu Schallerscheinungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen. So
sind Schallsignale im Bereich einiger Kilohertz ein Indiz für eine Leckage
währen
niederfrequente Schallsignale ein Hinweis auf Vibrationen des Prozessventil 2 sind.
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Diese
Schallsignale breiten sich im Prozessventil 2 aus und werden über die
unmittelbar mit dem Prozessventil 2 verbundenen Elemente
in das Druckmittelsystem des Stellantriebs 6 rückgekoppelt.
Die akustischen Signale werden dabei vor allem über die Ventilstange 7 auf
die Membran im Stellantrieb 6 und in das Gehäuse des
Stellantriebes 6 übertragen,
welche diese Signale wie eine große Lautsprechermembran verstärken und
an das Druckmittel weitergegeben. Insbesondere innerhalb des Stellantriebes 6 findet
hierbei eine große
Verstärkung
des akustischen Signals in das Druckmittel der Antriebskammer statt.
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Dabei
breiten sich die Schallsignale über
den pneumatischen Verstärker 20 auch
in die Druckmittelzuführung 19 und
die Düse 16 aus.
Die dadurch hervorgerufenen Druckschwankungen im Druckmittelsystem
bewirken über
das Düse-Prallplatte-System
eine mechanische Schwingung des Waagebalkens 15, die sich
in die Tauchspule 14 fortpflanzt, die der Schwingung folgend
in den Topfmagneten 13 eintaucht und wieder hervortritt.
Dabei wird in dem Elektromagneten ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das
in der Tauchspule 14 eine Wechselspannung induziert, die
an den Anschlussklemmen 12 dem sollwertäquivalenten Strom überlagert
abgreifbar und einer analytischen Verarbeitung zuführbar ist.
Damit sind zusätzliche
Sensoren verzichtbar. Die Leckageerkennung ist damit als reine Softwarelösung im
Stellungsregler 9 implementierbar.
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Zusätzlich zur
Leckageerkennung ist es mit der oben beschrieben Vorgehensweise
auch möglich,
weitere Geräusche
auszuwerten und zu analysieren, als die oben genutzten Strömungsgeräusche. Hierzu
gehören
insbesondere aber nicht abschließend Vibrationen des Prozessventils 2,
Leckagen im Antriebssystem im Stellantrieb 6 oder seinen
Zuleitungen, welche sich ähnlich
wie Leckagen im Prozessventil 2 als Geräusche im Druckmittel bemerkbar machen
können,
oder andere Fehlerquellen, welche ein Techniker heute vor Ort durch
Hören identifizieren würde. Dabei
kann vorgesehen sein, die Verarbeitung dieser zusätzlichen
Geräusche
durch eine entsprechende akustische Auswertung im Gerät vorzunehmen
oder durch die Weitergabe der Geräusche an eine zentrale Einrichtung,
wo sie von einem Techniker analysiert werden können, ohne dass er sich vor
Ort zum Prozessventil 2 begeben muss. Immer dann, wenn
beispielsweise am Prozessventil 2 ein starkes ungewöhnliches
Geräusch
entsteht, kann dieses in Form einer Geräuschdatei zur Diagnose an die
zentrale Einrichtung übertragen
werden. In der zentralen Einrichtung kann sowohl eine manuelle als auch
eine maschinelle Analyse der empfangenen Geräuschdatei vorgesehen sein.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zustandsdaten
des Stellorgans aus dem Amplitudenspektrum der rückgekoppelten akustischen Signale
abgeleitet werden. Dabei wird aus dem Auftreten charakteristischer
Spektralbilder auf zugehörige
Zustände
des Stellorgans geschlossen.
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Nach
einem alternativen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Zustandsdaten des Stellorgans aus den Pegeln der rückgekoppelten akustischen
Signale abgeleitet werden. Dieses Merkmal geht von der Erkenntnis
aus, dass bereits aus der Intensität des rückgekoppelten akustischen Signals
auf den Zustand des Stellorgans geschlossen werden kann.
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Nach
einem weiteren alternativen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Zustandsdaten des Stellorgans aus charakteristischen Mustern der
rückgekoppelten
akustischen Signale abgeleitet werden. Dabei wird von der Erkenntnis
ausgegangen, dass bestimmten Zuständen des Stellorgans jeweils
charakteristische Geräuschmuster
zuordenbar sind, deren Erkennung in dem rückgekoppelten akustischen Signal
auf den jeweiligen Zustand deutet.
