DE102018216338B4

DE102018216338B4 - Diagnoseeinrichtung, System, Verfahren und Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE102018216338B4
Application number: DE102018216338.3A
Authority: DE
Inventors: Bastian Fassbender; Patrick Laux; Holger Steltner
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: FI20195730A1; DE102018216338A1; US20200096132A1; FI130371B; US11802631B2

Abstract

Diagnoseeinrichtung (1) für einen Ventilantrieb (19) mit einem Antriebselement (9) zum Antrieb eines Ventilglieds (14) eines Prozessventils (12), wobei die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, eine Spiel-Detektionsprozedur auszuführen, um Spiel zwischen dem Antriebselement (9) und dem Ventilglied (14) zu detektieren und gemäß dem detektierten Spiel eine Spiel-Information bereitzustellen,dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, die Spiel-Detektionsprozedur in Ansprechen auf ein erstes Stellungssignal auszuführen, wobei das erste Stellungssignal eine Soll-Stellung für das Antriebselement (9) und/oder das Ventilglied (14) vorgibt, wobei die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, bei der Spiel-Detektionsprozedur eine frühere Stellung des Antriebselements (9) zu berücksichtigen, die durch ein zweites Stellungssignal bewirkt wurde, das vor dem ersten Stellungssignal bereitgestellt wurde, wobei die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, die frühere Stellung als einen Stellungsreferenzwert zu speichern, wobei als der Stellungsreferenzwert die minimale und/oder maximale Auslenkung des Antriebselements (9) seit einer letzten Änderung der Bewegungsrichtung erfasst wird, wobei eine zyklische oder kontinuierliche Aktualisierung des Stellungsreferenzwerts erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Diagnoseeinrichtung für einen Ventilantrieb. Der Ventilantrieb verfügt über ein Antriebselement zum Antrieb eines Ventilglieds eines Prozessventils.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren zur Diagnose eines Ventilantriebs und/oder einer Ventilarmatur bekannt.
So beschreibt die EP 2 562 455 B1 für ein Stellgerät mit einer Stellarmatur die Bestimmung eines Kräftegleichgewichts zwischen einer Haltekraft und einer Antriebskraft auf Basis von erfasstem Schall.
Ferner beschreibt die EP 2 381 149 B1 ein Verfahren zum Bestimmen der Stellung eines Ventils. Ein Druck wird kontinuierlich im Zeitverlauf erfasst und eine Druckänderung in dem Zeitverlauf ermittelt. Auf Basis der Druckänderung wird eine physikalische Verfahrgröße, wie die Stellung, die Verfahrzeit oder der Stellweg des Ventils bestimmt.
Die DE 10 2017 124 293 A1 beschreibt ein Diagnoseverfahren für ein Stellgerät mit einer Antriebswelle, die mit einer Stellwelle drehfest verbunden ist. Bei einer Bewegung der Antriebswelle wird ein erstes Messsignal erfasst und hinsichtlich einer sprungartigen Änderung ausgewertet, um Drehspiel zu erkennen. Das erste Messignal kann ein Druck-Messsignal, ein Stellungs-Messsignal oder ein Geschwindigkeits-Messsignal sein.
Die DE 10 2012 111 883 A1 beschreibt ein Verfahren zur technischen Zustandsprüfung von drehantreibbaren Armaturen. Nachdem sich eine Armatur aus ihrer Ruhelage zu bewegen begonnen hat, wird ein Drehmomentverlauf gemessen. Es wird erwähnt, dass bei einem gegenüber einer Referenzmessung verringertem Drehmomentverlauf die Ursache in zu viel Spiel liegen kann. Ferner wird ein Losreißmoment gemessen, bei dem die Armatur in Bewegung versetzt wird. Es wird erwähnt, dass ein Losreißmoment, das unter einem Referenzwert liegt, durch zu viel Spiel innerhalb der Armatur bedingt sein kann.
Die DE 20 2004 020 347 U1 beschreibt einen pneumatischen Schwenkantrieb mit einer Antriebswelle, die mit einer Stellwelle gekoppelt ist. Mit einem ersten Weg-Sensor wird die Stellung der Antriebswelle erfasst und mit einem zweiten Weg-Sensor die Stellung der Stellwelle. Mittels der Sensoren kann ein Vergrößern des Spiels im Verlauf des Betriebs überwacht werden (z.B. auf Basis einer Winkeldifferenz).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Diagnoseeinrichtung so zu modifizieren, dass die Betriebssicherheit erhöht werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Diagnoseeinrichtung gemäß Anspruch 1. Die Diagnoseeinrichtung ist ausgebildet, eine Spiel-Detektionsprozedur auszuführen, um Spiel zwischen dem Antriebselement und dem Ventilglied zu detektieren und gemäß dem detektierten Spiel eine Spiel-Information bereitzustellen. Die Diagnoseeinrichtung ist ausgebildet, die Spiel-Detektionsprozedur in Ansprechen auf ein erstes Stellungssignal auszuführen, wobei das erste Stellungssignal eine Soll-Stellung für das Antriebselement und/oder das Ventilglied vorgibt, wobei die Diagnoseeinrichtung ausgebildet ist, bei der Spiel-Detektionsprozedur eine frühere Stellung des Antriebselements zu berücksichtigen, die durch ein zweites Stellungssignal bewirkt wurde, das vor dem ersten Stellungssignal bereitgestellt wurde. Die Diagnoseeinrichtung ist ausgebildet, die frühere Stellung als einen Stellungsreferenzwert zu speichern, wobei als der Stellungsreferenzwert die minimale und/oder maximale Auslenkung des Antriebselements seit einer letzten Änderung der Bewegungsrichtung erfasst wird, wobei eine zyklische oder kontinuierliche Aktualisierung des Stellungsreferenzwerts erfolgt.
Zwischen dem Antriebselement und dem Ventilglied kann im Lauf der Zeit aufgrund von beispielsweise Abnutzung, Lockerung, Korrosion oder Ähnlichem Spiel entstehen und zunehmen. Spiel bedeutet, dass das Ventilglied relativ zum Antriebselement bewegbar ist, und zwar in Richtung der von dem Antriebselement bereitgestellten Antriebsbewegung. Es ergibt sich ein Bereich - nachstehend auch als Spiel-Bereich bezeichnet - in dem das Antriebselement seine Antriebsbewegung durchführt, das Ventilglied aufgrund des Spiels jedoch noch nicht mitgeführt wird, sondern in seiner aktuellen Stellung verbleibt. Der Spiel-Bereich ist insbesondere ein linearer und/oder rotativer Auslenkungsbereich, in dem das Antriebselement und das Ventilglied unabhängig voneinander in Antriebsrichtung bewegt werden können. Erst nachdem die relative Auslenkung des Antriebselements zum Ventilglied den Spiel-Bereich verlässt, wird das Ventilglied vom Antriebselement mitgeführt, also von diesem angetrieben.
Als Folge von zunehmendem Spiel ist es möglich, dass die tatsächliche Stellung des Ventilglieds immer stärker von einer vorgegebenen und/oder gemessenen Stellung, insbesondere einer vorgegebenen und/oder gemessenen Stellung des Antriebselements, abweicht. Im Extremfall kann das Ventilglied aufgrund von Spiel zwischen dem Antriebselement und dem Ventilglied nicht mehr ganz geschlossen und/oder nicht mehr bewegt werden. Hierdurch wird die Betriebssicherheit beeinträchtigt.
Dadurch, dass die Diagnoseeinrichtung ausgebildet ist, die Spiel-Detektionsprozedur auszuführen und gemäß dem detektierten Spiel eine Spiel-Information bereitzustellen, kann das Vorhandensein, und vorzugsweise auch das Ausmaß, des Spiels frühzeitig erkannt werden. Es wird möglich, schon frühzeitig auf das vorhandene Spiel zu reagieren, beispielsweise indem gemäß der bereitgestellten Spiel-Information die Notwendigkeit einer Wartung bestimmt und eine entsprechende Wartungs-Information bereitgestellt wird. Durch die Erfassung des Spiels und die Bereitstellung der Spiel-Information kann folglich die Betriebssicherheit erhöht werden.
