DE10344088B4

DE10344088B4 - Funktionsprüfvorrichtung für ein Feldgerät und Verfahren zur Funktionsprüfung eines Feldgeräts und Feldgerät

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Publication number: DE10344088B4
Application number: DE10344088A
Authority: DE
Inventors: Harald Kah; Dr. Karte Thomas; Dr. Kiesbauer Jörg; Peter Opl; Karl-Bernd Schärtner
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: US20050075817A1; DE10344088A1

Abstract

Feldgerät (1) eines Notfallsystems für eine chemische Anlage, einen Gasbrenner oder dergleichen, welches Notfall-Feldgerät (1) ein Schnellschlußventil (4), einen pneumatischen Aktuator (5), der bei fehlender Energieversorgung entlüftet, so daß das Schnellschlußventil (4) in eine Sicherheits- oder Notbetriebsposition verfährt, und eine Funktionsprüfungsvorrichtung aufweist, die mit einer Einrichtung zum Erfassen der Position des Schnellschlußventils (4), zumindest einem flüchtigen Speicher zum Speichern der durch die Einrichtung erfassten Schnellschlußventilpositionen, zumindest einem nicht-flüchtigen Speicher zum Sichern der erfassten und im flüchtigen Speicher gespeicherten Schnellschlußventilpositionen, einer Datenverarbeitungseinrichtung und zumindest einem elektrischen Energiepuffer versehen ist, der derart auf die Einrichtung zum Erfassen der Schnellschlußventilpositionen, die Datenverarbeitungseinrichtung, den flüchtigen Speicher und den nicht-flüchtigen Speicher energieversorgend einwirkt, dass zumindest während des Verfahrens des Schnellschlußventils (4) in die bestimmte Sicherheits- oder Notbetriebsposition Schnellschlußventilpositionen erfasst und nicht-flüchtig gesichert werden und die Datenverarbeitungsvorrichtung die gesicherten Schnellschlußventilpositionen in einem erneuten Normalbetriebsmodus ausliest und auswertet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät mit einer Funktionsprüfvorrichtung, wobei die Funktionsprüfvorrichtung und das Feldgerät mit elektrischer Energie versorgbar sind und das Feldgerät bei fehlender Energieversorgung in einen bestimmten Betriebsmodus verfahrbar ist. Die Funktionsprüfvorrichtung umfasst zumindest eine Einrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten des Feldgeräts und zumindest einen nicht-flüchtigen Speicher zum Sichern der erfaßten Betriebsdaten.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Feldgeräts, das entsprechend der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Funktionsprüfvorrichtung verfährt.
In der Prozessindustrie spielt die Überwachung von sicherheitsrelevanten Kreisen der Mess- und Regelungstechnik eine immer bedeutendere Rolle. Vor allem ist es im Hinblick auf die Auslegung von Notschaltsystemen von entscheidender Bedeutung, Aussagen über die Zuverlässigkeit des richtigen Betriebs insbesondere in einer Notfallsituation oder über die Ausfallwahrscheinlichkeit von Feldgeräten machen zu können.
Bei Verwendung von Feldgeräten, die mittels Zweileitertechnik miteinander bzw. einer Prozesssteuereinrichtung verbunden sind, ist jedoch eine zur Überwachung des Feldgeräts wünschenswerte Beobachtung und Speicherung von Betriebsdaten desselben bisher nur teilweise möglich. So ist bei einer Zweileiterleitung, die sowohl die Energieversorgung als auch die Signalübertragung über eine einzelne Leitung gewährleistet, insbesondere während des kritischen Zeitpunkts eines Abschaltens bzw. einer Unterbrechung der Energieversorgung oder des Zeitraums unmittelbar davor, die analoge oder auch digitale Signalübertragung gestört und bricht im Falle einer Sicherheitsabschaltung durch Abschalten der elektrischen Energieversorgung vollständig zusammen. So wird zum Beispiel im Falle einer Ventilsteuerung durch elektrische Stellungsregler die so genannte Fail Safe Stellung oder Sicherheitsstellung durch Abschaltung der gemeinsamen elektrischen Versorgungs- und Signalleitung erzwungen. Aufgrund der Abschaltung ist aber eine Beobachtung der Ventilbewegung bis zum Erreichen der Endlage bzw. Sicherheitsstellung mittels einer zentralen Prozesssteuereinrichtung nicht ohne weiteres möglich.
Auch bei gattungsgemäßen Feldgeräten mit Funktionsüberwachungsvorrichtung, die eine interne Abspeicherung von Betriebsdaten des Feldgeräts vornehmen, ist eine Aufnahme von Betriebsdaten vor und während eines Sicherheitsbetriebsmodus, bei dem das Feldgerät in einen Sicherheitszustand versetzt wird, beispielsweise ein Ventil in die Sicherheitsstellung verfahren wird, nicht ohne weiteres möglich. So werden nicht-flüchtige Speicher innerhalb der Funktionsprüfvorrichtung zur Speicherung von Betriebsdaten während eines Normalbetriebs, d. h. bei einer intakten Energieversorgung über die Zweileiterschleife, eingesetzt. Diese in dem nicht-flüchtigen Speicher abgelegten Daten können dann nach einem Sicherheitsbetrieb abgerufen und ausgewertet werden. Jedoch weisen diese nicht-flüchtigen Speicher nur eine begrenzte Anzahl von möglichen Schreibzyklen, zirka 100.000 bis 1.000.000 Schreibzyklen, auf. Daher ist es notwendig, dass zunächst Daten über ein relativ großes Zeitintervall gesammelt werden, bevor sie in dem nicht-flüchtigen Speicher abgelegt werden. Um eine Wartungsfreiheit des Feldgeräts von mehreren Jahren sicherzustellen, ist es daher notwendig, dass die Daten über einen Zeitraum von 0,5 bis 6 Stunden in der Funktionsprüfvorrichtung in einem flüchtigen Speicher gesammelt werden, bevor sie in dem nicht-flüchtigen Speicher abgelegt werden. Dies bedeutet, dass bei einer Sicherheitsabschaltung auf Grund des Abschaltens der Energieversorgung des Feldgeräts über die Zweileiterschleife die Betriebsdaten für einen Zeitraum von bis zu 0,5 bis 6 Stunden, die in dem flüchtigen Speicher vor der Sicherheitsabschaltung abgelegt sind und nicht in den nicht-flüchtigen Speicher übertragen wurden, verlorengehen. Ferner ist eine umfangreichere zyklische Abspeicherung relevanter Daten aus dem laufenden Betrieb auf Grund der geringen zur Verfügung stehenden Energie von 20–40 mal und der damit begrenzten Speichergröße des flüchtigen Speichers nur begrenzt möglich.
Um dennoch Aussagen über die Funktionstüchtigkeit des Feldgeräts in einem Sicherheitsbetriebsmodus machen zu können, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, derartigen Feldgeräten in einem Normalbetriebsmodus geringfügige Stellsignale aufzuerlegen, um eine regelmäßige Überprüfung verschiedener Größen, wie einer Ansprechzeit oder einer Bewegungszeit vorzunehmen und daraus Größen wie eine Trägheit und dergleichen zu bestimmen.
Diese Maßnahmen lassen es jedoch insbesondere nicht zu, Parameter, wie die Sicherheitsabschaltansprechzeit, d. h. die Zeit zwischen Anlegen des Signals zur Sicherheitsabschaltung und einer ersten Bewegung des Ventils, die Schließzeit, d. h. die Laufzeit des Ventils von einer Auf-Stellung in eine Zu-Stellung, oder die Genauigkeit der Erreichung der Nullpunktlage oder Sicherheitsstellung direkt zu ermitteln.
