DE102018218696A1 - Method and diagnostic device for determining friction effects in continuous valves. - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine Diagnoseeinrichtung zur Bestimmung von Reibungseffekten in Stetigventilen, bei dem zumindest ein Prozesswert (PV), der direkt mit einer Ventilposition eines Stetigventils in Relation steht und ein gewünschter Wert für die Ventilposition (MV) ausgewertet werden, indem in einem ersten Schritt erste Indikatoren (SI1 bis SI6) für vorliegende Reibungseffekte in dem Stetigventil berechnet werden. Erfindungsgemäß werden anschließend basierend auf den zuvor berechneten Indikatoren (SI1 bis SI6) ein resultierender Indikator (SIres) berechnet, der eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Reibungseffekten in dem Stetigventil angibt, wobei die ersten Indikatoren normiert werden, die Ergebnisse der Normierung in absteigender Reihenfolge sortiert werden, und gezählt wird, wie viele der Indikatoren Reibungseffekte anzeigen, wie viele unschlüssig sind, und wie viele Reibungseffekte ausschließen. Auf Basis der Zählergebnisse wird anschließend mit Hilfe eines Entscheidungsbaums eine Fallunterscheidung vorgenommen, gemäß welcher der resultierende Indikator (SIres) abgeleitet und angezeigt wird.The invention relates to an improved method and a diagnostic device for determining friction effects in continuous valves, in which at least one process value (PV) that is directly related to a valve position of a continuous valve and a desired value for the valve position (MV) are evaluated by in in a first step, first indicators (SI1 to SI6) for existing friction effects in the continuous valve are calculated. According to the invention, a resultant indicator (SIres) is then calculated based on the previously calculated indicators (SI1 to SI6), which indicates a probability of the occurrence of friction effects in the continuous valve, the first indicators being standardized, the results of the standardization sorted in descending order and counting how many of the indicators indicate friction effects, how many are undecided, and how many friction effects exclude. On the basis of the count results, a decision distinction is then made using a decision tree, according to which the resulting indicator (SIres) is derived and displayed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Diagnoseeinrichtung zur Bestimmung von Reibungseffekten in Stetigventilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method and a corresponding diagnostic device for determining friction effects in continuous valves according to the preamble of
In verfahrens- oder prozesstechnischen Anlagen werden vielfältige Sensoren und Aktoren zumeist in Verbindung mit Regelkreisen für die Überwachung und Beeinflussung physikalischer oder chemischer Größen in technischen Prozessen eingesetzt. Dabei ist eine permanente und automatische Überwachung der Sensoren und Aktoren oder auch der Regelkreise von Vorteil, damit bei nachlassender Leistungsfähigkeit einzelner Komponenten rechtzeitig und gezielt an der richtigen Stelle der Anlage mit Maßnahmen zur Instandhaltung und/oder Optimierung eingegriffen werden kann.A wide range of sensors and actuators are mostly used in process or process engineering systems in connection with control loops for monitoring and influencing physical or chemical parameters in technical processes. Permanent and automatic monitoring of the sensors and actuators or the control loops is advantageous, so that when the performance of individual components deteriorates, measures for maintenance and / or optimization can be intervened in a timely and targeted manner at the correct point in the system.
Häufig sind Leistungsprobleme von Anlagenkomponenten nicht allein auf den Regelkreis zurückzuführen, sondern auf Probleme der Anlagenkomponente selbst. Bei den Leistungsproblemen von Ventilen, die in jeder industriellen Anlage zum Einsatz kommen, kann es sich beispielsweise um Ventilspiel, Totzeit oder auch Oszillations- und Ventil-Reibungsprobleme handeln. Insbesondere bei Stetigventilen ist eine genauere Analyse hinsichtlich des Auftretens von erhöhten Reibungseffekten (engl. static friction, kurz stiction) wünschenswert.Frequently, performance problems of system components are not solely due to the control loop, but rather to problems of the system component itself. The performance problems of valves that are used in every industrial system can be, for example, valve lash, dead time or oscillation and valve friction problems act. In the case of continuous valves in particular, a more precise analysis with regard to the occurrence of increased friction effects (English static friction, or stiction for short) is desirable.