In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Detektion des Spiels mithilfe von bereits vorhandener Sensorik - insbesondere mithilfe einer bereits zur Stellungserfassung des Antriebselements vorhandenen Stellungssensoreinheit und/oder mithilfe von einer bereits vorhandenen Drucksensoreinheit. Eine Sensorik zur direkten Erfassung der Stellung des Ventilglieds wird zweckmäßigerweise nicht benötigt und ist vorzugsweise auch nicht vorhanden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion von Spiel zwischen einem Antriebselement eines Ventilantriebs und einem von dem Antriebselement angetriebenen Ventilglied eines Prozessventils, umfassend die Schritte: Durchführen einer Spiel-Detektionsprozedur, um Spiel zwischen dem Antriebselement und dem Ventilglied zu detektieren, und Bereitstellen einer Spiel-Information gemäß dem detektierten Spiel. Die Spiel-Detektionsprozedur wird in Ansprechen auf ein erstes Stellungssignal ausgeführt wird, wobei das erste Stellungssignal eine Soll-Stellung für das Antriebselement und/oder das Ventilglied vorgibt, wobei bei der Spiel-Detektionsprozedur eine frühere Stellung des Antriebselements berücksichtigt wird, die durch ein zweites Stellungssignal bewirkt wurde, das vor dem ersten Stellungssignal bereitgestellt wurde. Als die frühere Stellung wird ein Stellungsreferenzwert gespeichert, wobei als der Stellungsreferenzwert die minimale und/oder maximale Auslenkung des Antriebselements seit einer letzten Änderung der Bewegungsrichtung erfasst wird, wobei eine zyklische oder kontinuierliche Aktualisierung des Stellungsreferenzwerts erfolgt.
Das Verfahren wird zweckmäßigerweise mithilfe der beschriebenen Diagnoseeinrichtung durchgeführt und/oder ist gemäß einer der beschriebenen Ausgestaltungen der Diagnoseeinrichtung weitergebildet.
Die Erfindung betrifft ferner ein System, umfassend ein Prozessventil mit einem Ventilglied, einen Ventilantrieb mit einem Antriebselement zum Antrieb des Ventilglieds und eine Steuereinrichtung, die dazu dient, einen Arbeitsdruck zur Betätigung des Ventilantriebs bereitzustellen, sowie einen externen Server, der über ein Gateway und/oder ein Weitverkehrsnetz mit der Steuereinrichtung verbunden ist, wobei das System eine Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 1 umfasst, die auf dem externen Server implementiert ist und die ausgebildet ist eine Spiel-Detektionsprozedur auszuführen, um Spiel zwischen dem Antriebselement und dem Ventilglied zu detektieren und gemäß dem detektierten Spiel eine Spiel-Information bereitzustellen, das Spiel auf Basis einer Stellung und/oder Geschwindigkeit des Antriebselements und/oder auf Basis eines dem Ventilantrieb bereitgestellten Drucks zu detektieren, einen zeitlichen Verlauf der Stellung und/oder Geschwindigkeit des Antriebselements und/oder des bereitgestellten Drucks zu erfassen, innerhalb des erfassten zeitlichen Verlaufs eine Signalcharakteristik zu detektieren und auf Basis der detektierten Signalcharakteristik das Spiel zu detektieren, und als die Signalcharakteristik eine Verringerung der Geschwindigkeit des Antriebselements und/oder eine Erhöhung des Drucks zu detektieren.
Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinrichtung, die als Stellungsregler, Steuerkopf und/oder Positioner ausgeführt ist, wobei die Steuereinrichtung zur Bereitstellung eines Arbeitsdrucks zur Betätigung eines Ventilantriebs mit einem Antriebselement zum Antrieb eines Ventilglieds eines Prozessventils dient, wobei die Steuereinrichtung zur Bereitstellung des Arbeitsdrucks über eine Fluideinrichtung verfügt, wobei die Steuereinrichtung ferner ein Gehäuse umfasst, in dem die Fluideinrichtung und eine Stellungssensoreinheit zur Erfassung einer Stellung des Antriebselements untergebracht sind, wobei in der Steuereinrichtung eine Diagnoseeinrichtung nach Anspruch 1 implementiert ist, die ausgebildet ist: eine Spiel-Detektionsprozedur auszuführen, um Spiel zwischen dem Antriebselement und dem Ventilglied zu detektieren und gemäß dem detektierten Spiel eine Spiel-Information bereitzustellen, das Spiel auf Basis einer Stellung und/oder Geschwindigkeit des Antriebselements und/oder auf Basis eines dem Ventilantrieb bereitgestellten Drucks zu detektieren, einen zeitlichen Verlauf der Stellung und/oder Geschwindigkeit des Antriebselements und/oder des bereitgestellten Drucks zu erfassen, innerhalb des erfassten zeitlichen Verlaufs eine Signalcharakteristik zu detektieren und auf Basis der detektierten Signalcharakteristik das Spiel zu detektieren, und als die Signalcharakteristik eine Verringerung der Geschwindigkeit des Antriebselements und/oder eine Erhöhung des Drucks zu detektieren.
Eine beispielhafte Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Systems umfassend eine Diagnoseeinrichtung, einen Ventilantrieb und ein Prozessventil;
2 drei Signalverläufe in dem Fall, in dem Spiel vorhanden ist;
3 drei Signalverläufe in dem Fall, in dem kein Spiel vorhanden ist;
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Detektion von Spiel.

Die 1 zeigt ein System 10, das eine exemplarische Einsatzumgebung für die erfindungsgemäße Diagnoseeinrichtung 1 darstellt. Das System 10 umfasst die Diagnoseeinrichtung 1, einen Ventilantrieb 19 und ein Prozessventil 12.
Die Diagnoseeinrichtung 1 ist exemplarisch in einer Steuereinrichtung 2, die insbesondere als Stellungsregler, Steuerkopf und/oder Positioner ausgebildet ist, implementiert. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Diagnoseeinrichtung 1 auch auf einem externen Server 17 implementiert sein, der exemplarisch über ein Gateway 16 und/oder ein Weitverkehrsnetz 18, insbesondere das Internet, mit der Steuereinrichtung 2 verbunden ist.
Der Ventilantrieb 19 umfasst ein Antriebselement 9 zum Antrieb eines Ventilglieds 14 des Prozessventils 12. Die Diagnoseeinrichtung 1 ist ausgebildet, eine Spiel-Detektionsprozedur auszuführen, um Spiel zwischen dem Antriebselement 9 und dem Ventilglied 14 zu detektieren und gemäß dem detektierten Spiel eine Spiel-Information bereitzustellen.
Im Folgenden sollen weitere exemplarische Details erläutert werden.
Zunächst zur Steuereinrichtung 2:
Die Steuereinrichtung 2 dient dazu, einen Arbeitsdruck zur Betätigung des Ventilantriebs 19 bereitzustellen. Die Steuereinrichtung 2 verfügt zu diesem Zweck insbesondere über eine Fluideinrichtung 4, beispielsweise ein oder mehrere Pilotventile.
Exemplarisch ist eine Sensoranordnung vorgesehen, die insbesondere eine Drucksensoreinheit 22 umfasst, um den Druck zu messen, der dem Ventilantrieb 19 bereitgestellt wird. Der Druck wird beispielsweise an der Fluideinrichtung 4, einer Druckkammer 7 des Ventilantriebs 19 und/oder einer (in den Figuren nicht gezeigten) fluidischen Leitung zwischen der Steuereinrichtung 2 und dem Ventilantrieb 19 gemessen. Die Drucksensoreinheit 22 ist exemplarisch Teil der Steuereinrichtung 2, kann alternativ dazu aber auch separat von der Steuereinrichtung 2 bereitgestellt werden.
Die Steuereinrichtung 2 verfügt ferner über eine Steuereinheit 3, die exemplarisch einen oder mehrere Prozessoren aufweist und dazu ausgebildet ist, die Fluideinrichtung 4 anzusteuern, insbesondere gemäß einem in der Steuereinheit 3 hinterlegten, an den Ventilantrieb 19 angepassten Steuer- und/oder Reglermodell. Die Steuereinheit 3 ist beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet.
Die Steuereinrichtung 2 verfügt ferner exemplarisch über eine Kommunikationseinrichtung 5, mit der die Steuereinrichtung 2 insbesondere mit einer (nicht gezeigten) übergeordneten Steuerung kommunizieren kann, um beispielsweise einen Steuerbefehl zu erhalten, gemäß dem die Fluideinrichtung 4 anzusteuern ist. Der Steuerbefehl umfasst insbesondere ein Stellungssignal, das eine Stellung für das Antriebselement 9 und/oder das Ventilglied 14 vorgibt. Die Kommunikationseinrichtung 5 kann zur Kommunikation mit dem (optional vorhandenen) externen Server 17 verwendet werden.