Insbesondere in der Prozessindustrie werden sicherheitsrelevante Kreise der Mess- und Regelungstechnik jedoch zunehmend nach IEC 61508/61511 klassifiziert. Hieraus ergibt sich für Feldgeräte die Notwendigkeit, dass eine qualitative, aber auch quantitative Beobachtung und Dokumentation des Verhaltens des Feldgeräts nicht nur während des Normalbetriebsmodus, sondern auch in einem Sicherheitsbetriebsmodus im Falle eines Abschaltens der Energieversorgung gefordert wird. Daneben ist auch für nicht sicherheitsrelevante Kreise der Mess- und Regelungstechnik die Beobachtung und Aufzeichnung wichtiger Betriebs- und Statusinformationen für den Betreiber wertvoll. Aus diesen Beobachtungen können dann direkt Daten zur Ermittlung der MTBF (Meantime between failure (mittlerer Ausfallabstand)) und zur Durchführung der FMEDA (Failure modes, effects and diagnostic analysis) gewonnen werden. Diese Größen werden verwendet, um eine Klassifizierung der sicherheitsrelevanten Kreise vorzunehmen, insbesondere ermöglichen sie eine Einteilung des Kreises in einen bestimmten Safety Integrity Level (SIL). Besonders bei Feldgeräten in Form von Schnellschlussventilen, die eingesetzt werden, um bei einer Signalisierung zum Verfahren in eine Sicherheitsstellung, die durch Abschalten der Energieversorgung, inbesondere durch die Zweileiterschleife, erfolgt, eine Entlüftung bzw. Absperrung einer Leitung in der Sicherheitsstellung vorzunehmen, ist es notwendig, dass Daten über die Verlässlichkeit des Feldgeräts vorliegen.
Im Stand der Technik wurden verschiedene Lösungsansätze gewählt, um die zuvor beschriebenen Probleme zu überwinden, die jedoch nicht befriedigend sind. So ist es aus dem Produkt Bulletin des Unternehmens Emerson für eine digitale Sicherheitsventilsteuereinrichtung ”DVC 6000” bekannt, eine Vierleiterschleife einzusetzen, um auch im Falle eines Störfalls und Aktivierung des Sicherheitsventils die Aufnahme von insbesondere für die Funktionsüberprüfung des Feldgeräts notwendigen Daten sicherzustellen. Eine derartige Vierleiter schleife bewirkt jedoch einen enorm erhöhten Verkabelungsaufwand und führt so zu einer erhöhten Komplexität des Regelkreises und somit zu erhöhten Herstellungs- und Wartungskosten.
Darüber hinaus offenbart die DE 199 29 804 A1 ein Steuerungssystem mit zentralen und/oder dezentralen Baugruppen, in denen Schutzeinrichtungen, wie Sensoren und/oder Aktoren, angeschlossen sind. Die Baugruppen sind zur Übertragung von Daten und Informationen über zumindest eine Kommunikationsverbindung und zur Versorgung mit mindestens einer Versorgungsspannung über zumindest eine Energieversorgungsleitung miteinander verbunden, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass diese beiden Leitungen in einer gemeinsamen Leitung ausgeführt werden. Um zu bewirken, dass das Steuerungssystem auch bei einer Störung der Kommunikationsverbindung und/oder der Energieversorgungsleitung funktionsfähig bleibt, ist jeweils eine Einheit zur Überwachung der Versorgungsspannung und/oder eine Einheit zur Überwachung der Kommunikationsverbindung vorgesehen. Sobald eine Störung auftritt, ist insbesondere vorgesehen, dass über eine Sende-/Empfangseinheit eine nicht materielle Kommunikationsverbindung zwischen den Baugruppen aufgebaut wird. Zur Energieversorgung ist eine eigene Notstromversorgung in Form einer Batterie vorgesehen. Nachteilig bei diesem Steuerungssystem ist jedoch, dass aufgrund des hohen Energieverbrauchs dieser Elemente eine energiereiche Notstromversorgung vorgesehen werden muß, um eine Funktionsfähigkeit des Steuerungssystems auch in einem Störfall aufrechtzuerhalten. Somit ist das Steuerungssystem insbesondere nicht zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar und darüber hinaus läuft ein derartiges Konzept aufgrund der Notwendigkeit eines Austausch der Batterie einer angestrebten Wartungsfreiheit des Feldgeräts entgegen. Ferner ist die Realisierung der nicht materiellen Kommunikationsverbindung mit einem hohen Kostenaufwand verbunden, da jede einzelne Baugruppe mit einer einzelnen Sende-/Empfangseinheit ausgestattet werden muß.
Ferner offenbart die DE 199 37 515 A1 ein Verfahren und eine Anordnung zur selektiven Aufzeichnung von Meldungen. Zur Überwachung einer in einem Feldbereich angeordneten Einrichtung wird vorgeschlagen, dass dieselbe mittels einer Kommunikationsschnittstelle temporär mit einer Überwachungseinrichtung verbunden wird. Im laufenden Betrieb werden dann für vorbestimmbare Ereignisse und Zustände Meldungen generiert, an die Überwachungseinrichtung gesendet und in der Überwachungseinrichtung fortlaufend gespeichert. Beim Auftreten einer Störung in der zu überwachenden Einrichtung wird ein vordefiniertes Fehlersignal generiert, woraufhin die Aufzeichnung von Meldungen unwiderruflich abgebrochen wird. Nachteilig bei dieser Anordnung ist jedoch, dass ein zusätzliches Gerät manuell an der zu überwachenden Einrichtung angebracht werden muß, so dass ein sehr hoher Aufwand notwendig ist, um eine Vielzahl von Feldgeräten innerhalb eines Feldbereichs zu überwachen. Darüber hinaus ermöglicht auch die Anordnung der DE 199 37 515 A1 nicht die Überwachung der Einrichtung in einem Zeitraum nach Auftreten eines Störfalls, um insbesondere die Zuverlässigkeit der zu überwachenden Einrichtung zu überwachen.
Die EP 1 161 636 B1 offenbart ein Notabschaltsystem, bei dem eine Steuereinrichtung ein Abschaltventil auf ein Fehlersignal hin steuert dahingehend, dass das Abschaltventil von einer vollständig geöffneten Position in eine teilweise geöffnete Position gebracht und wieder in die vollständig geöffnet Stellung zurückgebracht wird.
DE 199 20 532 A1 offenbart eine Einrichtung zum Überwachen von Betriebsparametern mit einem nicht-flüchtigen Speicher zum Sichern der Betriebsparameter und einer Mikroprozessoreinheit, die über eine Batterie versorgt sind.
DE 199 20 532 A1 offenbart eine Einrichtung zum Überwachen von Betriebsparametern einer Steuerungseinrichtung, die in einer Heizungsanlage eingesetzt werden soll. Eine aufladbare Batterie ist dazu vorgesehen, einen Betrieb auch dann aufrecht zu erhalten, wenn eine externe Stromversorgung ausfällt. Aus DE 196 12 696 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Mikro-Controllers mit inkorporierten „Sleep-Modus” bei verminderter Betriebsspannung bekannt. DE 100 29 235 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erfassung systematischer Fehlerzustände an einer intelligenten elektronischen Vorrichtung. DE 43 42 903 A1 offenbart ein brennstoffbeheiztes Gerät mit einer Fehleranalyseeinrichtung, welche bei Auftreten eines Fehlers das Gerät abschaltet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Feldgerät mit einer Funktionsprüfvorrichtung zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwinden kann, insbesondere welches einen konstruktiv einfachen Aufbau aufweisen soll und Zuverlässigkeitsanalysen des Funktionsbetriebs von einer Mehrzahl von Feldgeräten im Falle des Ausfalls der gesamten Energieversorgung kostengünstig ermöglichen kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruchs 1 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung vorgesehen, die überprüfen soll, ob ein Feldgerät, insbesondere ein Schnellschlussventil eines Notfallsystems vorzugsweise einer chemischen Anlage, eines Gasbrenners oder dergleichen, im Falle eines Stromausfalls in einen vorbestimmbaren Betriebsmodus verfahren wird; bei einem Schnellschlussventil, ob letzteres geschlossen wird. Dieses automatische Einnehmen der bestimmten Betriebsstellung des Feldgeräts kann durch eine Feder oder dergleichen betrieben werden, die erst dann ihre potentielle Energie freigiebt, wenn es zu einem gewollten Stromausfall kommen sollte. Die Funktionsprüfvorrichtung hat zumindest eine Einrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten des Feldgeräts (1) und zumindest einen nicht-flüchtigen Speicher (13) zum Sichern der erfassten Betriebsdaten. Zumindest ein Puffer elektrischer Energie ist vorgesehen, der derart auf die Einrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten und den nicht-flüchtigen Speicher (13) energieversorgend einwirkt, dass zumindest während eines Übergangs des Feldgeräts (1) in den bestimmten Betriebsmodus die Betriebsdaten des Feldgeräts (1) erfasst und nicht-flüchtig gesichert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme wird möglich, eine von der Energieversorgung unabhängige Funktionsprüfung des Feldgeräts vorzunehmen, ohne die Kosten für die Feldgerätanordnung, umfassend das Feldgerät und die Funktionsprüfvorrichtung, merklich zu erhöhen. Somit können Zuverlässigkeitsstudien über Feldgeräte gemäß beispielsweise der IEC-Norm 61508/61511 unter Bestimmung genauester Wahrscheinlichkeiten für den korrekten Betrieb eines bestimmten Feldgerätstypus mit geringen messtechnischen und konstruktiven Aufwand realisiert werden.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Funktionsprüfvorrichtung und das Feldgerät über eine Zweileiterschleife, die insbesondere an eine Prozesssteuereinrichtung anschließbar ist, mit der elektrischen Energieversorgung verbindbar sind.
Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Einrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten zumindest einen Sensor, dass die Funktionsprüfvorrichtung und das Feldgerät über eine Zweileiterschleife, die insbesondere an eine Prozesssteuereinrichtung anschließbar ist, mit der elektrischen Energie vorzugsweise einen Spannungs-, Stromstärke-, Temperatur-, Weg-, Drucksensor und/oder einen Sensor zum Erfassen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids umfaßt.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der Puffer elektrischer Energie für einen Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich ausgeführt ist.
Die Erfindung sieht ferner vor, dass der Puffer elektrischer Energie auf einem im wesentlichen rein physikalischen, insbesondere kapazitiven, Wirkprinzip beruht, insbesondere keine elektrochemische, galvanische und/oder elektrolytische Komponente umfaßt.
Bei einer bevorzugten Ausführung weist der elektrische Energiepuffer eine im wesentlichen rechteckige Energieabgabecharakteristik auf. Insbesondere kann der elektrische Energiepuffer dazu ausgelegt sein, Leistungswerte in einem Bereich von ungefähr 10 μA bei ungefähr 0,7 V bis ungefähr 4 mA bei ungefähr 10 V für ungefähr 0,5 bis 10 sec. bei im wesentlichen konstanter Energieabgabe, vorzugsweise im wesentlichen ca. 0,8 bis 1 mA bei im wesentlichen 3 bis 5 V für ca. 3 bis 5 sec., bereitzustellen.
Bei einer Weiterentwicklung der Funktionsprüfvorrichtung stellt der elektrische Energiepuffer elektrische Energie bei einem korrekt funktionierenden Feldgerät bis Erreichen des bestimmten Betriebsmodus des Feldgeräts, insbesondere bis zum Erfassen eines vorbestimmten Betriebszustands des Feldgeräts, oder bis einige Sekunden, vorzugsweise bis höchstens 10 Sekunden, nach Erreichen des bestimmten Betriebsmodus des Feldgeräts bereit.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Puffer elektrischer Energie zumindest einen Supercap-Kondensator, vorzugsweise einen Gold-Cap-Kondensator, umfaßt. Insbesondere bei einem derartigen Energiepuffer ist letzterem ein Step-Down-Regulator nachgeschaltet, der eine Herabsetzung insbesondere der anfänglichen Spitzenspannung bei weitgehender Ausnutzung der gespeicherten elektrischen Energie gestattet.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Puffer elektrischer Energie insbesondere von der elektrischen Energieversorgung aufladbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der elektrische Energiepuffer bezüglich des Betriebs des Feldgeräts insbesondere elektrisch entkoppelt ist, insbesondere dazu ausgeführt ist, den Betrieb des Feldgeräts bei fehlender Energieversorgung unbeeinflussend Energie bereitzustellen.
Eine Funktionsprüfvorrichtung sieht zumindest eine Überwachungseinrichtung zum Detektieren eines Fehlens der elektrischen Energieversorgung, vorzugsweise umfaßt von der Einrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten vor.
Mit der Erfindung wir ferner zumindest eine Datenverarbeitungsvorrichtung, welche die von der Einrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten erfaßten Daten verarbeitet, vorgeschlagen.
Bei der letztgenannten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungsvorrichtung zumindest einen Mikrorechner umfaßt, dessen Taktfrequenz vorzugsweise während des Sicherheitsbetriebsmodus reduzierbar ist.
Vorteilhafterweise ist eine Funktionsprüfvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten des Feldgeräts vorzugsweise als Datensatz, der zumindest einen Betriebswert, wie einen dem Feldgerät, insbesondere mittels der Zweileiterschleife, übermittelten Sollwert, zumindest einen Istwert, wie eine Stellposition, des Feldgeräts, zumindest einen mittels der Einrichtung zum Erfassen der Betriebsdaten des Feldgeräts aufgenommenen Messwert, wie einen Spannungs-, Stromstärke-, Druck-, Temperatur-, Weglängen-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungswert und/oder Strömungsgeschwindigkeitswert eines Fluids, zumindest einen Betriebsstundenzählerwert und/oder eine Gerätestatusinformation, und zumindest einen Zeitinformationswert umfasst, in zumindest einem flüchtigen Speicher insbesondere mittels der Datenverarbeitungsvorrichtung komprimiert abspeicherbar sind.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der flüchtige Speicher ein First-In-First-Out-Speicher ist.
Bei den beiden vorgenannten Ausführungsformen wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass der flüchtige Speicher zumindest einen ersten Speicherbereich und zumindest einen zweiten Speicherbereich umfaßt, wobei die Betriebsdaten eines ersten Zeitraums in dem ersten Speicherbereich abspeicherbar sind und bei einem Speicherüberlauf des ersten Speicherbereichs die Betriebsdaten des ersten Speicherbereichs in den zweiten Speicherbereich, vorzugsweise in komprimierter Form und/oder in einem First-In-First-Out-Verfahren, abspeicherbar sind.
Auch kann zumindest eine interne Uhr, insbesondere in Form einer Echtzeituhr, eines Funkuhrmoduls und/oder eines relativen Zeitzählers, die vorzugsweise mittels einer insbesondere von der Prozesssteuereinrichtung umfaßten Echtzeituhr und/oder eines vorzugsweise von der Prozesssteuereinrichtung umfaßten Funkuhrmoduls synchronisierbar ist, wobei mittels der internen Uhr der Zeitinformationswert bestimmbar ist, vorgesehen sein.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Funktionsprüfvorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät in dem Sicherheitsbetriebsmodus in einen vorher festgelegten Sicherheitszustand bringbar ist und insbesondere nach Erreichen des Sicherheitszustands die in dem flüchtigen Speicher abgelegten Daten in den nicht-flüchtigen Speicher übertragbar sind.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist wirkt eine Einrichtung potentieller Energie auf das Feldgerät derart ein, dass bei bestehender Energieversorgung das Feldgerät in einem ersten, insbesondere deaktivierten Betriebszustand gehalten wird und bei fehlender Energieversorgung die potentielle Energie zum Verbringen des Feldgeräts in den bestimmten Betriebsmodus freigegeben wird. Es soll also insbesondere keine Steuerung des Notbetriebs des Feldgeräts bei fehlender Energieversorgung vorgenommen sein. Lediglich ist die tatsächlich vorbestimmte erzwungene Funktionsweise des Feldgeräts im Notbetrieb zu beobachten und aufzuzeichnen, damit eine Aussage über die Zuverlässigkeit des Funktionsbetriebs gemacht werden kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die in einem flüchtigen Speicher und/oder in dem nicht-flüchtigen Speicher gespeicherten Betriebsdaten mittels einer Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder einer Prozesssteuereinrichtung auslesbar und/oder auswertbar sind, insbesondere zumindest eine Kenngröße des Feldgeräts bezüglich des Verhaltens im Sicherheitsbetriebsmodus, vorzugsweise zumindest ein mittlerer Ausfallabstand (MTBF), ein Weg-Zeitdiagramm, eine Ansprechzeit, eine Schliesszeit und/oder die Genauigkeit der Erreichung einer Nullpunktlage insbesondere zur Durchführung einer Fehlerart-, Fehlereffekt- und/oder Fehlerdiagnose-Analyse bestimmbar ist.
Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass der nicht-flüchtige Speicher zumindest einen EEPROM und/oder zumindest einen FRAM und/oder der flüchtige Speicher zumindest einen RAM umfaßt bzw. umfassen.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Feldgeräts beim Übergang von einem Normalbetriebsmodus in einen Sicherheitsbetriebsmodus.
Das Verfahren soll gegenüber dem gattungsgemäßen Verfahren zur Überwindung dessen Nachteile weiterentwickelt sein und insbesondere Zuverlässigkeitsanalysen des Funktionsbetriebs von einer Mehrzahl von Feldgeräten für den Fall des Ausfalls der gesamten Energieversorgung konstengünstig ermöglichen.
Die Merkmale gemäß Anspruch 18 des erfindungsgemäßen Verfahrens lösen diese Aufgabe. Danach wird durch ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Feldgeräts, das entsprechend der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Funktionsprüfvorrichtung verfährt, wobei das Feldgerät über eine elektrische Hauptenergieversorgung betrieben werden und bei fehlender elektrischer Hauptenergieversorgung in einen bestimmten Betriebsmodus gebracht wird, wobei zumindest während eines Übergangs des Feldgeräts in den bestimmten Betriebsmodus unabhängig von der Hauptenergieversorgung insbesondere durch einen Puffer elektrischer Energie Betriebsdaten des Feldgeräts ermittelt und nicht-flüchtig gesichert werden.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrische Hauptenergieversorgung über eine Zweileiterschleife elektrische Energie bereitstellt, wobei das Feldgerät vorzugsweise über die Zweileiterschleife von einer Prozesssteuereinrichtung gesteuert und/oder geregelt wird.
Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass das Feldgerät in dem Sicherheitsbetriebsmodus in einen Sicherheitszustand versetzt wird.
Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Betriebsdaten in zumindest einem flüchtigen Speicher gesammelt und bei Erreichen des Sicherheitszustandes in zumindest einem nicht-flüchtigen Speicher gesichert werden.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass während eines Normalbetriebsmodus, bei dem eine Versorgung über die elektrische Hauptenergieversorgung erfolgt, und/oder während eines Übergangs des Feldgeräts von dem Normalbetriebsmodus in den Sicherheitsbetriebsmodus Betriebsdaten des Feldgeräts gesammelt werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Betriebsdaten in Form eines Datensatzes umfassend zumindest einen Betriebswert und zumindest einen Zeitinformationswert abgespeichert werden.
Bei der zuletzt genannten Ausführungsform wird ferner vorgeschlagen, dass als Betriebswert zumindest ein dem Feldgerät, insbesondere mittels der Zweileiterschleife, übermittelter Sollwert, zumindest ein Istwert, wie eine Stellposition, des Feldgeräts, zumindest ein mittels zumindest eines Sensors des Feldgeräts aufgenommener Messwert, wie ein Druck-, Temperatur-, Weglängen-, Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungswert, zumindest ein Betriebsstundenzählerwert und/oder eine Geratestatusinformation abgespeichert wird bzw. werden.
Die beiden vorgenannten Alternativen des Verfahrens können dadurch gekennzeichnet sein, dass als Zeitinformationswert ein absoluter Zeitwert abgespeichert wird, wobei der absolute Zeitwert vorzugsweise mittels einer internen Uhr, wie einer Echtzeituhr und/oder einem Funkuhrmodul, der Funktionsprüfvorrichtung bestimmt wird.
Auch wird dabei vorgeschlagen, dass die Echtzeituhr während des Normalbetriebsmodus mittels eines Benutzers synchronisiert wird und/oder die Funktionsprüfvorrichtung zumindest ein, vorzugsweise über die Zweileiterschleife, insbesondere mittels der Prozesssteuereinrichtung generiertes, vorzugsweise digitales, Synchronisationssignal empfängt, und die Echtzeituhr mittels des Synchronisationssignals synchronisiert wird.
Alternativ wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass als Zeitinformationswert ein relativer Zeitwert abgespeichert wird, wobei der relative Zeitwert, insbesondere mittels einer internen Uhr, vorzugsweise in Form eines relativen Zeitzählers, bestimmt wird.
Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass die Betriebsdaten während des Normalbetriebsmodus im wesentlichen kontinuierlich und/oder in einem ersten periodischen Zeitabstand aufgenommen werden und/oder die Betriebsdaten während des Sicherheitsbetriebsmodus im wesentlichen kontinuierlich und/oder in einem zweiten periodischen Zeitabstand aufgenommen werden, wobei vorzugsweise der erste periodische Zeitabstand größer als der zweite periodische Zeitabstand ist.
Mit der Erfindung wird eine Ausführungsform vorgeschlagen, bei der die Betriebsdaten in dem flüchtigen Speicher in einem First-In-First-out Verfahren, bei dem im Falle eines Speicherüberlaufs jeweils die ältesten Daten durch die jeweils aktuellen Daten überschrieben werden, abgespeichert werden.
Auch wird vorgeschlagen, dass die Betriebsdaten in dem flüchtige Speicher in zumindest einem ersten Speicherbereich und zumindest einem zweiten Speicherbereich abgespeichert werden, wobei die Betriebsdaten eines ersten Zeitraums in dem ersten Speicherbereich, vorzugsweise unkomprimiert, abgespeichert werden und bei einem Speicherüberlauf des ersten Speicherbereichs die Betriebsdaten aus dem ersten Speicherbereich ausgelesen und in komprimierter Form in dem zweiten Speicherbereich abgespeichert werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Betriebsdaten durch zeitliche Mittelung, Datenreduktion, vorzugsweise mittels eines softwaregestützten Algorithmuses, und/oder Bildung von Histogrammen komprimiert werden.
Bei den beiden vorgenannten Alternativen wird vorgeschlagen, dass in dem zweiten Speicherbereich nur die Betriebsdaten des ersten Zeitraums abgespeichert werden.
Alternativ ist vorgesehen, dass in dem zweiten Speicherbereich die Betriebsdaten eines zweiten Zeitraums, der größer als der erste Zeitraum ist, abgespeichert werden, wobei die Betriebsdaten, vorzugsweise in dem zweiten Speicherbereich in einem First-In-First-out Verfahren, bei dem im Falle eines Speicherüberlaufs des zweiten Speicherbereichs jeweils die ältesten Daten durch die jeweils aktuellen Daten überschrieben werden, abgespeichert werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass die in dem nicht-flüchtigen Speicher und/oder in dem flüchtigen Speicher abgespeicherten Betriebsdaten im Normalbetriebsmodus von der Prozesssteuereinrichtung abgerufen und an die Prozesssteuereinrichtung übertragen werden und/oder die in dem flüchtigen Speicher und/oder dem nicht-flüchtigen Speicher abgespeicherten Betriebsdaten im Normalbetriebsmodus mittels der Funktionsprüfvorrichtung ausgewertet werden, wobei die Auswertungsergebnisse an die Prozesssteuereinrichtung übertragen werden, vorzugsweise mittels der Zweileiterschleife.
Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein Abruf und/oder eine Auswertung der in dem nicht-flüchtigen Speicher abgespeicherten Betriebsdaten im wesentlichen umgehend nach einem Wechsel des Feldgeräts aus dem Sicherheitsbetriebsmodus in den Normalbetriebsmodus erfolgt, wobei die abgespeicherten Betriebsdaten an die Prozesssteuereinrichtung gesandt werden und/oder die abgespeicherten Betriebsdaten mittels der Funktionsprüfvorrichtung ausgewertet werden und die Auswertungsdaten an die Prozesssteuereinrichtung gesandt werden.
Auch sieht die Erfindung vor, dass die relativen Zeitinformationswerte der abgespeicherten Betriebsdaten, vorzugsweise mittels eines Vergleichs der Betriebsdaten, mit in der Prozesssteuereinrichtung abgespeicherten Daten bezüglich der Dauer und/oder der Reihenfolge der an das Feldgerät übermittelten Sollwerte, in absolute Zeitinformationswerte umgerechnet werden.
