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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Online-Erfassung von Ventildaten, bei welchem
Betriebsparameter und/oder Zustandsparameter erfaßt und auf den technischen
Funktionszustand des Ventiles geschlossen wird, gemäß Oberbegriff der
Patentansprüche 1 und 2.
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Verfahren zur Zustandsermittlung eines Ventiles aus Parametern, die in der Regelung
eines Ventiles oder der Ventilstellung oder bei Stellungsreglern elektropneumatischer
Art generell, den Zustand bezogen beispielsweise auf den Zustand der
Dichtungspackung an der Ventilstange zu ermitteln. Die Ventilstangendichtung ist als
eine sogenannte Stopfbuchsendichtung vorgesehen, die aus einem Dichtungspaket
besteht, welches die Ventilstange zwischen druckmittelbeaufschlagtem Innenraum und
dem Außenraum abdichtet. Darüber hinausgehend sind an Prozeßventilen auch
mechanische Verbindungen dem Verschleiß unterworfen. Bei langzeitigem Betrieb in
bestimmten Stellungen können Ventile daher mit der Zeit schwergängig werden oder
sogar festfressen. Von daher ist es vorteilhaft, eine frühzeitige Erkennung dieses
Fehlers zu erhalten und somit unvorhergesehene Anlagenausfälle zu vermeiden. Aus
der DE 44 55 058 A1 ist ein Regelventil dieser Art angegeben. Hierbei wird aus einer
Mehrzahl von Parametern, nämlich Anfahrzeit, Anhaltezeit und Auslaufstrecke auf die
Reibung und den Reibungszustand und damit den allgemeinen Betriebszustand der
Ventildichtung hin ausgewertet.
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Eine Einrichtung sowie Verfahren dieser Art sind jedoch zur Online-Messung
unpraktikabel. In einer Ausgestaltung dieser bekannten Einrichtung ist vorgesehen,
daß solche Prüfverfahrensabläufe zyklisch oder in einem sogenannten separaten
Autokonfigurationslauf aufgenommen werden. Nachteilig ist hierbei, daß solche
Prüfverfahrensabläufe grundsätzlich außerhalb der Meßzeiten durchgeführt werden.
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Dadurch ergibt sich, daß, wenn diese außerhalb der normalen Betriebszeiten des
Ventiles durchgeführt werden, die Testsignale mit relativ großen Amplituden
ausgesendet werden und der gesamte Stellbereich des Ventiles durchfahren werden
muß. Aus diesem Grund sind diese Verfahren in den meisten Fällen nicht in laufenden
Prozessen, also online anwendbar.
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Ein weiteres Verfahren hierzu ist aus der DE 42 33 301 A1 bekannt. Auch hierbei ist
eine Eignung für Online-Erfassung nicht ohne weiteres gegeben, oder aber die
Ermittlung der Zustandsgrößen ist im wesentlichen viel zu ungenau.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten
Art auf die Online-Erfassung, also während des normalen Betriebes zu legen, so daß
während der eigentlichen Betriebsphase keine Betriebsstillstandszeiten benötigt
werden, um den Testlauf zu generieren.
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Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1
gelöst.
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Ein weiteres Verfahren in Lösung der gestellten Aufgabe ist erfindungsgemäß aus den
Merkmalen des Patentanspruches 2 angegeben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den
abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Beim erstgenannten erfindungsgemäßen Verfahren besteht der Kern der Erfindung
darin, daß als Maß für den Zustand des Ventiles der Antriebsdruck verwendet wird,
derart, daß der Antriebsdruckverlauf in einer Bewegungsrichtung kontinuierlich
gemessen wird, bis sich der Antrieb in Bewegung setzt die durch die Bewegung
verursachte Druckänderung detektiert, der zugehörige Druckwert erfasst, und daß ein
solcher Testlauf online während des Betriebes durchgeführt wird.
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In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gemäß dem
Merkmal des Anspruches 2 kein gesonderter Testlauf durchgeführt, sondern der
besagte Testlauf wird wie in Anspruch 1 durchgeführt, jedoch indem der
Antriebsdruckverlauf während einer Sollwertänderung zur Ermittlung von
Zustandsparametern des Ventiles berücksichtigt wird.