Die Sensoranordnung umfasst exemplarisch eine Stellungssensoreinheit 21, um die Stellung - beispielsweise eine Drehstellung und/oder eine lineare Auslenkung - des Antriebselements 9 zu erfassen. Die Stellungssensoreinheit 21 kann insbesondere ausgebildet sein, die Stellung des Antriebselements 9 magnetisch (also durch Erfassen eines Magnetfelds eines an dem Antriebselement 9 befestigten Magneten), optisch und/oder mechanisch zu erfassen. Exemplarisch ist die Stellungssensoreinheit 21 Teil der Steuereinrichtung 2; alternativ dazu kann die Stellungssensoreinheit 21 auch separat von der Steuereinrichtung 2 bereitgestellt sein. Die Stellungssensoreinheit 21 umfasst insbesondere einen Magnetsensor.
Vorzugsweise umfasst die Steuereinrichtung 2, insbesondere das gesamte System 10 über keine Sensorik zur direkten Erfassung der Stellung des Ventilglieds 14. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinrichtung 2 ausgebildet, die Stellung des Ventilglieds 14 indirekt zu erfassen - nämlich über die durch die Stellungssensoreinheit 21 erfasste Stellung des Antriebselements 9.
Zweckmäßigerweise verfügt die Steuereinrichtung 2 über ein Gehäuse, in dem die Steuereinheit 3, die Fluideinrichtung 4, die Kommunikationseinrichtung 5, die Drucksensoreinheit 22 und/oder die Stellungssensoreinheit 21 untergebracht sind. Das Gehäuse verfügt optional über eine (nicht gezeigte) mechanische Schnittstelle, mit dem es an den Ventilantrieb 19 angebracht werden kann.
Nun zum Ventilantrieb 19:
Der Ventilantrieb 19 ist exemplarisch als einfachwirkender Ventilantrieb ausgeführt, kann alternativ dazu aber auch als doppeltwirkender Ventilantrieb ausgeführt sein. Ferner ist der Ventilantrieb 19 exemplarisch als Dreh- bzw. Schwenkantrieb ausgeführt und kann alternativ auch als Linearantrieb ausgeführt sein.
Der Ventilantrieb 19 verfügt über wenigstens eine Druckkammer 7 und eine Kolbenanordnung 8. Die Druckkammer 7 kann mit dem von der Steuereinrichtung 2 bereitgestellten Arbeitsdruck beaufschlagt werden, um die Kolbenanordnung 8 in Bewegung zu versetzen. Über die Kolbenanordnung 8 wird wiederum das Antriebselement 9 in Bewegung versetzt. Das Antriebselement 9 ist exemplarisch als Antriebswelle ausgebildet. Alternativ kann das Antriebselement 9 auch als Kolbenstange ausgebildet sein. Das Antriebselement 9 ist mechanisch mit dem Ventilglied 14 gekoppelt, so dass das Ventilglied 14 von dem Antriebselement 9 angetrieben werden kann.
Exemplarisch verfügt der Ventilantrieb 19 über eine Rückstellfederanordnung 11, mit der eine Rückstellkraft auf die Kolbenanordnung 8 aufgebracht wird. Die Rückstellkraft wirkt einer durch den Arbeitsdruck auf die Kolbenanordnung 8 wirkenden Druckfluidkraft entgegen. Insbesondere wirkt die Druckfluidkraft in einer ersten Bewegungsrichtung des Stellglieds 15 und die Rückstellkraft in einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung.
Als Nächstes zum Prozessventil 12:
Das Prozessventil 12 verfügt über einen Prozessfluidkanal 13, in dem das Ventilglied 14 angeordnet ist. Das Ventilglied 14 kann durch den Ventilantrieb 19, insbesondere das Antriebselement 9, betätigt werden, so dass es seine Stellung ändert. Exemplarisch kann das Ventilglied 14 so in verschiedene Drehstellungen versetzt werden. Zweckmäßigerweise kann das Ventilglied 14 in eine erste und eine zweite Endlage versetzt werden. Ferner kann das Ventilglied 14 in eine oder mehrere, oder beliebig viele Stellungen zwischen den beiden Endlagen versetzt werden. Es handelt sich vorzugsweise um eine proportionale Betätigung. In der ersten Endlage wird beispielsweise der Prozessfluidkanal 13 gesperrt und in der zweiten Endlage freigegeben. Die Ventilarmatur 12 kann insbesondere als Klappenarmatur oder als Kugelhahn ausgebildet sein.
Im Betrieb dient die Steuereinrichtung 2 insbesondere dazu, mittels Bereitstellung eines Arbeitsdrucks das Antriebselement 9 und/oder das Ventilglied 14 in eine durch ein Stellungssignal vorgegebene Stellung zu versetzen. Das Stellungssignal kann insbesondere von der Steuereinrichtung 2, dem Server 17 und/oder einer (nicht gezeigten) übergeordneten Steuerung bereitgestellt werden.
Die Steuereinrichtung 2 ist ausgebildet, den Arbeitsdruck so bereitzustellen, dass sich das Ventilglied 14 in eine bestimmte Bewegungsrichtung bewegt.
Der Aufbau aus Steuereinrichtung 2, Ventilantrieb 19 und Prozessventil 12 kann auch als Stellgerät bezeichnet werden. Der Ventilantrieb 19 wird insbesondere pneumatisch betrieben, so dass der genannte Aufbau auch als pneumatisch betriebenes Stellgerät bezeichnet werden kann. Das Stellgerät dient insbesondere dafür, in der Prozessindustrie eingesetzt zu werden. Zweckmäßigerweise dient das Stellgerät dazu, einen Prozessfluidstrom zu regulieren. Das Prozessventil 12 ist direkt in Kontakt mit dem Prozessfluidstrom. Durch Stellungsänderung des Ventilglieds 14 kann der Fluss des Prozessfluids variiert werden. Der Ventilantrieb 19 ist insbesondere als pneumatischer Schwenk- oder Linearantrieb ausgebildet. Das Antriebselement 9 des Ventilantriebs 19, insbesondere eine Welle oder Kolbenstange, ist mit dem Ventilglied 14 verbunden, beispielsweise über eine Welle oder Stange des Ventilglieds 14. Die Steuereinrichtung 2 ist ausgebildet, als Reaktion auf einen durch ein Stellungssignal vorgegebenen Sollwert für die Auslenkung des pneumatischen Ventilantriebs 19 Pneumatikventile, beispielsweise Ventile der Fluideinrichtung 4, zur Be- oder Entlüftung der Druckkammer 7 so ansteuern, dass eine erfasste Stellung - insbesondere eine mittels der Stellungssensoreinheit 21 erfasste Stellung - dem vorgegebenen Sollwert entspricht.
Die mechanische Kopplung zwischen dem Antriebselement 9 und dem Ventilglied 14 kann auf verschiedene Weisen ausgestaltet sein.
Vorzugsweise ist das Antriebselement 9 direkt mit dem Ventilglied 14 - beispielsweise einem stangenförmigen Abschnitt des Ventilglieds 14 - mechanisch verbunden. Zweckmäßigerweise ist das Antriebselement 9 formschlüssig mit dem Ventilglied 14 verbunden, so dass eine Dreh- und/oder Linearbewegung von dem Antriebselement 9 auf das Ventilglied 14 übertragen werden kann.
Zweckmäßigerweise verfügen das Antriebselement 9 und das Ventilglied jeweils über Kopplungsabschnitte, über die sie mechanisch miteinander gekoppelt sind. Als Kopplungsabschnitte können beispielsweise ein Kopplungsvorsprung und eine entsprechende Kopplungsaussparung, in die der Kopplungsvorsprung greift, dienen. Der Kopplungsvorsprung ist beispielsweise ein Vierkant. Zweckmäßigerweise ist der Kopplungsvorsprung an dem Ventilglied 14, beispielsweise eines stangenförmigen Abschnitts des Ventilglieds 14, angeordnet und die Kopplungsaussparung ist am Antriebselement 9 angeordnet. Insbesondere die als Wellen ausgebildeten Antriebselemente 9 von Schwenkarmaturen wie Klappen und Kugelhähnen enden meist in einem Vierkant. Der Ventilantrieb 9 und das Prozessventil 12 umfassen vorzugsweise jeweils über Gehäuse, die zweckmäßigerweise miteinander verschraubt werden können. Zweckmäßigerweise erfolgt die Kopplung der beiden Kopplungsabschnitte dann, wenn die Gehäuse von Ventilantrieb 9 und Prozessventil 12 miteinander verschraubt werden.