Insbesondere wird auch vorgeschlagen, dass aus den Betriebsdaten zumindest eine Kenngröße des Feldgeräts bezüglich des Verhaltens in dem Normalbetriebsmodus und/oder in dem Sicherheitsbetriebsmodus, vorzugsweise zumindest ein mittlerer Ausfallabstand (MTBF), ein Weg-Zeitdiagramm, eine Ansprechzeit, eine Schliesszeit und/oder die Genauigkeit der Erreichung einer Nullpunktlage, insbesondere zur Durchführung einer Fehlerart-, Fehlereffekt- und/oder Fehlerdiagnose-Analyse, bestimmt wird bzw. werden.
Schließlich kann das Verfahren vorsehen, dass der Energiebedarf der Funktionsprüfvorrichtung in dem Sicherheitsbetriebsmodus, vorzugsweise durch Abschalten nicht benötigter Funktionen, wie der Betätigung eines Aktors, und/oder einer Reduzierung der Taktfrequenz eines Mikrorechners, reduziert wird.
Erfindungsgemäß wird ein Feldgerät, insbesondere ein Schnellschlussventil, umfassend zumindest eine Funktionsüberwachungsvorrichtung, welches Feldgerät insbesondere gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, geliefert.
Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es mittels der Funktionsprüfvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, ohne eine wesentliche Erhöhung des konstruktiven Aufwands eines Feldgeräts, möglich ist, eine Überwachung desselben derart durchzuführen, dass es auch höchsten Sicherheitsanforderungen genügt. So wird trotz der geringen zur Verfügung stehenden Energie von typischerweise 20 bis 40 mW und der begrenzten Anzahl von möglichen Schreibzyklen eines nicht-flüchtigen Speichers eine im wesentlichen lückenlose Aufzeichnung und Analyse von Betriebsdaten im Zeitraum vor einem Abschalten einer Energieversorgung, insbesondere über eine Zweileiterschleife, sowie nach einer Abschaltung bis zum Erreichen eines Sicherheitszustandes in einem Sicherheitsbetriebsmodus ermöglicht, indem eine Energieversorgung während des Sicherheitsbetriebsmodus mittels einer lokalen elektrischen Versorgung in Form eines Puffers elektrischer Energie sichergestellt wird.
Vorteilhafterweise wird dazu zunächst während eines Normalbetriebsmodus innerhalb des, vorzugsweise mikrorechnerbasierten, Feldgeräts eine kontinuierliche Aufzeichnung wichtiger Daten, insbesondere von Sollwerten, Istwerten bei Stellungsreglern, Meßgrößen bei Sensoren sowie Stände von Betriebsstandszählern und Daten des internen Gerätestatus in einem gesonderten Datenbereich durchgeführt, indem diese Betriebsdaten zunächst in einem flüchtigen Speicher abgelegt werden. Auf Grund der Begrenzung des Speichervolumens von Zweileitergeräten wird vorteilhafterweise ein Ringpuffer eingesetzt, der die Betriebsdaten für einen begrenzten Zeitraum abspeichert, diesen Zeitraum aber ständig aktualisiert. Dabei ist insbesondere vorteilhafterweise vorgesehen, dass eine zusätzliche Datenverdichtung der Betriebsdaten für einen zweiten, größeren Zeitraum, beispielsweise in Form von Histogrammen, durchgeführt wird.
Nach einer Unterbrechnug bzw. einem Abschalten der Energieversorgung über die Zweileiterschleife, also während des Sicherheitsbetriebsmodus, wird die Energieversorgung der Funktionsprüfvorrichtung kurzzeitig von dem Puffer elektrischer Energie übernommen. Während dieser Zeit wird das Feldgerät insbesondere in den Sicherheitszustand verfahren, wobei über die Funktionsprüfvorrichtung weiterhin Betriebsdaten des Feldgeräts in dem flüchtigen Speicher aufgenommen und insbesondere bei Erreichen des Sicherheitszustandes zusammen mit den während des Normalbetriebsmodus aufgenommenen Betriebsdaten nicht-flüchtig und damit permanent gesichert werden.
Insbesondere wird in dem Sicherheitsbetriebsmodus nach Abschalten der Energieversorgung eine Messung der Ventillaufzeit (d. h. der Zeit von einer Offenstellung in eine Geschlossen-Stellung) durchgeführt und diese ermittelten Werte so bleibend gespeichert.
Wenn eine das Feldgerät umfassende Prozessanlage nach einer Sicherheitsabschaltung wieder eingeschaltet wird, geht das Feldgerät von dem Sicherheitsbetriebsmodus wieder in den Normalbetriebsmodus über, wobei eine Energieversorgung über die Zweileiterschleife sichergestellt ist, und die in dem nicht-flüchtigen Speicher abgelegten Daten können in üblicher Weise entweder direkt in der Funktionsprüfvorrichtung ausgewertet werden und die Auswertungsdaten über eine Kommunikation mittels der Zweileiterschleife an die Prozesssteuereinrichtung gesendet werden und/oder die in dem nicht-flüchtigen Speicher gespeicherten Daten können von der Prozesssteuereinrichtung abgerufen und analysiert werden. Insbesondere lassen die aufgenommenen Betriebsdaten Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit des Feldgeräts zu. Besonders bei Schnellschlussventilen kommmt einer derartigen Überwachung eine enorme Wichtigkeit zu, da gerade diese Schnellschlussventile sicherstellen, dass es im Falle einer Sicherheitsabschaltung nicht zu kritischen Zuständen innerhalb der Prozessanlage kommt.
Die im wesentlichen lückenlose Abspeicherung von Betriebsdaten wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Anzahl der innerhalb der Funktionsprüfvorrichtung während eines Sicherheitsbetriebsmodus mit elektrischer Energie zu versorgenden Elemente und ihr Energieverbrauch gering ist. So sind insbesondere lediglich eine von der Funktionsprüfvorrichtung umfaßte Datenverarbeitungsvorrichtung, vorzugsweise in Form eines Mikrorechners, der flüchtige Speicher, insbesondere in Form eines RAMs, der nicht-flüchtige bzw. permanente Speicher, beispielsweise in Form eines EEPROM oder FRAM, und ein Sensor, z. B. ein Wegsensor, insbesondere eines Stellungsreglers, energetisch zu versorgen. Somit ist lediglich eine geringe Energiemenge des Puffers elektrischer Energie notwendig, um bei Auftreten einer Sicherheitsabschaltung, d. h. bei Abschalten der Energieversorgung über die Zweileiterschleife, die elektrische Versorgung kurzzeitig zu gewährleisten, um die Aufnahme und nicht-flüchtige Sicherung der Betriebsdaten zu ermöglichen. Beispielsweise beträgt die Stellzeit eines Schnellschlussventils wenige Sekunden, so dass während einer Sicherheitsabschaltung des Ventils von dem Puffer elektrischer Energie die elektrische Versorgung der Funktionsprüfvorrichtung lediglich für diese Zeit zu gewährleistet ist.
Diese Rahmenbedingungen ermöglichen es, dass Puffer elektrischer Energie eingesetzt werden können, die hohen Sicherheitsanforderungen entsprechen, insbesondere den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 1 und 2 ermöglichen.
Unter einem Puffer elektrischer Energie wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Energiespeicher verstanden, der elektrische Energie speichern und bei Bedarf abgeben kann. Darüber hinaus wird unter einem Puffer elektrischer Energie im Sinne der vorliegenden Erfindung auch eine Vorrichtung verstanden, die, insbesondere in dem Feldgerät vorhandene, Energie, die in einer anderen als in elektrischer Form vorliegt, insbesondere kinetische Energie, speichern kann und bei Bedarf aus dieser Energie elektrische Energie gewinnen und abgeben kann.