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Im erstgenannten Verfahren ergeben sich in Bewegungsrichtung "Öffnen", im
Gegensatz zur Bewegungsrichtung "Schließen" inverse Druckverläufe, die
gleichermaßen auswertbar sind. Hierbei wird dem Ventil um einen entsprechenden
Arbeitspunkt herum abwechselnd in Auf- und Zurichtung ein Stellsignal oder eine
Sollwertsignaländerung ausgeprägt. Dabei werden die entsprechenden Min- und
Maxwerte des Antriebsdruckes detektiert, gemessen und abgespeichert. Die Differenz
eines Druckpaares zwischen Minimum und Maximum multipliziert mit der jeweiligen
Bezugsfläche jeweils jeder Kolbenfläche eines beispielsweise doppelt wirkenden
Antriebes ergibt somit das Maß für die Haftreibungskraft, wobei stationär gilt:
f Reibung = (Pmax × A1) - (Pmin × A2)
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Für den Fall, daß A1 = A2 ist ergibt sich im Endeffekt, daß die Reibungskraft ungefähr
proportional den Druckunterschied zwischen Pmax und Pmin ist.
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Wesentlich ist in einer Ausgestaltung der Erfindung, daß diese aufgeprägte sozusagen
Störschwingung um einen Arbeitspunkt gemacht wird, wodurch sich der erhebliche
Vorteil ergibt, daß kein gesonderter Testlauf durchgeführt werden muß, sondern daß
aufgrund der Aufprägung einer sozusagen Diagnoseschwingung um den Arbeitspunkt
herum der eigentlich zu regelnde Gesamtprozeß, in den das Ventil eingebunden ist,
nicht gestört wird. Daraus ergibt sich, daß die Kalibrierung oder die Testung des
Ventiles während des Betriebes, also online erfolgen kann.
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Gleiches gilt für die zweite Verfahrensvariante, bei der keine aufgeprägten
Schwingungen um den Arbeitspunkt herum zur Diagnose dienen, sondern daß
Sollwertänderungen, gegebenenfalls mit starkem Anstieg oder starkem Abfall innerhalb
des Gesamtregelprozesses mit eingebaut werden, so daß auch hierbei eine Online-
Messung möglich und zur Testung der Prozeß nicht angehalten werden muß.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird von den besagten Druckwerten auf die
Beweglichkeit des Ventiles und den Zustand der Dichtung geschlossen. Andere
Möglichkeiten bestehen jedoch, gegebenenfalls verschleißende mechanische
Hemmungen in den mechanischen Kopplungselementen zu erkennen und über
bestimmte Druckverläufe identifizieren zu können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, daß dem Wartungspersonal
somit qualifizierten Hinweise automatisch ausgegeben werden, die entweder auf einen
Verschleiß der Dichtung oder aber auch auf andere Fehler mechanischer Art
hinweisen. Die Hinweise kommen dabei aufgrund dessen, daß keine zyklischen
Prozeßpausen mehr durchgeführt werden müssen, sondern während des Prozesses
online getestet werden kann, daß kein Prüfzyklus in einer erzwungenen Pausenzeit
des Betriebes eingeschoben werden muß.
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Die verfahrensgemäße Erfindung ist anhand der Zeichnung dargestellt.
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Die Abbildung zeigt eine sogenannte Striebeck-Kurve, die den aus der Literatur
bekannten Stick-Slip-Effekt beschreibt. Diese stellt den prinzipiellen Verlauf der
Reibkraft dar, wenn die aufzuwendende Kraft in Bewegungsrichtung gezählt wird.