Der Begriff des Stetigventils ist in der Fluidtechnik besonders in der Hydraulik ein Sammelbegriff für in der Regel elektrisch angesteuerte Wegeventile, welche nicht diskret schalten (auf/zu), sondern einen stetigen Übergang der Schaltstellungen zulassen. Damit ist der Volumenstrom des Fluids einstellbar. Proportionalventile, Regelventile und Servoventile sind Beispiele für Stetigventile.In fluid technology, especially in hydraulics, the term continuous valve is a collective term for generally electrically controlled directional control valves, which do not switch discretely (open / close), but rather allow the switching positions to change continuously. The volume flow of the fluid can thus be adjusted. Proportional valves, control valves and servo valves are examples of continuous valves.
Vom Begriff der Reibungseffekte sind hier sowohl Haftreibung als auch Gleitreibung umfasst. Reibungseffekte bei Stetigventilen entstehen meist durch Verschleiß oder äußere Umwelteinflüsse und führen über die Zeit zu einem erhöhten Energieverbrauch und letztendlich zum Ausfall des Ventils. Umso wichtiger ist es, eine zuverlässige und frühzeitige Einschätzung zum Zustand eines Ventils treffen zu können. Aus dem Buch „Detection and Diagnosis of Stiction in Control Loops“ von M. Jelali und B. Huang, State of the Art and Advanced Methods, SpringerVerlag, London, 2010 (Ref1) und aus der Veröffentlichung von
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Diagnoseeinrichtung zur Bestimmung von Reibungseffekten in Stetigventilen anzugeben, welche im Vergleich zu den bereits bekannten Verfahren genauere Ergebnisse hinsichtlich der Analyse von Reibungseffekten in Stetigventilen liefert.The invention is therefore based on the object of specifying an improved method and an improved diagnostic device for determining friction effects in continuous valves which, in comparison with the already known methods, provide more precise results with regard to the analysis of friction effects in continuous valves.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Verfahrensaspekte durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind Weiterbildungen der Erfindung, in Anspruch 2 eine entsprechende Diagnoseeinrichtung, in Anspruch 3 ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens und in Anspruch 4 ein entsprechendes Computerprogrammprodukt beschrieben.This object is achieved in terms of the method aspects by the features specified in
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in einer genaueren und verlässlicheren Aussage hinsichtlich Reibungseffekten in Stetigventilen. Die Kombination der Ergebnisse aus den Einzelverfahren erlaubt eine deutlich verbesserte stiction-Erkennung im Vergleich zur Anwendung nur eines Verfahrens oder im Vergleich zu einer einfachen Mittelwertbildung über die Ergebnisse der Einzelverfahren. Ein weiterer Vorteil ist die schnelle Berechnung der Zusammenführung der Einzelergebnisse, da das erfindungsgemäße Verfahren auf einer einfachen Fallunterscheidung beruht.The advantage of the method according to the invention lies in a more precise and reliable statement with regard to friction effects in continuous valves. The combination of the results from the individual methods allows a significantly improved stiction recognition in comparison to the use of only one method or in comparison to a simple averaging over the results of the individual methods. Another advantage is the quick calculation of the combination of the individual results, since the method according to the invention is based on a simple case differentiation.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Based on the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention as well as configurations and advantages are explained in more detail below.