Insbesondere wird durch die Rahmenbedingungen der Einsatz von Energiespeichern möglich, die auf einer im wesentlichen rein physikalisehen Speicherung von Energie beruhen und auf galvanische und elektrolytische Komponenten verzichten können. Für den Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich ist es insbesondere wichtig, dass es bei einer Fehlpolung, insbesondere einem Kurzschluss, des Energiespeichers nicht zu einer Hitzeentwicklung und Verdampfung von Teilen des Energiespeichers kommt, wie es im Falle von Energiespeichern, insbesondere Batterien oder Akkumulatoren, die galvanische oder elektrolytische Komponenten umfassen, der Fall ist. Bei elektrolytischen oder galvanischen Komponenten liegen insbesondere ionische Lösungen vor, die bei einer Überhitzung verdampfen und zu einer Explosion des Energiespeichers führen können. Somit sind in der erfindungsgemäßen Funktionsprüfvorrichtung beispielweise Supercap-Kondensatoren, insbesondere Gold-Cap Kondensatoren, einsetzbar, bei denen ein Dielektrikum durch eine auf eine Edelmetallfolie adsorbierte H₂O-Schicht gebildet wird. Diese auf einem physikalischen Speicherprinzip basierenden Energiespeicher weisen, bei einer geringe Baugröße sowie einer geringen Störanfälligkeit und sich daraus ergebenden Wartungsfreiheit, eine ausreichende Energiemenge zur Versorgung der Funktionsprüfvorrichtung während des Sicherheitsbetriebsmodus auf. Durch eine geeignete Beschaltung des Energiespeichers in Form eines derartigen Kondensators kann die Entladekurve des Energiespeichers, die im wesentlichen umgekehrt proportional zur Zeit verläuft, an die Energieerfordernisse der Funktionsprüfvorrichtung angepaßt werden und eine zu hohe Hitzeentwicklung im Kurzschlussfall ausgeschlossen werden.
Durch diese Ausführung des Puffers elektrischer Energie wird sichergestellt, dass ausreichend Energie vorhanden ist, um die in dem flüchtigen Speicher vorhandenen Daten in den nicht-flüchtigen Speicher übertragen zu können. Dies führt zu dem Vorteil, dass die Betriebsdaten des gesamten Zeitraums vor Auftreten der Sicherheitsabschaltung, auf Grund der Speicherung in dem nicht-flüchtigen Speicher, später zur Verfügung stehen und analysiert werden können. Auf diese Weise wird ferner die Anzahl von notwendigen Schreibzyklen in den nicht-flüchtigen Speicher reduziert, da dieser nur mit einem Schreibzyklus im Fade eines Abschaltet der Energieversorgung beaufschlagt wird. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Wartungsfreiheit des Feldgeräts, da der nicht-flüchtige Speicher erst nach längeren Betriebszeiten ausgetauscht werden muß.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der eine bevorzugte Ausführung der Erfindung beispielhaft anhand schematischer Zeichnungen erläutert ist, in denen zeigen:
1 eine Funktionsprinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anordnung umfassend ein Feldgerät und eine Funktionsprüfvorrichtung; und
2 ein Weg-Zeit-Diagramm des Funktionsbetriebs des Feldgeräts, wenn die Stromversorgung für das Feldgerät unterbrochen wird.
In 1 ist ein stark schematisiertes Blockschaltbild einer Feldgerät-Anordnung A mit einem Feldgerät 1 und einer Funktionsprüfvorrichtung 2 dargestellt.
Das Feldgerät 1 und die Funktionsprüfvorrichtung 2 ist mittels einer Zweileiterschleife 3 mit einer nicht dargestellten Prozesssteuereinrichtung und einer nicht dargestellten Hauptenergieversorgung verbunden.
Das Feldgerät 1 umfasst ein Schnellschlussventil 4, der mit einem Aktor 5 derart in Wirkverbindung steht, dass das Schnellschlussventil 4 in einem deaktivierten Zustand, der in 1 dargestellt ist, offen ist und in einem aktivierten Zustand, der in 1 nicht dargestellt ist, vollständig geschlossen ist.
Der Aktor 5 weist eine im deaktivierten Zustand vorgespannte Feder 6 auf, der auf eine Membran 7 drückt, der eine Druckkammer 8 teilweise begrenzt. In der Druckkammer 8 herrscht im deaktivierten Zustand ein Überdruck p, der durch ein 24-V-Magnetventil 9 aufrecht gehalten wird. Der Überdruck ist derart bemessen, daß über die Membran 7 die Feder 6 in den vorgespannten Zustand gebracht wird. An der gegenüberliegenden Seite der Angriffsfläche der Feder 6 an der Membran 7 liegt ein Ende einer Stellstange 11.
Wird das 24-V-Magnetventil 9 nicht mehr mit Energie gespeist, beispielsweise während eines inszenierten Stromausfalls, wird die Druckkammer 8 entlüftet, wodurch die potentielle Energie der Feder 6 freigegeben und die Stellstange 11 mit einem am Ende liegenden Ventilverschluß 14 in die geschlossene Position verfahren wird.
Der Funktionsbetrieb eines korrekt funktionierenden Feldgeräts 1 ist in 2 anhand eines Weg-Zeit-Diagramms dagestellt. Während des deaktivierten Zustands des Schnellschlußventils 4 befindet sich der Ventilverschluß in einer Wegposition d₁, die um einen Abstand d_v von der Endposition d₂ entfernt ist. Zum Zeitpunkt t₁ wird ein Stromausfall zu Überprüfungszwecken initiiert. Nach einer Ansprechzeit t*₁, die durch die Dauer (t₁ – t*₁) der Verringerung des Abstands d_v um Δd (ca. 1% von d_v) ermittelbar ist, beginnt eine Übergangsphase u des Schnellschlußventils 4 von der deaktivierten Stellung in die aktivierte Verschlußstellung, die dann erreicht ist, wenn der Ventilverschluß um mindesten Δd (ca. 1% von d_v) von der Endposition d₂ entfernt ist.
Die Funktionsprüfvorrichtung 2 prüft Funktionsparameter des Feldgeräts: Schließzeit t, die durch den Zeitabstand von t*₁ und t*₂ definiert ist; Ansprechdauer, Kontinuität der Übergangsphase u; etc.
Die Funktionsprüfvorrichtung 2 ist mit der Zweileiterschleife 3 über eine Leitung 12 elektrisch verbunden. Die Funktionsprüfvorrichtung 2 umfasst eine Einrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten des Feldgeräts 1, genauer zur Ermittlung der Position des Schnellschlußventils 4, in Form eines Wegsensors 13, der mit der Stellstange 11 des Schnellschlußventils 4 in Wirkverbindung steht. Weiterhin hat die Funktionsprüfvorrichtung 2 eine Datenverarbeitungsvorrichtung in Form eines Mikrorechners 15, der mit dem Wegsensor 13 verbunden ist, und einen nicht-dargestellten flüchtigen Speicher in Form eines RAMs sowie einen nicht-flüchtigen Speicher 17 in Form eines EEPROMs, die untereinander und mit dem Mikrorechner 15 in Wirkverbindung stehen. Ferner umfaßt die Funktionsprüfvorrichtung 2 eine lokale Energieversorgung bzw. einen Puffer elektrischer Energie in Form eines Gold-Cap-Kondensators 19.
Vorzugsweise können das 24-Volt-Magnetventil und der Wegsensor in einem Bauteil als Stellungsregler zusammengefasst sein. Schließlich umfasst die Funktionsprüfvorrichtung 2 eine Diode 21, die dazu ausgelegt ist, einen Energierückfluß von dem Kondensator 19 insbesondere über die Leitungen 12 und 3 zum 24-Volt-Magnetventil zu verhindern.
Anhand der 1 wird nun der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Funktionsprüfvorrichtung beschrieben. Bei einer intakten Energieversorgung über die Zweileiterschleife 3 befindet sich das Feldgerät 1 in einem Normalbetriebsmodus. Insbesondere erfolgt eine Energieversorgung der einzelnen Komponenten über die Zweileiterschleife 3 und ferner werden dem Mikrorechner 9 über die Zweileiterschleife 3 digitale Signale übermittelt.