Dabei ist folgendes zu erkennen: Wenn der Antrieb steht, beispielsweise für eine
Sekunde und anschließend eine Sollwertänderung durchgeführt wird, steigt die Kraft
(bzw der Betrag des Antriebsdrucks) in Bewegungsrichtung kontinuierlich an, bis sich
der Antrieb in Bewegung setzt. Dieser Druck fällt anschließend bei anwachsender
Geschwindigkeit rapide ab. Ab einem bestimmten Minimaldruck steigt die Kurve dann
wieder an. Zu höheren Geschwindigkeiten hin steigt also auch wieder die
Reibungskraftt bzw. der aufzuwendende Druck. Die Reibungskraft, die in der
Striebeck-Kurve auch auf der Koordinate aufgezeichnet ist, ergibt sich dabei bei relativ
gleichen Kolbenflächen eines doppelt wirkenden Antriebes aus der Striebeck-Kurve auf
der Koordinate aufgezeichnet ist, ergibt sich dabei bei relativ gleichen Kolbenflächen
eines doppelt wirkenden Antriebes aus der Differenz der Drücke in den beiden
Kammern des Antriebes. In einer ersten Ausgestaltung wird dann das Ventil bzw. die
Ventilstange gemäß dem oben genannten Sollwertsignal in einem Arbeitspunkt
abwechselnd in Auf- und Zurichtung bewegt, wobei die entsprechenden Min- und
Maxwerte des Antriebsdruckes bzw. der Druckdifferenzen zwischen den beiden
Kammern detektiert, gemessen und abgespeichert werden. Die Differenz eines
Druckpaares multipliziert mit der jeweiligen Bezugsfläche der Kolbenfläche - bei einem
doppelt wirkenden Antrieb sind das zwei Flächen - ergibt somit ein Maß für die
Haftreibungskraft, aus der in der oben bereits offenbarten Weise dann die Reibkräfte
ermittelt werden.
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Die Abbildung zeigt die oben bereits beschriebene Striebeck-Kurve, auf der auf der
Koordinate die Reibkraft und auf der Ordinate die Geschwindigkeit aufgetragen ist. Der
höchste Punkt links, quasi bei Geschwindigkeit 0, stellt die Überwindung der
Haftreibungskräfte dar. Bei einem entsprechenden Druck werden diese überwunden
und der Antrieb setzt sich in Bewegung, wobei zwei Effekte zum Tragen kommen; zum
einen löst die sehr viel niedrigere Gleitreibung die Haftreibung sprunghaft ab und zum
anderen wird durch die Bewegung der Kolbenfläche das Druckmittelvolumen
vergrößert, wodurch in Summe dann der hier sich ergebende starke Druck und damit
Reibkraftabfall zu verstehen ist. An einem unteren Minimum bei einer
Mindestgeschwindigkeit findet dann die Umkehrung der Reibkraftkurve statt, und diese
steigt von da an proportional mit zunehmender Geschwindigkeit wieder an.
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Der interessante Bereich, nämlich zwischen Geschwindigkeit 0 und
Mindestgeschwindigkeit ist der für die Auswertung erfindungsgemäß verwendete
Bereich. Die dort ermittelten Reibkräfte sind signifikant für die Beweglichkeit des
Ventiles und den Zustand der Ventilstangendichtung. In erfindungsgemäßer Weise
werden diese Werte sodann für die Diagnose des Zustandes der mechanischen Teile
in diesem Bereich (Ventilstange, Packung usw.) bewertet. An apparativer Ausrüstung
benötigt man lediglich eine Ventil- oder Stellungsregleranordnung der üblichen Art und
verwendet in dem Druckeingangssystem Drucksensoren, die die besagten
Druckverläufe messen. Die Drucksensoren können auch im Bereich der aktiven
Druckmittelräume oder der Zylinder direkt angeordnet sein.
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Die beschriebene Charakteristik trifft wesentlich für kleine, einfach wirkende Antriebe
zu. Bei großen Antrieben, zum Beispiel auch mit pneumatischem Verstärker, müssen
die physikalisch exakten Verhältnisse berücksichtigt werden. Da zwischen der
Reibkraft und der Meßgröße noch ein integral wirkender Prozeß geschaltet ist, nämlich
die Druckbildung im Volumen des Antriebes, wird der gemessene Antriebsdruck einmal
differenziert, um die Max- und Minwerte der Reibkraft dynamisch richtig zu erfassen.
Hierbei kann aber diagnostisch nicht nur auf den Zustand der Ventilstangendichtung,
sondern auch mechanischer Übertragungskomponenten geschlossen werden, die mit
der aus den Drücken oder Druckdifferenzen ermittelten Reibkräfte in physikalischem
Zusammenhang stehen. Insoweit können auch Verschleißerscheinungen an
mechanischen Teilen oder an Gelenken und Umlenkungen oder dergleichen ebenso
ermittelt werden. Für bestimmte Reibkraftmuster können Mustervergleichsverfahren
herangezogen werden, die signifikant für bestimmte auftretende Fehler sind.
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Insgesamt müssen folgende Schritte durchgeführt werden:
- 1. Stellungsregler im Automatikbetrieb.
- 2. Überprüfung, ob das Ventil in Ruhe ist, anhand von Stellung und Antriebsdruck.