Ferner können das Antriebselement 9 und das Ventilglied indirekt mechanisch gekoppelt sein, beispielsweise über ein Adapterstück. Ein Adapterstück kann insbesondere dann verwendet werden, wenn die Gehäuse des Ventilantriebs 19 und des Prozessventils 12 über einen Montagebügel verbunden sind.
Ferner können das Antriebselement 9 und das Ventilglied 14 auch über einen Klemmmechanismus und/oder einen Verschraubungsmechanismus miteinander verbunden sein. Eine solche Verbindung kann insbesondere bei einem als Membran- oder Kolbenantrieb ausgebildeten Ventilantrieb 19 und/oder bei einem als Hub- oder Schieberarmatur ausgebildeten Prozessventil 12 zum Einsatz kommen.
Wie vorstehend bereits erwähnt, kann zwischen dem Antriebselement 9 und dem Ventilglied 14 Spiel gegeben sein. Das Spiel kann auch als mechanisches Spiel oder als Lose bezeichnet werden. Das Spiel ist in der Regel unerwünscht und kann insbesondere durch Fertigungstoleranzen und/oder Verschleiß entstehen. Das Spiel hat zur Folge, dass sich das Antriebselement 9 in Antriebsrichtung relativ zu dem Ventilglied 14 innerhalb eines bestimmten Bereichs - dem „Spiel-Bereich“ - bewegen lässt, ohne dass das Ventilglied 14 durch das Antriebselement 9 angetrieben bzw. von dem Antriebselement 9 mitgeführt wird. Im gezeigten Beispiel, bei dem der Ventilantrieb 19 als Antriebsbewegung eine Drehbewegung des Antriebselements 9 bereitstellt, kann das Antriebselement 9 bei vorhandenem Spiel innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs bewegt werden, ohne dass das Ventilglied 14 in seiner Stellung verändert wird.
Als Nächstes soll unter Bezugnahme auf die 2 und 3 eine exemplarische Erfassung von Spiel erläutert werden:

In den 2 und 3 sind jeweils drei zeitliche Signalverläufe gezeigt, die beispielsweise durch die vorstehend erwähnte Sensoranordnung - also insbesondere die Drucksensoreinheit 22 und/oder die Stellungssensoreinheit 21 - aufgezeichnet wurden.

In der 2 ist der Fall gezeigt, bei dem Spiel zwischen dem Antriebselement 9 und dem Ventilglied 14 vorhanden ist. In der 3 ist der Fall gezeigt, bei dem kein Spiel zwischen dem Antriebselement 9 und dem Ventilglied 14 vorhanden ist.
Die 2 zeigt die ersten Signalverläufe SSV1, GSV1 und DSV1 und die 3 zeigt die zweiten Signalverläufe SSV2, GSV2 und DSV2. Die Stellungs-Signalverläufe SSV1, SSV2 zeigen eine Stellung s, die Geschwindigkeits-Signalverläufe GSV1, GSV2 eine Geschwindigkeit v und die Druck-Signalverläufe DSV1, DSV2 einen Druck p. Die Signalverläufe beider 2 und 3 zeigen jeweils die Reaktion auf eine durch ein Stellungssignal vorgegebene Stellungsänderung des Antriebselements 9. Es handelt sich bei beiden 2 und 3 jeweils um die gleiche vorgegebene Stellungsänderung. Insbesondere handelt es sich um eine Stellungsänderung, bei der das Antriebselement 9 in die erste Bewegungsrichtung - also entgegengesetzt zur Rückstellkraft - bewegt wird.
Die Signalverläufe einer Figur sind jeweils synchron zueinander gezeigt; d.h., die Signalverläufe SSV1, GSV1 und DSV1 haben jeweils dieselbe Zeitachse und die Signalverläufe SSV2, GSV2 und DSV2 haben jeweils dieselbe Zeitachse.
Die Stellungs-Signalverläufe SSV1, SSV2 zeigen die Stellung des Antriebselements 9 - beispielsweise eine Drehstellung des Antriebselements 9. Die Stellungs-Signalverläufe SSV1, SSV2 werden z.B. durch die Stellungssensoreinheit 21 erfasst. Die Geschwindigkeits-Signalverläufe GSV1, GSV2 zeigen die Geschwindigkeit des Antriebselements 9, beispielsweise die Drehgeschwindigkeit des Antriebselements 9. Die Geschwindigkeits-Signalverläufe GSV1, GSV2 werden z.B. durch Differenzierung der Stellungs-Signalverläufe SSV1, SSV2 erhalten.
Die Druck-Signalverläufe DSV1, DSV2 zeigen den dem Ventilantrieb 19 bereitgestellten Druck, beispielsweise den in der Druckkammer 7 herrschenden Druck. Die Druck-Signalverläufe DSV1, DSV2 werden z.B. durch die Drucksensoreinheit 22 erfasst. Bei dem in den Druck-Signalverläufen DSV1, DSV2 gezeigten Druck oder dem durch die Drucksensoreinheit 22 erfassten Druck kann es sich insbesondere auch um eine Druckdifferenz handeln. Liegt z.B. - anders als in der 1 gezeigt - kein einfachwirkender sondern ein doppeltwirkender Ventilantrieb vor, der über zwei Druckkammern verfügt, so kann der erfasste/aufgezeichnete Druck die Druckdifferenz zwischen den beiden Druckkammern sein.
Zunächst zur Figur 2:
Das Stellgerät befindet sich hier zunächst in einem Ruhezustand. Das Antriebselement 9 befindet sich in einer Ausgangsstellung s0, beispielsweise einer ersten Endlage, die Geschwindigkeit v0 des Antriebselements 9 ist null und die Druckkammer 7 wird mit dem Ausgangsdruck p0, beispielsweise dem Umgebungsdruck, beaufschlagt.
In der Steuereinrichtung 2 wird nun ein erstes Stellungssignal bereitgestellt, das eine Stellungsänderung des Antriebselements 9 auf eine erste Soll-Stellung s1, beispielsweise eine zweite Endlage, vorgibt.
Die Steuereinrichtung 2 beginnt dementsprechend zum Zeitpunkt t1 damit, den Ventilantrieb 19 mit Druck zu beaufschlagen, um das Antriebselement 9 in Bewegung zu versetzen. Beispielsweise steuert die Steuereinheit 3 die Fluideinrichtung 4 an, um in der Druckkammer 7 einen Zieldruck p1 zu erreichen.
Der Druck in der Druckkammer 7 steigt zunächst kontinuierlich an. Beim Zeitpunkt t2 ist der in der Druckkammer 7 herrschende Druck groß genug, um die einer Bewegung des Antriebselements 9 entgegenwirkende Haltekraft zu überwinden. Der Druck bei t2 kann auch als Losbrechdruck bezeichnet werden. Die Geschwindigkeit v des Antriebselements 9 steigt bei t2 zunächst sehr stark an und bleibt dann auf einem ersten Geschwindigkeitsniveau VN1. Die Stellung s des Antriebselements 9 beginnt bei t2 zu steigen; der Anstieg ist hier zunächst linear.
Die Steigung des Drucks p verringert sich ab t2 gegenüber der Steigung zwischen t1 und t2. Dies liegt daran, dass sich das Volumen der Druckkammer 7 ab t2 (aufgrund der sich bewegenden Kolbenanordnung 8) vergrößert, was der Erhöhung des Drucks in der Druckkammer 7 entgegenwirkt und somit den Anstieg des Drucks verlangsamt.
Bei der zwischen t1 und t2 erfolgten Stellungsänderung des Antriebselements 9 hat sich das Ventilglied 14 aufgrund von vorhandenem Spiel zwischen dem Antriebselement 9 und dem Ventilglied 14 nicht mit dem Antriebselement 9 mit bewegt. Das Antriebselement 9 befindet sich hier noch in dem Spiel-Bereich. Bei t3 hat das Antriebselement 9 den Spiel-Bereich durchlaufen. Auf das Antriebselement 9 wirkt nun eine höhere, der Stellungänderung entgegengesetzt wirkende Kraft, insbesondere eine auf das Antriebselement 9 wirkende Haltekraft und/oder Gleitreibungskraft und eine auf das Ventilglied 14 wirkende Haltekraft und/oder Gleitreibungskraft. Dementsprechend fällt die Geschwindigkeit v ab t3 temporär stark ab. Exemplarisch fällt die Geschwindigkeit v bis auf null ab. Dementsprechend verringert sich auch die Steigung des Stellungs-Signalverlaufs. Ferner erhöht sich die Steigung des Druck-Signalverlaufs bei t3, da die Druckkammer 7 temporär langsamer oder überhaupt nicht expandiert.