Auf Grund unterschiedlicher, über die Zweileiterschleife 3 an den Aktor 5 gelieferten Signale ist es möglich, den Aktor 5 zu steuern, um die Position des Schnellschlußventils zu verstellen. Die Position des Ventils wird über den Wegsensor 13 ermittelt. Die Messdaten des Wegsensors 13 werden von dem Mikrorechner 15 derart weiterverarbeitet. Die Zeitinformationsdaten erhält der Mikrorechner 15 über eine Echtzeituhr (nicht dargestellt). Dieser Datensatz, bestehend aus den Wegsensordaten sowie den Zeitinformationsdaten werden zunächst in dem RAM abgelegt.
Der RAM kann als Ringspeicher ausgebildet sein, der nach einem First-In-First-Out-Prinzip arbeitet. Dies bedeutet, dass in dem RAM die Daten derart abgelegt werden, dass bei einem Speicherüberlauf des RAM die ältesten Daten mit den neuesten Daten überschrieben werden. Die Meßdaten des Wegsensors 13 werden in festen Zeitabständen, beispielsweise im Sekundentakt, aufgenommen und im RAM abgelegt. Somit ergibt sich, dass jeweils die Wegsensordaten für einen festgelegten Zeitraum im RAM abgelegt sind.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der RAM aus verschiedenen Speicherbereichen besteht. In dieser Ausführungsform werden in einem ersten Speicherbereich die Daten in einer ersten Zeitrasterung, beispielsweise im Sekundentakt, abgespeichert. Kommt es zu einem Speicherüberlauf des ersten Speicherbereichs, so werden die Daten aus dem ersten Speicherbereich ausgelesen, mittels des Mikrorechners 15 komprimiert, indem die Messdaten über einen vorbestimmten Zeitraum gemittelt werden, und anschließend in einem nachfolgenden zweiten Speicherbereich abgelegt, so dass in diesem nachfolgenden zweiten Speicherbereich die Messdaten mit einer geringeren Rasterung, beispielsweise im Drei- oder Fünf-Sekundentakt, abgelegt sind. Auch kann darüber hinaus eine Kette weiterer Speicherbereiche vorgesehen sein, in denen in ähnlicher Weise die Daten eines vorangehenden Speicherbereichs, insbesondere des zweiten Speicherbereichs, bei einem Speicherüberlauf des vorangehenden Speicherbereichs weiter komprimiert werden und in einem nachfolgenden Speicherbereich mit einem noch größeren Zeitraster abgespeichert werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Datensätze nicht eine absolute, sondern lediglich eine relative Zeitinformation umfassen, indem anstelle der Echtzeituhr ein relativer Zeitzähler eingesetzt wird. Bei einer späteren Analyse der Daten lassen sich durch einen Vergleich mit an das Feldgerät 1 über die Zweileiterschleife 3 angelegten Steuersignalen bzw. von dem Feldgerät an die Prozesssteuereinrichtung, insbesondere über die Zweileiterschleife, gesandte Signale aus diesen relativen Zeitwerten absolute Zeitwerte berechnen.
Kommt es nunmehr zu einer Abschaltung der Energieversorgung über die Zweileiterschleife 3, so kann zunächst eine derartige Unterbrechung durch eine nicht dargestellte Überwachungseinrichtung detektiert, und die Funktionsprüfvorrichtung 2 in einen Sicherheitsbetriebsmodus umgeschaltet werden. In diesem Sicherheitsbetriebsmodus werden der Wegsensor 13, der Mikrorechner 15, der RAM, die Echtzeituhr sowie der EEPROM 17 über den Kondensator 17 mit Energie versorgt.
Während der Bewegung des Schnellschlußventils 4 in den aktivierten Sicherheitsbetriebsmodus werden über den Wegsensor 13 Wegdaten des Schnellschlußventils 4 in einem engen Zeitraster aufgenommen und in dem RAM zusammen mit den Zeitinformationswerten abgelegt. Erreicht das Schnellschlußventil 4 seine Sicherheitsstellung, so werden die Daten aus dem RAM ausgelesen und in dem EEPROM 17 abgelegt. Um die begrenzte, im Kondensator 19 gespeicherte Energiemenge effektiv ausnutzen zu können, ist insbesondere vorgesehen, dass die Taktfrequenz des Mikrorechners 9 reduziert wird, um den Energieverbrauch der aktiven Elemente weiter zu reduzieren. Da es sich bei dem EEPROM 17 um einen nicht-flüchtigen Speicher handelt, ist sichergestellt, dass auch, wenn die Energie des Kondensators 19 im wesentlichen verbraucht wird, die aufgenommenen Betriebsdaten, die zuvor in dem RAM abgelegt wurden, nicht verlorengehen, sondern nach einem Wiederaufbau der Energieversorgung über die Zweileiterschleife 3 die Daten aus dem EEPROM 17 ausgelesen und analysiert werden können. Die in dem EEPROM 17 abgespeicherten Betriebsdaten erlauben insbesondere eine genaue Analyse des Verhaltens des Feldgeräts kurz vor Abschaltung der Energieversorgung über die Zweileiterschleife 3 während der Abschaltung und nach dem Eintreten der Abschaltung, insbesondere während der Bewegung des Ventils in eine Sicherheitsstellung. Diese aufgenommenen Betriebsdaten lassen einen Rückschluß auf die Zuverlässigkeit des Feldgeräts zu, so dass das Feldgerät in einer hohen Sicherheitsstufe klassifiziert werden kann, da sichergestellt ist, dass auf Grund der zur Verfügung stehenden umfassenden Daten frühzeitig eine drohende Fehlfunktion des Feldgeräts erkannt wird.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination zur Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Feldgerät (1) eines Notfallsystems für eine chemische Anlage, einen Gasbrenner oder dergleichen, welches Notfall-Feldgerät (1) ein Schnellschlußventil (4), einen pneumatischen Aktuator (5), der bei fehlender Energieversorgung entlüftet, so daß das Schnellschlußventil (4) in eine Sicherheits- oder Notbetriebsposition verfährt, und eine Funktionsprüfungsvorrichtung aufweist, die mit einer Einrichtung zum Erfassen der Position des Schnellschlußventils (4), zumindest einem flüchtigen Speicher zum Speichern der durch die Einrichtung erfassten Schnellschlußventilpositionen, zumindest einem nicht-flüchtigen Speicher zum Sichern der erfassten und im flüchtigen Speicher gespeicherten Schnellschlußventilpositionen, einer Datenverarbeitungseinrichtung und zumindest einem elektrischen Energiepuffer versehen ist, der derart auf die Einrichtung zum Erfassen der Schnellschlußventilpositionen, die Datenverarbeitungseinrichtung, den flüchtigen Speicher und den nicht-flüchtigen Speicher energieversorgend einwirkt, dass zumindest während des Verfahrens des Schnellschlußventils (4) in die bestimmte Sicherheits- oder Notbetriebsposition Schnellschlußventilpositionen erfasst und nicht-flüchtig gesichert werden und die Datenverarbeitungsvorrichtung die gesicherten Schnellschlußventilpositionen in einem erneuten Normalbetriebsmodus ausliest und auswertet.
Feldgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfvorrichtung (2) und das Feldgerät (1) über eine Zweileiterschleife (3), die an eine Prozesssteuereinrichtung anschließbar ist, mit der elektrischen Energieversorgung verbindbar sind.
Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsprüfvorrichtung (2) zudem eine Einrichtung zum Erfassen von Betriebsdaten des Feldgeräts, wie einen Spannungs-, Stromstärke-, Temperatur-, Drucksensor und/oder einen Sensor zum Erfassen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, umfaßt.
Feldgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiepuffer für einen Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich ausgeführt ist.
Feldgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiepuffer auf einem im wesentlichen rein physikalischen, kapazitiven Wirkprinzip beruht und frei von elektrochemischen, galvanischen und elektrolytischen Komponenten ist.
Feldgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiepuffer eine im wesentlichen über der Zeit rechteckige Energieabgabecharakteristik aufweist.
Feldgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiepuffer dazu ausgelegt ist, Leistungswerte in einem Bereich von ungefähr 10 μA bei ungefähr 0,7 V bis ungefähr 4 mA bei ungefähr 10 V für ungefähr 0,5 bis 10 sec. bei im wesentlichen konstanter Energieabgabe bereitzustellen.
Feldgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiepuffer elektrische Energie bei einem korrekt funktionierenden Schnellschlußventil (4) bis zum Erreichen der bestimmten Sicherheits- oder Notbetriebsposition oder bis einige Sekunden nach Erreichen der bestimmten Sicherheits- oder Notbetriebsposition bereitstellt.
Feldgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiepuffer zumindest einen Gold-Cap-Kondensator (19) umfaßt.
Feldgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiepuffer von einer elektrischen Energieversorgung des Feldgeräts (1) aufladbar ist.
Feldgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsvorrichtung zumindest einen Mikrorechner (15) umfaßt, dessen Taktfrequenz während des Sicherheitsbetriebsmodus reduzierbar ist.
Feldgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten des Feldgeräts (1) als Datensatz, der zumindest einen dem Feldgerät (1) mittels der Zweileiterschleife (3) übermittelten Sollwert, zumindest eine Ist-Stellposition des Feldgeräts (1), zumindest einen mittels der Einrichtung zum Erfassen der Betriebsdaten des Feldgeräts (1) aufgenommenen Messwert, zumindest einen Betriebsstundenzählerwert, eine Gerätestatusinformation und zumindest einen Zeitinformationswert umfasst, in zumindest einem flüchtigen Speicher mittels der Datenverarbeitungsvorrichtung komprimiert abspeicherbar sind.
Feldgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert ein Spannungs-, Stromstärke-, Druck-, Temperatur-, Weglängen-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungswert oder Strömungsgeschwindigkeitswert eines Fluids ist.
Feldgerät nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch zumindest eine interne Uhr, in Form einer Echtzeituhr, eines Funkuhrmoduls oder eines relativen Zeitzählers, die mittels einer von der Prozesssteuereinrichtung umfaßten Echtzeituhr oder eines von der Prozesssteuereinrichtung umfaßten Funkuhrmoduls synchronisierbar ist, wobei mittels der internen Uhr der Zeitinformationswert bestimmbar ist.
Feldgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder auf das Schnellschlußventil (4) derart einwirkt, dass bei bestehender Energieversorgung das Schnellschlußventil (4) in einem ersten Betriebszustand gehalten wird und bei fehlender Energieversorgung die potentielle Energie zum Verbringen des Feldgeräts (1) in die bestimmte Sicherheits- oder Notbetriebsposition freigegeben wird.
Feldgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem flüchtigen Speicher und in dem nicht-flüchtigen Speicher gespeicherten Betriebsdaten mittels einer Datenverarbeitungsvorrichtung oder einer Prozesssteuereinrichtung auslesbar und auswertbar sind, und zumindest ein Weg-Zeitdiagramm, eine Ansprechzeit, eine Schließzeit und die Genauigkeit der Erreichung einer Nullpunktlage zur Durchführung einer Fehlerart-, Fehlereffekt- oder Fehlerdiagnose-Analyse bestimmbar sind.
Verfahren zum Prüfen der Funktion eines Feldgeräts mit einem Schnellschlußventil eines Notfallsystems einer chemischen Anlage, eines Gasbrenners oder dergleichen, welches Verfahren entsprechend der Funktionsweise eines nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildeten Feldgeräts verfährt, wobei das Schnellschlußventil über eine elektrische Hauptenergieversorgung betrieben wird und bei fehlender elektrischer Hauptenergieversorgung in eine bestimmte Sicherheits- oder Notbetriebsposition verfährt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während eines Übergangs des Schnellschlußventils in die bestimmte Sicherheits- oder Notbetriebsposition, unabhängig von der Hauptenergieversorgung, ein elektrischer Energiepuffer derart energieversorgend einwirkt, dass Schnellschlußventilpositionen ermittelt, in zumindest einem nicht-flüchtigen Speicher nicht-flüchtig gesichert werden und die in dem nicht-flüchtigen Speicher abgespeicherten Schnellschlußventilpositionen im Normalbetriebsmodus mittels einer Funktionsprüfvorrichtung ausgelesen und ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellschlußventilpositionen in zumindest einem flüchtigen Speicher gesammelt und bei fehlender Energieversorgung in zumindest einem nicht-flüchtigen Speicher gesichert werden.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Normalbetriebsmodus, bei dem eine Versorgung über die elektrische Hauptenergieversorgung erfolgt, und während eines Übergangs des Schnellschlußventils von einem Normalbetriebsmodus in die bestimmte Sicherheits- oder Notbetriebsposition Schnellschlußventilpositionen nicht-flüchtig gesichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellschlußventilpositionen in Form eines Datensatzes umfassend zumindest einen Positionswert und zumindest einen Zeitinformationswert abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Zeitinformationswert ein absoluter Zeitwert abgespeichert wird, wobei der absolute Zeitwert mittels einer Echtzeituhr oder einem Funkuhrmodul bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Echtzeituhr während des Normalbetriebsmodus durch einen Benutzer synchronisiert wird oder zumindest ein über die Zweileiterschleife mittels der Prozesssteuereinrichtung generiertes digitales Synchronisationssignal empfangen wird und die Echtzeituhr mittels des Synchronisationssignals synchronisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Zeitinformationswert ein relativer Zeitwert abgespeichert wird, wobei der relative Zeitwert mittels einer internen Uhr in Form eines relativen Zeitzählers bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellschlußventilpositionen während des Normalbetriebsmodus im wesentlichen kontinuierlich oder in einem ersten periodischen Zeitabstand aufgenommen werden und die Schnellschlußventilpositionen während der bestimmten Sicherheits- oder Notbetriebsposition im wesentlichen kontinuierlich oder in einem zweiten periodischen Zeitabstand aufgenommen werden, wobei der erste periodische Zeitabstand größer als der zweite periodische Zeitabstand ist.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Speicherbereich nur die Schnellschlußventilpositionen des ersten Zeitraums abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Speicherbereich die Schnellschlußventilpositionen des zweiten Zeitraums, der größer als der erste Zeitraum ist, abgespeichert werden, wobei die Schnellschlußventilpositionen in dem zweiten Speicherbereich in einem First-In-First-Out Verfahren, bei dem im Falle eines Speicherüberlaufs des zweiten Speicherbereichs jeweils die ältesten Daten durch die jeweils aktuellen Daten überschrieben werden, abgespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellschlußventilpositionen durch zeitliche Mittelung, Datenreduktion mittels eines softwaregestützten Algorithmuses oder Bildung von Histogrammen komprimiert werden,
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem nicht-flüchtigen Speicher oder in dem flüchtigen Speicher abgespeicherten Schnellschlußventilpositionen in einem Normalbetriebsmodus von der Prozesssteuereinrichtung abgerufen und an die Prozesssteuereinrichtung übertragen werden oder die in dem flüchtigen Speicher oder dem nicht-flüchtigen Speicher abgespeicherten Schnellschlußventilpositionen im Normalbetriebsmodus mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung der Funktionsprüfvorrichtung ausgewertet werden, wobei die Auswertungsergebnisse an die Prozesssteuereinrichtung mittels der Zweileiterschleife übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abruf und eine Auswertung der in dem nicht-flüchtigen Speicher abgespeicherten Schnellschlußventilpositionen im wesentlichen umgehend nach einem Wechsel des Schnellschlußventils aus dem Sicherheitsbetriebsmodus in den Normalbetriebsmodus erfolgt, wobei die abgespeicherten Schnellschlußventilpositionen an die Prozesssteuereinrichtung gesandt werden oder die abgespeicherten Schnellschlußventilpositionen mittels der Funktionsprüfvorrichtung ausgewertet werden und die Auswertungsdaten an die Prozesssteuereinrichtung gesandt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Schnellschlußventilpositionen zumindest eine Kenngröße des Feldgeräts bezüglich des Verhaltens in dem Normalbetriebsmodus oder in der bestimmten Sicherheits- oder Notbetriebsposition bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiebedarf der Funktionsprüfvorrichtung in der bestimmten Sicherheits- oder Notbetriebsposition durch Abschalten nicht benötigter Funktionen und Reduzierung der Taktfrequenz eines Mikrorechners reduziert wird.