- 3. Start des Auswerteverfahrens.
- 4. Messung des Antriebsdruckes und der Ventilstellung.
- 5. Sprungförmige Änderung des Sollwertes für die Stellung des Ventiles, Sollwert >
tote Zone des Reglers, damit eine Ventilbewegung erzwungen wird.
- 6. Messung des Antriebsdruckes, Detektion des Druckes zum Zeitpunkt, wenn
das Ventil sich bewegt.
- 7. Speicherung des aktuellen Antriebsdruckes und des zugehörigen
Stellungswertes.
- 8. Wiederholung der Punkte 1 bis 7 für eine Sollwertänderung in
entgegengesetzter Richtung.
- 9. Berechnung der Druckdifferenz und der Reibkraft bei der gegebenen
Ventilstellung.
- 10. Abspeicherung der Werte in einem Diagramm.
- 11. Vergleich der Werte mit Referenzwerten, ggf Auslösung eines Alarms.
- 12. Wiederholung der Punkte 1-10 bei anderen Stellungswerten (z. B.
betriebsbedingt) und Erzeugung eines stellungsabhängigen Diagrammes.
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Die zweite Variante, die verfahrensmäßig angegeben ist, besteht darin, daß für
einen begrenzten Anwendungsbereich sich eine nachfolgend vereinfachte
Vorgehensweise eignet. In diesem Falle wird der Istwert des Stellungsignales
als Maß für den Zeitpunkt der Druckspeicherung genommen. Es müssen keine
Sollwertänderungen eingeprägt werden. Die Stellungsänderung durch
prozeßbedingte Sollwertänderung kann abgewartet werden. Der Istwert der
Stellung und der Antriebsdruck werden erfaßt. Falls der Stellungswert sich
ändert, wird der zugehörige Antriebsdruck in Abhängigkeit von der
Bewegungsrichtung abgespeichert. Die korrespondierenden Druckwerte
unterschiedlicher Bewegungsrichtungen werden wie oben subtrahiert und ein
Diagramm generiert.
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Die Schritte sind dabei wie folgt:
- 1. Überprüfung, ab der Antrieb steht.
- 2. Start des Auswerteverfahrens.
- 3. Messung des Antriebsdruckes und der Ventilstellung.
- 4. Detektion einer Änderung des Stellungs-Istwertes.
- 5. Speichern des zugehörigen Antriebsdruckes richtungsabhängig.
- 6. Berechnung des Differenzdruckes zweier unterschiedlicher Bewegungsrichtungen
und/oder Berechnung der Reibkraft.
- 7. Generation eines Druck/Weg-Diagrammes.
- 8. Bei Überschreitung zulässiger Schranken Alarm an das Bedienpersonals
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Für die Variante 1 ergibt sich für die Berechnung der Totzeit folgendes.
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Der Positionierer und damit die Wegmessung im Positionierer ist mechanisch an die
Ventilstange angekoppelt. Durch Verschleiß kann eine Lose innerhalb der
mechanischen Ankopplung entstehen. Folglich wird das Weg-Messsignal insbesondere
bei Richtungsumkehr verzögert. Die dabei auftretende Totzeit reduziert die Stabilität
des Positions-Regelkreises, was zu Dauerschwingungen und Anlagenabschaltung
führen kann. Die Grundidee des Verfahrens besteht darin, dass das Ventil durch
Sollwertänderungen - wie oben beschrieben - bewegt wird. Der tatsächliche Zeitpunkt,
zu dem sich das Ventil aus dem Ruhe zustand in Bewegung setzt, ist aus dem
Antriebsdruck bzw. dem Zeitverhalten der Reibkraft, wie oben beschrieben,
detektierbar. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Zeitzähler gestartet. Dieser wird gestoppt,
wenn über das Weg-Messsignal eine Wegänderung detektiert wird. Die gemessene
Zeit ist dann die oben beschriebene Totzeit. Ein Maß für die zulässige Totzeit ist das
Verhältnis gemessene Zeit/max. Stellzeit des Antriebs.