Bei t4 ist der Druck in der Druckkammer 7 groß genug, um das Antriebselement 9 zusammen mit dem Stellglied 14 anzutreiben. Dementsprechend steigt die Geschwindigkeit v wieder stark an, die Stellung s nimmt wieder zu, und die Steigung des Druck-Signalverlaufs nimmt wieder ab. Die Geschwindigkeit v befindet sich nach t4 auf einem zweiten Geschwindigkeitsniveau VN2, das exemplarisch kleiner ist als das erste Geschwindigkeitsniveau VN1.
Die (zwischen t3 und t4) erfolgte temporäre Verringerung der Steigung des Stellungs-Signalverlaufs soll auch als erste Signalcharakteristik SC1 bezeichnet werden. Ferner soll der (zwischen t3 und t4) erfolgte temporäre Abfall bzw. Einbruch der Geschwindigkeit als zweite Signalcharakteristik SC2 bezeichnet werden und die temporäre Erhöhung der Steigung des Druck-Signalverlaufs als dritte Signalcharakteristik SC3 bezeichnet werden.
Bei t5 erreicht das Antriebselement 9 die Soll-Stellung. Die Steuereinrichtung 2 erfasst diesen Zustand. Die Stellung s bleibt bei der erreichten Stellung s1 konstant; die Geschwindigkeit fällt auf 0.
In der 3 ist für die gleiche vorgegebene Stellungsänderung des Antriebselements 9 der Fall gezeigt, in dem kein Spiel zwischen dem Antriebselement 9 und dem Ventilglied 14 vorhanden ist. Die Signalverläufe der 3 entsprechen im Wesentlichen den Signalverläufen der 2, unterscheiden sich von diesen jedoch insbesondere dadurch, dass die drei Signalcharakteristiken SC1, SC2 und SC3 nicht vorhanden sind. Ferner ist im Fall der 3 der Losbrechdruck erhöht, da von Anfang an das Antriebselement 9 und das Ventilglied 14 zusammen in Bewegung versetzt werden müssen, so dass eine höhere Kraft überwunden werden muss und folglich ein höherer Losbrechdruck notwendig ist.
Die Diagnoseeinrichtung 1 ist vorzugsweise ausgebildet, das Spiel auf Basis der Stellung s und/oder Geschwindigkeit v des Antriebselements 9 und/oder auf Basis des Drucks p des Ventilantriebs 19 zu detektieren.
Insbesondere ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, einen zeitlichen Signalverlauf SSV1, GSV1 und/oder DSV1 der Stellung s und/oder Geschwindigkeit v des Antriebselements 9 und/oder des Drucks p des Ventilantriebs 19 zu erfassen, innerhalb des erfassten zeitlichen Verlaufs eine Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 zu detektieren und auf Basis der detektierten Signalcharakteristik das Spiel zu detektieren.
Vorzugsweise ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, als die Signalcharakteristik SC2, auf deren Basis die Detektion des Spiels erfolgt, eine Verringerung der Geschwindigkeit des Antriebselements 9 zu detektieren. Insbesondere ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, den vorstehend erläuterten Geschwindigkeitseinbruch, also insbesondere das Abfallen der Geschwindigkeit von dem ersten Geschwindigkeitsniveau VN1 zu einem Geschwindigkeits-Tiefpunkt, insbesondere dem Nullpunkt, und/oder das darauf folgende Ansteigen auf das Geschwindigkeits-Niveau VN2, insbesondere von dem Geschwindigkeits-Tiefpunkt, zu detektieren.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Diagnoseeinrichtung 1 auch ausgebildet sein, das Spiel auf Basis des erfassten Drucks, insbesondere einer detektierten Erhöhung des Drucks, insbesondere einer Erhöhung der Steigung des Drucks, zu detektieren. Vorzugsweise ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, als die Signalcharakteristik SC3 eine temporäre Erhöhung der Steigung des Drucks und/oder eine darauf folgende Verringerung der Steigung des Drucks zu detektieren.
Nachstehend sollen weitere exemplarische Methoden genannt werden, mit denen die Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 detektiert werden kann.
Zweckmäßigerweise ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, die Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 durch Erkennen eines oder mehrerer Merkmale nach dem Start einer Bewegung des Antriebselements 9 in Richtung zu der durch das Stellungssignal vorgegebenen Soll-Stellung zu detektieren.
Insbesondere ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, zu detektieren, dass der Betrag der Geschwindigkeit des Antriebselements 9 einen vorgegebenen Geschwindigkeitsschwellenwert unterschreitet, insbesondere nachdem der Betrag der Geschwindigkeit zuvor einen vorgegebenen Mindestwert überschritten hat. Auf Basis dieser Detektion kann die Diagnoseeinrichtung 1 dann auf das Vorliegen der Signalcharakteristik SC2 schließen.
Ferner kann die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet sein, zu detektieren, dass die Änderung der Geschwindigkeit des Antriebselements 9, insbesondere der Betrag davon, einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Auch auf Basis dieser Detektion kann die Diagnoseeinrichtung 1 auf das Vorliegen der Signalcharakteristik SC2 schließen.
Ferner kann die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet sein, eine aktuell erfasste Stellung des Antriebselements 9 mit einer erwarteten Stellung zu vergleichen und dann, wenn die Abweichung zwischen der aktuell erfassten Stellung und der erwarteten Stellung einen Schwellenwert übersteigt, auf das Vorliegen der ersten Signalcharakteristik SC1 zu schließen. Die Diagnoseeinrichtung 1 ist insbesondere ausgebildet, den erwarteten Wert auf Basis einer Extrapolation zuvor erfasster Stellungen unter Berücksichtigung der Bewegungsrichtung des Antriebselements zu bestimmen. Die Extrapolation kann dabei z.B. auf einer linearen Regression basieren, ihr kann aber auch eine Kalman-Filterung oder ein anderes Bewegungsmodell zugrunde liegen.
Ferner kann die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet sein, einen aktuell gemessenen Wert des bereitgestellten Drucks mit einem erwarteten Druckwert zu vergleichen und dann, wenn die Abweichung zwischen dem erfassten Wert und dem erwarteten Wert einen Schwellenwert übersteigt, auf das Vorliegen der Signalcharakteristik SC3 zu schließen. Die Diagnoseeinrichtung 1 ist insbesondere ausgebildet, den erwarteten Druckwert auf Basis einer Extrapolation zuvor erfasster Druckwerte unter Berücksichtigung des Stellsignals - also ob ein Belüften oder Entlüften der Druckkammer 7 erfolgen soll, zu bestimmen. Der Extrapolation kann ein Modell zugrunde liegen, das den Druckverlauf in der Druckkammer 7 beschreibt.
Die Detektion, dass Spiel vorliegt, kann auf Basis einer oder mehrerer der Signalcharakteristiken SC1, SC2, SC3 und/oder der vorstehend erwähnten Methoden zur Detektion der Signalcharakteristiken erfolgen. Zweckmäßigerweise werden verschiedene Methoden kombiniert.
Vorzugsweise ist die Diagnoseeinrichtung 1 ferner ausgebildet, zu erfassen, dass die erste Signalcharakteristik SC1, die zweite Signalcharakteristik SC2 und/oder die dritte Signalcharakteristik SC3 nicht vorhanden ist. In diesem Fall kann die Diagnoseeinrichtung 1 als die Spiel-Information die Information bereitstellen, dass kein Spiel vorhanden ist; insbesondere die Information, dass das Spiel gleich null ist.
Sofern die Diagnoseeinrichtung 1 detektiert, dass Spiel vorhanden ist, kann die Diagnoseeinrichtung 1 als die Spiel-Information die (qualitative) Information bereitstellen, dass Spiel vorhanden ist. Die Diagnoseeinrichtung 1 kann ferner ausgebildet sein, in diesem Fall eine quantitative Information - einen Spiel-Wert - bereitzustellen, der das Ausmaß des Spiels anzeigt. Das Ausmaß des Spiels ist insbesondere die Größe des Spiel-Bereichs - also wie weit das Antriebselement 9 relativ zum Ventilglied 14 in Antriebsrichtung bewegt werden kann.
Die Diagnoseeinrichtung 1 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, den Spiel-Wert gemäß einem Zeitpunkt und/oder einem Signalwert der Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 zu bestimmen.
