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Die Erfindung betrifft einen Ventilstellungsgeber zur Bestimmung der Stellung eines Ventils und ein Verfahren zur Auswertung der Messergebnisse gemäß der Lehre der Patentansprüche 1 und 3.
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Unter einem Ventilstellungsgeber soll ein vorzugsweise mit einen magnetischen Positionssensor ausgerüsteter Geber verstanden werden, der die Stellung eines von einem Aktor getriebenen Ventils anhand der Position der Ventilwelle oder eines gleich wirkenden mechanischen Bauteils permanent erfasst, die Messwerte abspeichert und /oder über eine (Bus-)Schnittstelle an eine übergeordnete Steuereinheit überträgt. Wobei vorzugsweise ein Winkel, aber auch eine lineare Position erfasst wird.
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Derartige Ventilstellungsgeber werden u. a. auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
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Es ist bekannt, weitere Sensoren im Gehäuse des Ventilstellungsgebers unterzubringen, oder eine Klemmleiste für den Anschluss weiterer Sensoren vorzusehen. Die
DE 10 2006 041 056 C5 offenbart einen derartigen Drehgeber, der zu den Drehgebersignalen korrespondierende Messwerte wie Lagertemperaturen oder Schwingungswerte erfasst, und gemeinsam mit den die Ventilstellung betreffenden Signalen an eine Überwachungseinheit überträgt, oder im Falle einer Überschreitung oder Unterschreitung von vorgegebenen Vergleichswerten selbst eine Fehlermeldung erzeugt, um die Überwachungseinheit zu entlasten. Außerdem wird eine vereinfachte Fehleranalyse bei einem Ausfall der betreffenden Anlage vorgeschlagen, was die Speicherung einer Historie der Messwerte über einen bestimmten Zeitraum erfordert, wobei ein erheblicher Speicher- und Verarbeitungsaufwand entsteht.
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Die
US 2014 0 305 525 A1 beschreibt ein Selbstdiagnoseventil mit einem aus einem Magneten und einem Sensorarray bestehenden magnetischen Positionssensor, einer Steuereinheit einem (Daten-) Speicher und einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle.
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Die Steuereinheit überwacht die Ventilgesundheit, wobei Ventilleistungsmessdaten mit Zeitstempeln versehen und abgespeichert werden.
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Ein Regler vergleicht jede Position des Ventils mit im Speicher hinterlegten Betriebsdaten und erzeugt bei über die Toleranzen hinausgehende Abweichungen ein Alarmsignal.
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Allerdings werden lediglich die Betriebsdaten des Ventils direkt erfasst. Änderungen der Viskosität und der inneren Fließspannung (icreased fluid friction) werden aus der Positionsmessung abgeleitet. Eine ebenfalls vorgeschlagene Kommunikation über ein Netzwerk kann für schnelle Entscheidungen zu zeitaufwändig sein und wird deshalb als nachteilig angesehen.
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Ein dem Ventil zugeordneter externen Sensor, der eine physikalische Messgröße des durch das Ventil fließenden Mediums erfasst, ist hier nicht offenbart.
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Die
WO 2013 130 539 A2 beschreibt ein Verfahren zur „zeitgestempelten“ Emissionsdatensammlung in einem Prozesskontrollsystem mit Aktoren und Positionssensoren für Ventile, Sensoren für Ventil-Betriebsparameter und für Prozessvariable. Außerdem sind eine Steuereinheit, Speichermodule, Kommunikationsmodule und ein Zeitgeber vorhanden.
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Die Positionserfassung erfolgt entweder in regelmäßigen Abständen oder auf Anforderung durch eine unerwartete Änderung eines Prozessparameters (Auslöser), wobei ein Zeitwert t als Funktion eines Positionsparameters erfasst wird. Der externe Sensor erfasst eine physikalische Messgröße eines Mediums, die als mit einem Zeitstempel versehener Messwert gespeichert wird.