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Zusätzlich kann
zur genaueren Spezifikation der Diagnose der aktuelle Zustand des
Stellorgans und/oder Stellantriebs, wie die in offene oder geschlossene
Position des Prozessventils 2, Hilfsenergie anliegend/nicht
anliegend, verwendet werden. Dieser aktuelle Zustand kann beispielsweise
aus den Soll-/Istsignalen oder allgemeinen Informationen über das
System abgeleitet werden.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung weist der Stellungsregler 9 unter Verwendung gleicher
Bezugszeichen für
gleiche Mittel gemäß 3 einen
I/P-Umsetzer 24 beliebiger
Bauart im Inneren einer kaskadierten Regelschleife auf, dessen Steuerdruck
gegen eine solldruckäquivalente
elektrische Spannung, die an der Anschlussklemme 12 bereitgestellt
wird, geregelt wird. Dazu ist ein Drucksensor 25 auf der
Druckmittelseite des I/P-Umsetzers 24 angeordnet, dessen
elektrisches Ausgangssignal mit der solldruckäquivalenten elektrischen Spannung summiert 22 auf einen
Regelverstärker 23 geschaltet ist.
Der Ausgang des Regelverstärkers 23 ist
mit dem elektrischen Eingang des I/P-Umsetzers 24 verbunden.
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Während des
bestimmungsgemäßen Gebrauchs
wird mittels des Regelverstärkers 23 ein elektrisches
Signal so vorgegeben, dass der Steuerdruck auf der Druckmittelseite
des I/P-Umsetzers 24 gleich dem vorgegebenen Solldruck
ist. Somit ist der druckgeregelte I/P-Umsetzers 24 ein
Aktor, der ein Regelkreisglied im Regelkreis zur Stellungsregelung des
Stellantriebs 6 für
das Prozessventil 2 ist.
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Die
vom Prozessventil 2 ausgehenden Schallsignale werden wie
vorstehend bereits beschrieben verstärkt in das Druckmittelsystem
rückgekoppelt
und breiten sich im Druckmittelsystem aus. Dabei werden Druckschwankungen
am Drucksensor 25 des druckgeregelten I/P-Umsetzers 24 in
eine adäquate
elektrische Wechselgröße umgesetzt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird die Wechselgröße an der
mit dem Bezugszeichen 31 bezeichneten Stelle im Regelkreis
aus der Regelgröße des druckgeregelten
I/P-Umsetzers 24 abgeleitet. Dabei wird das Sensorsignal
durch Filterung höherfrequenter
Signalanteile von der stationären
Ist-Signal-Komponente des druckgeregelten I/P-Umsetzers 24 getrennt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung wird die Wechselgröße an der
mit dem Bezugszeichen 32 bezeichneten Stelle im Regelkreis aus
der Regelabweichung des druckgeregelten I/P-Umsetzers 24 abgeleitet.
Vorteilhafterweise ist dabei das an dem beaufschlagten Regelkreiselement abgreifbare
Mischsignal bis auf die Regelabweichung von der stationären Ist-Signal-Komponente des
druckgeregelten I/P-Umsetzers 24 befreit.
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Beiden
Ausführungsformen
ist gemein, dass ein vorhandenes Regelkreiselement zu einem weiteren
Zweck nutzbar gemacht wird. Der Drucksensor 25 ist bereits
Bestandteil des vorbekannten, druckgeregelten I/P-Umsetzers 24 und
dient zur Regelung des Steuerdrucks für den Stellantrieb 6.
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- 1
- Rohrleitung
- 2
- Prozessventil
- 3
- Ventilsitz
- 4
- Schließkörper
- 5
- Prozessmedium
- 6
- Stellantrieb
- 7
- Ventilstange
- 8
- Joch
- 9
- Stellungsregler
- 10
- Positionsaufnehmer
- 11
- Kommunikationsschnittstelle
- 12
- Anschlussklemme
- 13
- Topfmagnet
- 14
- Tauchspule
- 15
- Waagebalken
- 16
- Düse
- 17
- Speichereinrichtung
- 18
- Regeleinheit
- 19,
21
- Druckmittelzuführung
- 20
- Pneumatischer
Verstärker
- 22
- Summation
- 23
- Regelverstärker
- 24
- I/P-Umsetzer
- 25
- Drucksensor
- 31,
32
- Signalabgriff