Es zeigen:
-
1 einen Ausschnitt eines Blockschaltbilds einer verfahrenstechnischen Anlage mit einem Ventil, Strecke und Diagnoseeinrichtungen, -
2 ein Blockschaltbild einer Regelstrecke mit Diagnoseeinrichtungen, -
3 Signalverläufe des Ausgangssignals des ReglersMV und des MesswertsPV der Ventilstellung in Abhängigkeit von der Zeit bei Auftreten von erhöhten Reibungseffekten, -
4 ein so genannter Scatter-Plot zwischen ReglerausgangMV und Ventilstellung bei Auftreten von erhöhten Reibungseffekten, -
5 eine Übersicht über die Bewertungsgrenzen der einzelnen Methoden, und -
6a und6b : für zwei unterschiedliche Ventile eine Gegenüberstellung der Ergebnisse von 6 Einzelmethoden für Daten eines simulierten Regelkreises
-
1 a section of a block diagram of a process engineering system with a valve, line and diagnostic devices, -
2nd 2 shows a block diagram of a controlled system with diagnostic devices, -
3rd Waveforms of the controller output signalMV and the measured valuePV the valve position depending on the time when increased friction effects occur, -
4th a so-called scatter plot between the controller outputMV and valve position when increased friction effects occur, -
5 an overview of the assessment limits of the individual methods, and -
6a and6b : For two different valves, a comparison of the results of 6 individual methods for data from a simulated control loop
Gemäß
In
Zur Erkennung von Reibungseffekten in Ventilen sind aus der Literatur zahlreiche Verfahren bekannt.Numerous methods are known from the literature for detecting friction effects in valves.
Anhand dieser Verfahren werden Indikatoren (auch stiction index genannt, abgekürzt SI) berechnet. Jeder dieser Indikatoren gibt an, wie wahrscheinlich das Auftreten von stiction/- Reibungseffekten in einem Regelkreis bzw. an dessen Stellventil ist. Jedes Verfahren liefert demnach einen Wert zwischen 0 und 100. Der jeweilige Indikator wird mittels der gewünschten Ventilstellung
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel bilden 6 Verfahren die Basis der Erfindung. Sie werden im Folgenden kurz vorgestellt. Zu Einzelheiten bezüglich der einzelnen Verfahren wird auf die oben genannten Referenzen (Ref1 und Ref2) verwiesen.In the exemplary embodiment described here, 6 methods form the basis of the invention. They are briefly introduced below. For details regarding the individual methods, reference is made to the references mentioned above (Ref1 and Ref2).
Methode A (Refl, S. 104f):Method A (Refl, p. 104f):
Hier wird überprüft, ob in den Bereichen, in denen die Stellungsrückmeldung SR (bzw. der Prozesswert
Methode B (Refl, S. 105f):Method B (Refl, p. 105f):
Hier wird der Abstand des ansteigenden und abfallenden Pfades im Scatter-Plot (
Methode C (Ref1, S. 106f): Method C (Ref1, p. 106f):
Hier wird anhand der Änderungen von Reglerausgang
Methode Kreuzkorrelation (Refl, S. 117f):Cross-correlation method (Refl, p. 117f):
Hier wird überprüft, ob die Kreuzkorrelation zwischen Reglerausgang
Methode Kurvenanpassung (Refl, S. 149f):Curve fitting method (Refl, p. 149f):
Hier wird überprüft, ob der Kurvenverlauf des Reglerausgangs
Methode Ellipsenanpassung (Ref2):Ellipse adjustment method (Ref2):
Hier wird der Scatter-Plot (
Die vorgestellten Verfahren sind sehr speziell auf die unterschiedlichen Anzeichen von stiction zugeschnitten und daher nicht immer aussagefähig. In vielen Fällen werden bei stiction nicht alle Verfahren anschlagen und umgekehrt auch manches Verfahren bei gewöhnlichem Messrauschen zu stiction tendieren. Die Bildung eines einfachen Mittelwertes reicht hier nicht aus. Die Verfahren unterschiedlich zu gewichten, ist auch nicht möglich, da es stark von der Stärke der stiction und von der Qualität der Daten (Rauschen, etc.) abhängt, welches Verfahren, das bessere ist. Es muss also eine Zusammenführung der Einzelergebnisse erfolgen, welche das Gesamtbild betrachtet und aus diesem die richtigen Schlüsse zieht. Um diese Entscheidungen richtig zu treffen, wurden unzählige Testfälle (mit und ohne stiction) betrachtet.The methods presented are very specifically tailored to the different signs of stiction and are therefore not always meaningful. In many cases, not all methods will work with stiction, and vice versa, some methods will also tend to stiction with normal measurement noise. The formation of a simple average is not sufficient here. It is also not possible to weight the methods differently, since it strongly depends on the strength of the stiction and the quality of the data (noise, etc.), which method is the better. The individual results must therefore be brought together, which looks at the overall picture and draws the correct conclusions from it. In order to make these decisions correctly, countless test cases (with and without stiction) were considered.