Insbesondere ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, zu detektieren, bei welchem Zeitpunkt (ab Beginn der Druckbeaufschlagung - also ab t1) - die Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 auftritt. Die Diagnoseeinrichtung 1 ist ausgebildet, gemäß diesem Zeitpunkt den Spiel-Wert zu bestimmen - je später der Zeitpunkt, insbesondere relativ zu einem Start-Zeitpunkt der Spiel-Detektionsprozedur und/oder einer Auswertungsprozedur, umso größer ist das Spiel und umso größer ist der Spiel-Wert.
Alternativ oder zusätzlich ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, zu detektieren, bei welcher Stellung die Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 auftritt. Die Diagnoseeinrichtung 1 ist ausgebildet, gemäß dieser Stellung den Spiel-Wert zu bestimmen - je größer die Stellung, umso größer ist das Spiel und umso größer ist der Spiel-Wert. Insbesondere wird der Spiel-Wert dabei auf Basis einer Differenz zwischen der Stellung und einer Referenzstellung bei Beginn der Spiel-Detektionsprozedur und/oder einer Auswertungsprozedur bestimmt. Je größer diese Stellungsdifferenz ausfällt, umso größer ist der Spiel-Wert.
Zweckmäßigerweise ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, die Spiel-Detektionsprozedur in Ansprechen auf ein Stellungssignal auszuführen. Das Stellungssignal wird insbesondere in der Steuereinrichtung 2 bereitgestellt. Das Stellungssignal gibt beispielsweise eine Stellung des Antriebselements 9 vor. Zweckmäßigerweise wird die Fluideinrichtung 4 gemäß dem Stellungssignal angesteuert.
Das Stellungssignal stellt zweckmäßigerweise einen zeitlichen Trigger und/oder eine Bedingung für die Spiel-Detektionsprozedur dar.
Insbesondere ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, die Spiel-Detektionsprozedur nur dann durchzuführen, wenn das Stellungssignal eine oder mehrere Anforderungen erfüllt. Beispielsweise ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, die Spiel-Detektionsprozedur dann, insbesondere nur dann, auszuführen, wenn die Abweichung zwischen einer aktuellen Stellung des Antriebselements 9 und einer durch das Stellungssignal vorgegebenen Soll-Stellung größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist und/oder wenn die durch das Stellungssignal vorgegebene Soll-Stellung in einer anderen Bewegungsrichtung liegt, als die Bewegungsrichtung der zuletzt ausgeführten Bewegung des Antriebselements 9.
Die Diagnoseeinrichtung 1 ist insbesondere ausgebildet, bei der Spiel-Detektionsprozedur zu berücksichtigen, wie groß eine durch das erste Stellungssignal zu bewirkende Stellungsänderung des Antriebselements 9 ist.
Insbesondere soll gewährleistet werden, dass eine gewisse Mindestdifferenz zwischen der aktuellen Soll-Stellung und der vorherigen Soll-Stellung oder der aktuell erfassten Stellung gegeben ist. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sich das Antriebselement 9 lang genug bewegen wird, um eine hinreichend hohe Bewegungsgeschwindigkeit - beispielsweise das erste Geschwindigkeitsniveau VN1 zu erreichen - so dass als die Signalcharakteristik SC2 eine hinreichen starke Verlangsamung bzw. ein hinreichend starker Geschwindigkeitseinbruch auftritt.
Ferner kann die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet sein, bei der Spiel-Detektionsprozedur die Ansteuerung der Fluideinrichtung 4 zu berücksichtigen, insbesondere, ob die Fluideinrichtung 4 so angesteuert wird, dass der Öffnungsgrad eines oder mehrerer Ventile der Fluideinrichtung 4 über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. Zweckmäßigerweise prüft die Diagnoseeinrichtung 1, ob der Öffnungsgrad wenigstens eine vorbestimmte Zeitdauer über dem Schwellenwert liegt. Insbesondere ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, die Spiel-Detektionsprozedur in Ansprechen darauf auszuführen, dass der Öffnungsgrad über dem Schwellenwert liegt. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Ventile der Fluideinrichtung 4 lange und weit genug geöffnet sind, um eine hinreichend hohe Bewegungsgeschwindigkeit zu erreichen, um die Signalcharakteristik SC2 zuverlässig erkennen zu können.
Die Diagnoseeinrichtung 1 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, bei der Spiel-Detektionsprozedur zu berücksichtigen, in welche Bewegungsrichtung das Antriebselement 9 für die durch das Stellungssignal vorgegebene Soll-Stellung bewegt werden muss. Insbesondere ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, die Detektion der Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 auf Basis der Bewegungsrichtung anzupassen.
Die Diagnoseeinrichtung 1 ist ausgebildet, bei der Spiel-Detektionsprozedur eine frühere Stellung des Antriebselements 9 zu berücksichtigen, die durch ein zweites Stellungssignal bewirkt wurde, das vor einem ersten (aktuellen) Stellungssignal bereitgestellt wurde. Durch die Berücksichtigung der früheren Stellung kann die Diagnoseeinrichtung 1 insbesondere bestimmen, wie sich eine aktuell erfasste Stellung, bei der die Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 erfasst wurde, zu der früheren Stellung verhält, und daraus auf das Ausmaß des Spiels schließen.
Die Diagnoseeinrichtung 1 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, die frühere Stellung beispielsweise auf Basis des zweiten Stellungssignals, nämlich aus der durch das zweite Stellungssignal vorgegebenen Soll-Stellung, und/oder durch Erfassung mittels der Stellungssensoreinheit 21 zu erfassen. Die Diagnoseeinrichtung 1 ist ausgebildet, die frühere Stellung als Stellungsreferenzwert sref zu speichern.
Die Diagnoseeinrichtung 1 ist ferner ausgebildet, die Differenz zu bilden zwischen der aktuellen Stellung, bei der die Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 erfasst wurde, und dem Stellungsreferenzwert. Der so erhaltene Wert kann insbesondere als Spiel-Wert zur Anzeige des Ausmaßes an Spiel bereitgestellt werden.
Als Stellungsreferenzwert sref kann insbesondere die minimale und/oder maximale Auslenkung seit der letzten Änderung der Bewegungsrichtung erfasst werden. Insbesondere ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, eine zyklische Aktualisierung des Stellungsreferenzwerts durchzuführen. Durch die Bereitstellung des Stellungsreferenzwerts kann gewährleistet werden, dass bei Sollwertsprüngen auch nach vorangegangenen kontinuierlichen Sollwertänderungen oder nach durch externe Kräfte hervorgerufenen Auslenkungsänderungen die richtige Bezugsgröße zur Berechnung des aktuellen Spiels verfügbar ist.
Zweckmäßigerweise ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, die Spiel-Detektionsprozedur mehrere Male durchzuführen, um eine Mehrzahl an Spiel-Informationen, insbesondere Spiel-Werten zu erhalten. Die Diagnoseeinrichtung 1 ist insbesondere ausgebildet, die Mehrzahl an Spiel-Informationen, insbesondere Spiel-Werten, einer statistischen Auswertung und/oder einer Plausibilitätsprüfung zu unterziehen, um eine bereinigte Spiel-Information, insbesondere einen bereinigten Spiel-Wert, zu erhalten. Eine Weiterverarbeitung, insbesondere eine nachstehend noch erläuterte Weiterverarbeitung findet zweckmäßigerweise auf Basis der bereinigten Spiel-Information, insbesondere des bereinigten Spiel-Werts statt.
Die erwähnte statistische Auswertung und/oder Plausibilitätsprüfung dient insbesondere dazu, den Einfluss von fälschlich erkanntem Spiel zu reduzieren oder zu eliminieren. Eine falsche Detektion von Spiel kann z.B. dann auftreten, wenn es zu Einbrüchen oder Schwankungen in der Auslenkungsgeschwindigkeit kommt, die durch externe Kräfte (etwa vom Prozessfluid in der Rohrleitung) oder durch Slip-Stick-Verhalten hervorgerufen werden. Dadurch hervorgerufene Bewegungs-Verlangsamungen werden aber zufällig verteilte weiter gestreute Werte bei der Spiel-Ermittlung hervorrufen. Durch eine statistische Auswertung und/oder Plausibilitätsprüfung aufeinander folgender Spiel-Werte kann erzielt werden, dass die Spiel-Werte nur dann bei einer übergeordneten Auswertung weiter verwendet werden, wenn sie innerhalb einer vorgegebenen Spanne liegen und/oder in einer vorgegebenen Spanne konsistent zueinander sind.