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Die Verfahrensschritte sind folgende:
- 1. Stellungsregler in Automatik-Betrieb
- 2. Überprüfung, ob das Ventil in Ruhe ist anhand von Stellung oder Antriebsdruck
(z. B. für 1 s)
- 3. Start des Auswerteverfahrens
- 4. Messung des Antriebsdruckes und der Ventilstellung
- 5. Sprungförmige Änderung des Sollwertes für die Stellung des Ventils
Sollwert > als tote Zone des Reglers, damit eine Ventilbewegung erzwungen wird
- 6. Messung des Antriebsdruckes, Detektion des Zeitpunktes wenn das Ventil sich
bewegt
- 7. Start der Zeitmessung
- 8. Bei Änderung des Positionssignals → Stopp der Zeitmessung und abspeichern
- 9. Wiederholung der Punkte 1-8 für mehrere Sollwertänderungen
- 10. Bestimmung der Totzeit aus den Messungen
- 11. Bei Überschreiten zulässiger Schranken, Alarm an das Bedienpersonal
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Für Variante 2 ergibt sich für die Berechnung des Weges folgendes
Falls die Anzeige der toten Zone als Hub erforderlich ist, gibt es zwei Möglichkeiten:
Falls die Stellzeiten des Ventils richtungsabhängig sind, muss die Totzeit
richtungsabhängig gespeichert werden. Nach Ermittlung der Totzeit wird die tote Zone
folgendermaßen berechnet
Ytote_Zone = (Tt1/Ty1) × Y;
wobei
Tt1 = gemessene Totzeit (ggf. in Richtung "öffnen")
Ty1 = Stellzeit (ggf. in Richtung "öffnen")
Y = 100%-Hubbereich des Ventils in mm
Ytote_Zone = Tote Zone in mm
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Falls ein Unterschied zwischen beiden Stellzeiten besteht, erfolgt die Berechnung in
Schließrichtung analog. Es muss jedoch nur eine Richtung ausgewertet werden.
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Wichtig ist, dass immer die zueinander korrespondierenden Zeiten verwendet werden.
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Läßt man einen größeren Fehler zu, so kann natürlich auf die Richtungsabhängigkeit
verzichtet werden.
2. Verbesserte Berechnung
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Bei dem betreffenden Ventil werden im Neuzustand kleine Sollwertänderungen um
einen Arbeitspunkt (z. B. 50% oder dem voraussichtlich am häufigsten verwendete
Arbeitspunkt) durchgeführt wie oben beschrieben. Die Zeit (t0), zu der sich das Ventil
in Bewegung setzt wird wie oben beschrieben erfasst. Ebenso wird die Zeit (t63)
gespeichert wenn der Istwert der Position anschließend 63% der Sollwertänderung
(y63) erreicht hat. Anschließend wird die Differenz der Zeitwerte gebildet Δt = t63 - t0.
Daraus wird ein Bewertungsfaktor berechnet und abgespeichert und zur späteren
Berechnung der toten Zone herangezogen. Die tote Zone berechnet sich demzufolge:
Ytote_Zone = (y63/Δt) × (Tt1) mit dem Bewertungsfaktor (y63/Δt).
(Anmerkung: statt y63, t63 könnten auch andere aus der Regelungstechnik bakannte
Zeitkennwerte genommen werden)
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Falls das Ventil (Antrieb) richtungsabhängige Stellzeiten aufweist, werden ebenfalls nur
zueinander korrespondierende Zeiten (z. B. in Richtung "Öffnen") verwendet.
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Daraus ergeben sich folgende Schritte:
- 1. Stellungsregler in Automatik-Betrieb
- 2. Überprüfung, ob das Ventil in Ruhe ist anhand von Stellung oder Antriebsdruck
(z. B. für 1 s)
- 3. Start des Auswerteverfahrens
- 4. Messung des Antriebsdruckes und der Ventilstellung
- 5. Sprungförmige Änderung des Sollwertes für die Stellung des Ventils;
Sollwert > als tote Zone des Reglers, damit eine Ventilbewegung erzwungen wird
- 6. Messung des Antriebsdruckes, Detektion des Zeitpunktes wenn das Ventil sich
bewegt
- 7. Start der Zeitmessung
- 8. Bei Änderung des Positionssignals → Stopp der Zeitmessung und abspeichern
- 9. Wiederholung der Punkte 1-8 für mehrere Sollwertänderungen
- 10. Bestimmung der Totzeit aus den Messungen
- 11. Berechnung der toten Zone gemäss einem der Verfahren 1. oder 2.
- 12. Bei Überschreiten zulässiger Schranken, Alarm an das Bedienpersonal