Durch die Erfindung werden in diesem Ausführungsbeispiel die sechs hier vorgestellten Einzelverfahren zur Analyse von stiction so kombiniert, dass die Analyse in jeder Situation ein bestmögliches Ergebnis liefert. Ähnlich gute Ergebnisse sind auch durch eine Kombination von 5 oder 7 Verfahren zu erwarten. In this exemplary embodiment, the invention combines the six individual methods for the analysis of stiction presented here in such a way that the analysis delivers the best possible result in every situation. Similarly good results can also be expected from a combination of 5 or 7 methods.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Reibungseffekten in Stetigventilen müssen die Ergebnisse der Einzelverfahren (SIA,
- Fall 1: Eine oder mehr Methoden zeigen stiction an (numStic ≥ 1):
- Wenn mehr als eine Methode stiction zeigt (numStic ≥ 2), findet eine Mittelwertbildung aus den Top
3 der sortierten Liste statt. Bei drei oder mehr Methoden ist stiction sehr sicher anzunehmen. Bei nur zwei Methoden entscheidet der dritte Wert in der Liste, ob das Ergebnis auf stiction hinweist, oder das Ergebnis doch als unschlüssig gewertet wird. - Wenn nur eine Methode stiction zeigt (numStic = 1), wird die ersten Methode in der sortierten Liste ausgeschlossen und es findet eine Mittelwertbildung über alle anderen (Index
2 bis6 ) statt. In diesem Fall ist stiction unwahrscheinlich, da nur eine Methode anschlägt. Dieser Ausreiser, kann ausgeschlossen werden.
- Wenn mehr als eine Methode stiction zeigt (numStic ≥ 2), findet eine Mittelwertbildung aus den Top
- Fall 2: Keine Methode zeigt stiction an und eine oder mehr Methoden sind unschlüssig (numKA ≥ 1):
- Wenn drei oder mehr Methoden unschlüssig sind (numKA ≥ 3), findet eine Mittelwertbildung über die Top
5 der sortierten Liste statt. - Wenn zwei Methoden unschlüssig sind (numKA = 2), findet eine Mittelwertbildung über alle Sticiton-Indizes statt. Das Ergebnis ist sehr schwammig. Es hängt von den Werten der Verfahren ab, welche stiction ausschließen. Sind diese nahe an der Grenze, kann das Ergebnis dennoch unschlüssig ausfallen.
- Wenn nur eine Methode unschlüssig ist (numKA = 1), wird die erste Methode in der sortierten Liste ausgeschlossen und es findet eine Mittelwertbildung über alle anderen statt (Index
2 bis6 ). Der Großteil schließt stiction aus. Die eine unschlüssige Methode kann vernachlässigt werden.
- Wenn drei oder mehr Methoden unschlüssig sind (numKA ≥ 3), findet eine Mittelwertbildung über die Top
- Fall 3: Alle Methoden schließen stiction aus:
- In diesem Fall findet eine Mittelwertbildung über alle Sticiton-Indizes statt. Das Ergebnis ist eindeutig.
- Case 1 : One or more methods indicate stiction (numStic ≥ 1):
- If more than one method shows stiction (numStic ≥ 2), the top is averaged
3rd the sorted list instead. With three or more methods, stiction is very safe to assume. If there are only two methods, the third value in the list decides whether the result indicates stiction or whether the result is considered to be undecided. - If only one method shows stiction (numStic = 1), the first method in the sorted list is excluded and averaging over all others (index
2nd to6 ) instead of. In this case, stiction is unlikely because only one method works. This departure can be excluded.