Die Diagnoseeinrichtung 1 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, die Spiel-Detektionsprozedur in einem Normalbetrieb des Stellgeräts durchzuführen. Für die Spiel-Detektionsprozedur ist es insbesondere nicht erforderlich, den Betriebszustand auf einen Diagnosemodus mit speziellen Manövern in Form von vorgegebenen Sollwertsprung-Sequenzen umzuschalten. Stattdessen kann die Diagnoseeinrichtung 1 das Spiel bei einer normalen Bewegung des Antriebselements 9 erfassen - also bei einer Bewegung, die im Rahmen eines bestimmungsgemäßen Betriebs zur Beeinflussung des Prozessfluidstroms dient.
Zweckmäßigerweise ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, im Rahmen der Spiel-Detektionsprozedur nur die bereits zu anderen Zwecken vorhanden Signale zu verwenden, insbesondere das Stellungssignal, vorzugsweise den durch das Stellungssignal vorgegebenen Soll-Wert, Steuersignale für die Ventile der Fluideinrichtung 4, vorzugsweise das durch die Steuersignale vorgegebene Ausmaß der Belüftung oder Entlüftung der Druckkammer 7, die von der Stellungssensoreinheit 21 erfasste Stellung des Antriebselements 9, gegebenenfalls die daraus abgeleitete Geschwindigkeit des Antriebselements 9, und/oder einen durch die Drucksensoreinheit 22 erfassten Druck.
Die Spiel-Information kann zweckmäßigerweise auf eine oder mehrere der nachstehend erläuterten Arten weiterverarbeitet oder weiterverwendet werden:

Vorzugsweise ist die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet, die Spiel-Information mit einem Schwellenwert zu vergleichen und basierend auf dem Vergleich eine Warninformation bereitzustellen. Die Warninformation kann beispielsweise einem Benutzer, der übergeordneten Steuerung und/oder dem externen Server 17 bereitgestellt werden. Ferner kann die Diagnoseeinrichtung 1 auch ausgebildet sein, die Spiel-Information dem externen Server 17 bereitzustellen und der externer Server 17 kann vorzugsweise die Warninformation erzeugen.

Die Spiel-Information kann insbesondere als Indikator für einen Verschleißzustand und/oder die Funktionalität des Ventilantriebs 19 dienen. Zweckmäßigerweise kann die Diagnoseeinrichtung 1 ausgebildet sein, auf Basis der Spiel-Information eine Verschleißinformation und/oder eine Information über die Restlebensdauer bereitzustellen.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung kann die Spiel-Information auf einer Benutzeroberfläche auf dem externen Server 17 bereitgestellt werden, beispielsweise auf einem auf dem externen Server 17 bereitgestellten Webserver.
Die 4 zeigt eine exemplarische Ausgestaltung eines Verfahrens zur Detektion von Spiel zwischen dem Antriebselement 9 und dem von dem Antriebselement 9 angetriebenen Ventilglied 14. Das Verfahren umfasst ein Detektieren des Spiels (Schritte S4 bis S17) und ein Bereitstellen der Spiel-Information gemäß dem detektieren Spiel (Schritt S18 oder S20).
Das Verfahren wird vorzugsweise von der vorstehend erläuterten Diagnoseeinrichtung 1 durchgeführt.
Das Verfahren beginnt bei Schritt S1 und fährt dann mit Schritt S3 fort. Bei Schritt S3 wird der Stellungsreferenzwert sref aktualisiert. Insbesondere erfolgt eine zyklische oder kontinuierliche Aktualisierung des Stellungsreferenzwerts.
Das Verfahren fährt fort mit Schritt S4. Bei Schritt S4 wird bestimmt, wie groß eine vorgegebene Stellungsänderung ist - also wie stark sich ein durch ein Stellungssignal vorgegebener Sollwert für die Stellung des Antriebselements 9 oder Ventilglieds 14 von einem vorherigen Sollwert und/oder einer aktuell erfassten Stellung unterscheidet.
Das Verfahren fährt dann mit Schritt S5 fort. Bei Schritt S5 wird geprüft, ob die zuvor bestimmte Stellungsänderung ausreichend groß für die Detektion von Spiel ist. Zu diesem Zweck wird die bestimmte Stellungsänderung beispielsweise mit einem Schwellenwert verglichen.
Ist die vorgegebene Stellungsänderung groß genug, dann fährt das Verfahren mit dem Schritt S6 fort, bei dem die Detektion von Spiel aktiviert wird. Ist die vorgegebene Stellungsänderung nicht groß genug, dann fährt das Verfahren mit dem Schritt S7 fort; die Detektion von Spiel wird nicht aktiviert.
Das Verfahren fährt dann mit Schritt S7 fort, wo geprüft wird, ob die Detektion von Spiel aktiviert ist. Ist die Detektion von Spiel nicht aktiviert, dann kehrt das Verfahren zurück zu S3. Ist die Detektion von Spiel aktiviert, dann fährt das Verfahren mit Schritt S8 fort.
Bei Schritt S8 wird eine Bewegungserkennung des Antriebselements 9 durchgeführt. Die Bewegungserkennung erfolgt insbesondere durch die Stellungssensoreinheit 21.
Das Verfahren fährt dann mit dem Schritt S10 fort, bei dem geprüft wird, ob bei der Bewegungserkennung eine Bewegung des Antriebselements 9 erkannt wurde.
Wurde keine Bewegung erkannt, insbesondere keine Bewegung in Richtung hin zu der durch das Stellsignal vorgegebenen Stellung, dann fährt das Verfahren mit dem Schritt S11 fort. Bei Schritt S11 wird geprüft, ob sich das Stellsignal geändert hat und/oder ob ein Timer abgelaufen ist. Der Timer wird beispielsweise bei Bereitstellung des Stellsignals gestartet. Die Prüfung, ob sich das Stellsignal geändert hat, umfasst insbesondere die Prüfung, ob eine Änderung des Stellsignals größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Sofern sich das Stellsignal nicht wesentlich geändert hat, also die Änderung des Stellsignals insbesondere nicht größer ist als der Schwellenwert und der Timer nicht abgelaufen ist, fährt das Verfahren mit dem Schritt S3 fort.
Sofern sich das Steuersignal wesentlich geändert hat, also die Änderung des Stellsignals insbesondere größer ist als der Schwellenwert und/oder der Timer abgelaufen ist, fährt das Verfahren mit dem Schritt S23 fort.
Wird bei Schritt S10 eine Bewegung des Antriebselements 9 erkannt, dann fährt das Verfahren mit dem Schritt S13 fort.
Bei Schritt S13 findet eine Erkennung der Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 statt. Vorzugsweise findet eine Erkennung statt, ob sich die Bewegung des Antriebselements 9 verlangsamt hat.
Das Verfahren fährt dann mit dem Schritt S14 fort, bei dem geprüft wird, ob die Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 erkannt wurde. Insbesondere wird geprüft, ob eine Verlangsamung der Bewegung des Antriebselements 9 erkannt wurde.
Wurde die Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3, insbesondere die Verlangsamung des Antriebselements 9, nicht erkannt, dann fährt das Verfahren mit dem Schritt S15 fort. Bei Schritt S15 wird geprüft, ob sich das Stellsignal wesentlich geändert hat, also insbesondere, ob eine Änderung des Stellsignals größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, und/oder ob ein Timer abgelaufen ist. Falls sich das Stellsignal nicht wesentlich geändert hat und der Timer nicht abgelaufen ist, fährt das Verfahren mit dem Schritt S13 fort.
Falls sich das Stellsignal wesentlich geändert hat und/oder der Timer abgelaufen ist, fährt das Verfahren mit dem Schritt S23 fort.
Wurde die Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3, insbesondere die Verlangsamung des Antriebselements 9, erkannt, dann fährt das Verfahren mit dem Schritt S16 fort.
Bei Schritt S16 wird die aktuelle Auslenkung des Antriebselements 9 - also diejenige Auslenkung, bei der die Signalcharakteristik SC1, SC2 und/oder SC3 detektiert wurde - als Auslenkungswert erfasst.
Das Verfahren fährt dann mit dem Schritt S17 fort, bei dem geprüft wird, ob die Bewegungsrichtung des Antriebselements 9 positiv oder negativ ist - also ob sich das Antriebselement 9 in Richtung eines steigenden Stellungswerts oder eines sinkenden Stellungswerts bewegt.
Wird festgestellt, dass sich das Antriebselement 9 in Richtung eines steigenden Stellungswerts bewegt, fährt das Verfahren mit dem Schritt S20 fort. Bei Schritt S20 wird die Differenz aus dem erfassten Stellungswert und dem Stellungsreferenzwert sref gebildet und als Spiel-Wert oder Spiel-Information bereitgestellt.