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Allerdings dienen die Zeitstempel zur Erhöhung der Messgenauigkeit bei der Quantifizierung von z. B. über einen bestimmten Zeitraum freigesetzter (schädlicher) Gase, weil eine (Zeit-) Stempelung in einem Hostsystem wegen der zusätzlichen Zeitverzögerung durch die Daten- (fern-) Übertragung zu ungenau ist, siehe [0009]. Ein dem Ventil zugeordneter externen Sensor, der eine physikalische Messgröße des durch das Ventil fließenden Mediums erfasst, ist hier nicht offenbart.
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Die
WO 2010 140 930 A1 beschreibt ein Diagnosesystem und ein Verfahren (zur Steuerung) eines Durchflussventils in einem Industrieofen, wobei mindestens zwei Sensoren zur Messung von Druck und Temperatur auf beiden Seiten des Ventils, des Durchflusses, der Ventilposition und/oder der zeitlichen Veränderung einer dieser Größen vorhanden sind.
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Wie die Figur zeigt, werden sämtliche Sensoren von der zentralen Steuerung abgefragt, was separate elektrische Leitungen zu jedem Sensor erfordert. Dieser Aufwand wird als nachteilig angesehen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Aufwand zu reduzieren und die Überwachungseinheit weiter zu entlasten.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 3 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, neben den genannten, auf das Ventil bezogenen Daten auch Mediendaten, insbesondere die Temperatur oder den Druck eines durch das Ventil strömenden vorzugsweise flüssigen Mediums zu erfassen, und mit den auf das Ventil oder die technische Anlage bezogenen Messwerten in Verbindung zu bringen.
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Um diese Datenflut zu bewältigen, wird vorgeschlagen, an Stelle der üblichen zeitabhängigen Erfassung der Position der Ventilwelle, die zu einem bestimmten Winkel oder auch zu einer bestimmten linearen Position gehörenden Zeitwerte als Funktion t(w) abzuspeichern.
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Der Vorteil besteht darin, dass die Zahl der Messwerte nicht mehr von der Winkelgeschwindigkeit v abhängt, was deren Anzahl insbesondere bei schwankender Winkelgeschwindigkeit reduzieren kann.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, die Messwerte in Form von Nomogrammen abzulegen, und /oder einem Bediener über eine Überwachungseinheit in dieser Form anzuzeigen.
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Dadurch können irreführende Fehlermeldung unterdrückt, oder mit Kommentaren wie „zulässige Medientemperatur unterschritten“ an die genannte Überwachungseinheit weitergegeben oder einem Bediener angezeigt werden.
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Beispielsweise kann ein erkaltendes Medium wie Stearin oder Schokolade die Ventilbewegung bis zum Stillstand verlangsamen, was bisher als Funktionsstörung aufgefasst und als solche angezeigt, oder als Indikator für den alsbaldigen Ausfall des Ventils gespeichert wurde.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen intelligenten Ventilstellungsgeber in einem Blockschaltbild.
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Ein Winkelsensor 1 und ein externer Sensor 2, beispielsweise zur Erfassung der Medientemperatur, sind beide mit einer hier als Mikrocontroller dargestellten Signalverarbeitungseinheit 3 verbunden. Die zur Auswertung des Magnetsensors notwendige Messbrücke, Verstärkereinheiten und Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung der Messwerte wurden zur besseren Übersicht weggelassen, weil sie als nicht erfindungswesentlich und als der Fachwelt hinreichend bekannt erachtet werden.
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Die Signalverarbeitungseinheit 3 ist mit einem als EPROM bezeichneten Datenspeicher 4 verbunden, der neben Messwerten auch Programme speichern, und optional genauso wie die A/D-Wandler auch Bestandteil eines Mikrocontrollers µC sein kann. Weiterhin werden ein binärer Schaltausgang 5 und ein Alarmausgang 6 von der Überwachungseinheit 3 gesteuert. Mindestens ein Schaltausgang 5 ist als IO-Link Slave ausgebildet, und dient zur Kommunikation mit einer als IO-Link Master bezeichneten übergeordneten Überwachungseinheit 8, die zum Beispiel auch ein Host-Rechner sein kann.