- If more than one method shows stiction (numStic ≥ 2), the top is averaged
- Case 2 : No method indicates stiction and one or more methods are undecided (numKA ≥ 1):
- If three or more methods are undecided (numKA ≥ 3), the top is averaged
5 the sorted list instead. - If two methods are undecided (numKA = 2), averaging takes place across all sticitone indices. The result is very vague. It depends on the values of the procedures which exclude stiction. If these are close to the border, the result can still be undecided.
- If only one method is undecided (numKA = 1), the first method in the sorted list is excluded and averaging takes place over all others (index
2nd to6 ). The majority excludes stiction. The one undecided method can be neglected.
- If three or more methods are undecided (numKA ≥ 3), the top is averaged
- Case 3 : All methods exclude stiction:
- In this case, averaging takes place across all sticitone indices. The result is clear.
Mit dieser Fallunterscheidung kann eine bessere Aussage getroffen werden als mit einem einfachen Mittelwert über alle Ergebnisse. Als Ergebnis der Fallunterscheidung wird ein resultierender Indikator SIres ausgegeben, der eine Wahrscheinlichkeit angibt, dass eine Ventilreibung vorliegt.With this case distinction, a better statement can be made than with a simple mean over all results. As a result of the case distinction, a resulting indicator SIres is output, which indicates a probability that valve friction is present.
Je nach Anzahl der kombinierten Verfahren können die in der Fallunterscheidung verwendeten Werte leicht variiert werden.Depending on the number of combined procedures, the values used in the case distinction can be varied slightly.
Das beschriebene Verfahren und eine entsprechende Diagnoseeinrichtung (vgl.
Das erfindungsgemäße Verfahren und entsprechende Diagnoseeinrichtung werden somit bevorzugt in Software oder in einer Kombination Soft-/Hardware implementiert, so dass die Erfindung auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens auf einer geeigneten Recheneinheit betrifft. In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder ein Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren derartigen Computerprogramm. Ein solches Computerprogramm kann beispielsweise in einem Speicher eines Leitsystems einer automatisierten prozesstechnischen Anlage vorgehalten oder in diesen geladen werden, so dass beim Betrieb der Anlage das erfindungsgemäße Verfahren automatisch ausgeführt wird, oder das Computerprogramm kann bei einer Cloud-basierten Umgebung in einem Speicher eines Remote-Service-Rechners vorgehalten oder in diesen ladbar sein. Zudem kann das Computerprogramm auch in einem mit dem Leitsystem und dem Remote-Service-Rechner verbundenen Rechner vorgehalten sein, der über Netzwerke mit den beiden anderen Systemen kommuniziert.The method according to the invention and corresponding diagnostic device are thus preferably implemented in software or in a combination of software and hardware, so that the invention also relates to a computer program with program code instructions that can be executed by a computer for implementing the method on a suitable computing unit. In this context, the invention also relates to a computer program product, in particular a data carrier or a storage medium, with such a computer program that can be executed by a computer. Such a computer program can, for example, be held in a memory of a control system of an automated process engineering system or loaded into it, so that the method according to the invention is carried out automatically when the system is operating, or the computer program can be stored in a memory of a remote controller in a cloud-based environment. Service computer available or be loadable in this. In addition, the computer program can also be held in a computer connected to the control system and the remote service computer, which communicates with the other two systems via networks.
In den
Die beiden Figuren zeigen jeweils die nicht normierten Ergebnisse von vier Einzelverfahren in einem Balkendiagramm. Links neben jedem Balken ist jeweils eine Skala skizziert, um die in
In
In
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- Choudhury, M.; Shah, S.; Thornhill, N.: „Detection and Quantification of control valve stiction“, Department of chemical and material engineering, University of Alberta, Edmonton AB, Kanada, 2006 [0005]Choudhury, M .; Shah, S .; Thornhill, N .: "Detection and Quantification of control valve stiction", Department of chemical and material engineering, University of Alberta, Edmonton AB, Canada, 2006 [0005]
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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Choudhury, M.; Shah, S.; Thornhill, N.: „Detection and Quantification of control valve stiction", Department of chemical and material engineering, University of Alberta, Edmonton AB, Kanada, 2006 |
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