Wird hingegen festgestellt, dass sich das Antriebselement 9 in Richtung eines sinkenden Stellungswerts bewegt, fährt das Verfahren mit dem Schritt S18 fort. Bei Schritt S18 wird die Differenz aus dem Stellungsreferenzwert sref und dem erfassten Stellungswert gebildet und als Spiel-Wert oder Spiel-Information bereitgestellt.
Das Verfahren fährt dann mit Schritt S23 fort, bei dem die Spielauswertung deaktiviert wird. Das Verfahren kehrt dann zum Schritt S3 zurück.

Claims

Diagnoseeinrichtung (1) für einen Ventilantrieb (19) mit einem Antriebselement (9) zum Antrieb eines Ventilglieds (14) eines Prozessventils (12), wobei die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, eine Spiel-Detektionsprozedur auszuführen, um Spiel zwischen dem Antriebselement (9) und dem Ventilglied (14) zu detektieren und gemäß dem detektierten Spiel eine Spiel-Information bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, die Spiel-Detektionsprozedur in Ansprechen auf ein erstes Stellungssignal auszuführen, wobei das erste Stellungssignal eine Soll-Stellung für das Antriebselement (9) und/oder das Ventilglied (14) vorgibt, wobei die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, bei der Spiel-Detektionsprozedur eine frühere Stellung des Antriebselements (9) zu berücksichtigen, die durch ein zweites Stellungssignal bewirkt wurde, das vor dem ersten Stellungssignal bereitgestellt wurde, wobei die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, die frühere Stellung als einen Stellungsreferenzwert zu speichern, wobei als der Stellungsreferenzwert die minimale und/oder maximale Auslenkung des Antriebselements (9) seit einer letzten Änderung der Bewegungsrichtung erfasst wird, wobei eine zyklische oder kontinuierliche Aktualisierung des Stellungsreferenzwerts erfolgt.
Diagnoseeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, das Spiel auf Basis einer Stellung (s) und/oder Geschwindigkeit (v) des Antriebselements (9) und/oder auf Basis eines dem Ventilantrieb (19) bereitgestellten Drucks (p) zu detektieren.
Diagnoseeinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf der Stellung (s) und/oder Geschwindigkeit (v) des Antriebselements (9) und/oder des bereitgestellten Drucks (p) zu erfassen, innerhalb des erfassten zeitlichen Verlaufs eine Signalcharakteristik (SC1, SC2, SC3) zu detektieren und auf Basis der detektierten Signalcharakteristik (SC1, SC2, SC3) das Spiel zu detektieren.
Diagnoseeinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, als die Signalcharakteristik (SC2, SC3) eine Verringerung der Geschwindigkeit (v) des Antriebselements (9) und/oder eine Erhöhung des Drucks zu detektieren.
Diagnoseeinrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, gemäß einem Zeitpunkt und/oder einem Signalwert der Signalcharakteristik einen Spiel-Wert zu bestimmen, der das Ausmaß des Spiels anzeigt.
Diagnoseeinrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinrichtung (1) ausgebildet ist, bei der Spiel-Detektionsprozedur zu berücksichtigen, wie groß eine durch das erste Stellungssignal zu bewirkende Stellungsänderung ist und/oder welche Bewegungsrichtung die zu bewirkende Stellungsänderung hat.
System (10), umfassend eine Diagnoseeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, den Ventilantrieb (19) und das Prozessventil (12).
System (10), umfassend ein Prozessventil (12) mit einem Ventilglied (14), einen Ventilantrieb (19) mit einem Antriebselement (9) zum Antrieb des Ventilglieds (14) und eine Steuereinrichtung (2), die dazu dient, einen Arbeitsdruck zur Betätigung des Ventilantriebs (19) bereitzustellen, sowie einen externen Server (17), der über ein Gateway (16) und/oder ein Weitverkehrsnetz (18) mit der Steuereinrichtung (2) verbunden ist, wobei das System (10) eine Diagnoseeinrichtung (1) nach Anspruch 1 umfasst, die auf dem externen Server (17) implementiert ist und die ausgebildet ist: - eine Spiel-Detektionsprozedur auszuführen, um Spiel zwischen dem Antriebselement (9) und dem Ventilglied (14) zu detektieren und gemäß dem detektierten Spiel eine Spiel-Information bereitzustellen, - das Spiel auf Basis einer Stellung (s) und/oder Geschwindigkeit (v) des Antriebselements (9) und/oder auf Basis eines dem Ventilantrieb (19) bereitgestellten Drucks (p) zu detektieren, - einen zeitlichen Verlauf der Stellung (s) und/oder Geschwindigkeit (v) des Antriebselements (9) und/oder des bereitgestellten Drucks (p) zu erfassen, innerhalb des erfassten zeitlichen Verlaufs eine Signalcharakteristik (SC1, SC2, SC3) zu detektieren und auf Basis der detektierten Signalcharakteristik (SC1, SC2, SC3) das Spiel zu detektieren, und - als die Signalcharakteristik (SC2, SC3) eine Verringerung der Geschwindigkeit (v) des Antriebselements (9) und/oder eine Erhöhung des Drucks zu detektieren.
Verfahren zur Detektion von Spiel zwischen einem Antriebselement (9) eines Ventilantriebs (19) und einem von dem Antriebselement (9) angetriebenen Ventilglied (14) eines Prozessventils (12), umfassend die Schritte: Durchführen einer Spiel-Detektionsprozedur, um Spiel zwischen dem Antriebselement und dem Ventilglied zu detektieren, und Bereitstellen einer Spiel-Information gemäß dem detektierten Spiel, wobei die Spiel-Detektionsprozedur in Ansprechen auf ein erstes Stellungssignal ausgeführt wird, wobei das erste Stellungssignal eine Soll-Stellung für das Antriebselement (9) und/oder das Ventilglied (14) vorgibt, wobei bei der Spiel-Detektionsprozedur eine frühere Stellung des Antriebselements berücksichtigt wird, die durch ein zweites Stellungssignal bewirkt wurde, das vor dem ersten Stellungssignal bereitgestellt wurde, wobei die frühere Stellung als ein Stellungsreferenzwert gespeichert wird, wobei als der Stellungsreferenzwert die minimale und/oder maximale Auslenkung des Antriebselements (9) seit einer letzten Änderung der Bewegungsrichtung erfasst wird, wobei eine zyklische oder kontinuierliche Aktualisierung des Stellungsreferenzwerts erfolgt.
Steuereinrichtung (2), die als Stellungsregler, Steuerkopf und/oder Positioner ausgeführt ist, wobei die Steuereinrichtung (2) zur Bereitstellung eines Arbeitsdrucks zur Betätigung eines Ventilantriebs (19) mit einem Antriebselement (9) zum Antrieb eines Ventilglieds (14) eines Prozessventils dient, wobei die Steuereinrichtung (2) zur Bereitstellung des Arbeitsdrucks über eine Fluideinrichtung (4) verfügt, wobei die Steuereinrichtung (2) ferner ein Gehäuse umfasst, in dem die Fluideinrichtung (4) und eine Stellungssensoreinheit (21) zur Erfassung einer Stellung des Antriebselements (9) untergebracht sind, wobei in der Steuereinrichtung (2) eine Diagnoseeinrichtung (1) nach Anspruch 1 implementiert ist, die ausgebildet ist: - eine Spiel-Detektionsprozedur auszuführen, um Spiel zwischen dem Antriebselement (9) und dem Ventilglied (14) zu detektieren und gemäß dem detektierten Spiel eine Spiel-Information bereitzustellen, - das Spiel auf Basis einer Stellung (s) und/oder Geschwindigkeit (v) des Antriebselements (9) und/oder auf Basis eines dem Ventilantrieb (19) bereitgestellten Drucks (p) zu detektieren, - einen zeitlichen Verlauf der Stellung (s) und/oder Geschwindigkeit (v) des Antriebselements (9) und/oder des bereitgestellten Drucks (p) zu erfassen, innerhalb des erfassten zeitlichen Verlaufs eine Signalcharakteristik (SC1, SC2, SC3) zu detektieren und auf Basis der detektierten Signalcharakteristik (SC1, SC2, SC3) das Spiel zu detektieren, und - als die Signalcharakteristik (SC2, SC3) eine Verringerung der Geschwindigkeit (v) des Antriebselements (9) und/oder eine Erhöhung des Drucks zu detektieren.