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Der mit der Welle eines Magnetventils 9 gekoppelte Winkelsensor 1 ist permanent aktiv und erfasst eine nachfolgend als Winkel w bezeichnete Position der Ventilwelle, die bei Erreichen bestimmter Positionen im Bereich zwischen 0° und 180° in Schritten von 0,5° erfindungsgemäß als Zeitwerte t(w) im EPROM 4 gespeichert werden.
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Der Sensor 2 erfasst die Temperatur, den Druck oder die Strömungsgeschwindigkeit eines durch das Ventil fließenden Mediums 10, ohne die Erfindung auf diese Messgrößen zu beschränken. Erfindungsgemäß werden allerdings ausschließlich Medienparameter erfasst. Das Medium kann z. B. Stearin oder Schokolade sein, die bei Untertemperatur das Ventil 9 vollständig blockieren können.
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Die Messwerte des Winkelsensors 1 werden als Zeitwert t(w) erfasst und im EPROM 4 gespeichert.
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So sind für die Ventilbewegung in dem oben genannten Fall lediglich 360 Messwerte zu speichern.
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Die Messwerte des externen Sensors 2 werden erfindungsgemäß beispielsweise als Temperaturwert T(w) des Winkels w erfasst und gespeichert, so dass sie ohne weiteres mit denen des Winkelsensors in Verbindung gebracht werden können.
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Die Messwerte werden erfindungsgemäß mit eingelesenen oder eingelernten erlaubten Werten verglichen, wobei die erlaubten Werte als Kurvenschaaren (Nomogramme) im EPROM 4 abgelegt sind, und natürlich auch mit Hilfe der Überwachungseinheit 8 ausgelesen oder angezeigt werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ventilstellungsüberwachung mit einem Ventilstellungsgeber umfasst die permanente Erfassung eines Winkels oder einer linearen Position, wobei ein Zeitwert t als Funktion eines Ventilstellungsparameters w erfasst wird, und ein externer Sensor 2 eine physikalische Messgröße T eines Mediums 10 erfasst, wobei die Messwerte als Funktionen t(w) und T(w) gespeichert und weiter verarbeitet werden.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für die Prüfmerkmale:
- - Ventilstellung „Offen“,
- - Ventilstellung „Geschlossen“,
- - Ventilstellung „Reinigen“,
- - Bewegungsdauer „Öffnen“ und
- - Bewegungsdauer „Schließen“
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Grenzwerte oder erlaubte Parameter eingelesen oder eingelernt, bei deren Überschreitung oder Unterschreitung ein Alarmsignal oder ein Diagnosesignal erzeugt wird, wobei Alarmsignale vom Alarmausgang 6 angezeigt, und Diagnosesignale im EPROM 4 gespeichert und über den IO-Link weitergegeben werden. Insbesondere können durch das Medium 10 verursachte „Störungen“ oder Unregelmäßigkeiten bereits vom Ventilstellungsgeber erkannt und entsprechend bewertet werden.
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Zu diesem Zweck wird der Bewegungsablauf t(w) des Ventils mit einer medienabhängigen physikalischen Messgröße T korreliert, wobei T ein Druck oder eine Temperatur oder eine Strömungsgeschwindigkeit ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Positionssensor, vorzugsweise ein Winkelsensor, aber auch ein linearer Positionssensor
- 2
- Externer Sensor
- 3
- Signalverarbeitungseinheit
- 4
- EPROM (Datenspeicher)
- 5
- Schaltausgang
- 6
- Alarmausgang
- 7
- Schnittstelle, z. B. IO-Link Slave
- 8
- Überwachungseinheit mit einem IO-Link Master
- 9
- (Magnet-) Ventil
- 10
- Ein durch das Ventil 9 fließendes Medium
- t
- Zeit
- T
- Messgröße wie Temperatur, Druck oder Strömungsgeschwindigkeit
- v
- Winkelgeschwindigkeit
- w
- Positionsparameter, vom Positionssensor 1 erfasste(r) Winkel oder eine lineare Position
