DE19723650A1

DE19723650A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts

Info

Publication number: DE19723650A1
Application number: DE1997123650
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Ing Hoffmann; Joerg Dr Ing Kiesbauer
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: US6267138B1; DE19723650B9; FR2764712B1; FR2764712A1; DE19723650C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler.

Die Überwachung von Stellgeräten zur Steuerung einer korrekten Funktionsfähigkeit ist im Interesse der Kostensenkung und Erhöhung der Sicherheit von steigender Bedeutung. So ist es, beispielswei se, zur Steigerung der Effizienz wünschenswert, den Stillstand von Prozeßanlagen durch Ausfall von Komponenten zu verhindern. Zu diesem Zweck ist ein rechtzeitiger Austausch, beispielsweise, von Verschleißkomponenten sehr wichtig, wobei jedoch ein zu früher Austausch zu unnötig hohen Wartungskosten und zeitlichen Ausfällen führt. Zur Optimierung der Wartungs- und Reparaturmaßnahmen ist es deshalb notwendig, Überwachungsmaßnahmen durchzuführen, die Infor mationen über den Zustand der Anlage insbesondere der Stellgeräte und ihrer Komponenten geben.

Die möglichen Fehlerquellen können stark variieren und umfassen insbesondere folgende bekannte Defekte:

- falsch angezogene und verschlissene Dichtungen (z. B. Stopfbuchsenpackungen);
- gebrochene Spindel;
- gebrochene Feder (im Membranantrieb);
- gerissene Membran (im Membranantrieb);
- niedriger Versorgungsdruck (bei elektropneumatischen Stellungsreglern); und/oder
- Verschmutzung des Luftfilters (bei elektropneumatischen Stellungsreglern).

Es sind bereits einige Vorschläge zur Überwachung von Stellgeräten bekannt. So offenbart die EP 0 637 713 ein Diagnose-System, das einen mit verschiedenen Sensoren verbundenen Prozessor eines in telligenten Stellungsreglers benutzt, um bei Abweichungen der ge messenen Werte von zuvor gemessenen Kennlinien ein Alarmsignal auszugeben. Die Sensoren erfassen dabei Körperschallspektren und den Druck an einer Sicherheitsstopfbuchse, können aber auch den Durchfluß am Ventil, den Eingangsdruck und die Ventilstellung er fassen. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß zur Erfassung aller Abhängigkeiten eine große Kennlinienschar zuvor aufgenommen und gespeichert werden muß. Dies erfordert sowohl einen großen Aufwand zur Bestimmung der Kennlinien, die die korrekte Funktion kennzeichnen, als auch einen großen Speicher.

In der EP 0 708 389 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Ventilstellung und die Stellgröße gemessen und gespeichert werden. Die Daten werden dann an ein definiertes mathematisches Modell angepaßt, und für jede Komponente wird mindestens ein kritischer Parameter gewählt, so daß eine fehlerhafte Komponente des Stellge räts durch Anpassung ("Fit") der aktuellen Meßdaten an das mathe matische Modell mit Hilfe des berechneten kritischen Parameters gefunden wird. Dieses Verfahren hängt jedoch nachteiligerweise in starkem Maße von dem gewählten mathematischen Modell und der ge schickten Wahl der kritischen Parameter ab. Die formale Beschrei bung des Modells und der kritischen Parameter erfordert zusätzlich eine geschickte Parameterwahl, um sowohl die Anpassung genügend schnell und mit realisierbarem Aufwand lösbar zu machen als auch die kritischen Parameter aussagekräftig und empfindlich gegenüber Störungen zu wählen. Prinzipiell ähnelt das Vorgehen der Vorgabe von Kennlinien mit einem Toleranzband für die korrekte Stellge rätfunktion. Der kritische Parameter definiert dabei die Toleranz, und die Berechnungen werden zu einem mathematischen Variations problem bei der Anpassung. Die Lösbarkeit dieser Anpassung, ins besondere bei einer größeren Zahl an kritischen Parametern, wird je nach Art des Modells zu einem anspruchsvollen mathematischen Problem. Vor allem die prozeßnahe Realisierung, wie sie oft direkt am Stellgerät mit eigensicherer Elektronik erforderlich ist, wirft weitere Probleme auf, die das Verfahren in vielen Fällen nicht praktikabel werden läßt.

In der DE 42 33 301 ist ein Stellungsregler beschrieben, der das Erkennen einer Fehlfunktion von Stellungsregler oder Stellgerät ermöglicht. Dazu wird das Auftreten einer erheblichen Sollwert änderung detektiert und die benötigte Zeit zur Annäherung des Ist werts an einen entsprechenden Sollwert überwacht, so daß der Ver gleich des Istwerts mit dem Sollwert das Erkennen einer Fehlfunk tion ermöglicht. Die Möglichkeit, mit einem derartigen Stellungs regler ebenfalls die Art des Fehlers zu bestimmen, ist allerdings nur schwer realisierbar. Auch ist die Zuverlässigkeit der Über wachung dadurch beschränkt, daß die Annäherung des Istwerts an den Sollwert relativ lange Zeiten benötigt und während dieser Zeiten vorhandene Sollwertänderungen oder Störungen das Ergebnis ver fälschen oder gänzlich unbrauchbar werden lassen.

Ein anderes Verfahren zur Überwachung eines Stellgeräts mit einem elektropneumatischen Stellungsregler ist in der DE 44 19 548 be schrieben, bei dem dem Steuerdruck ein in der Amplitude veränder liches Testsignal überlagert und aus dem Zusammenhang zwischen diesem Testsignal und der Bewegung des zu regelnden Systems auf den Zustand des Stellgeräts geschlossen wird. Dieses Verfahren er möglicht durch Überlagerung des Testsignals zwar die Überwachung der Hysterese, die vor allem die Reibung an einer Kegelstange kennzeichnet, jedoch sollte die Ausgangsposition für die Durchfüh rung dieses Verfahrens eine konstante Ventilstellung sein, um das Einsetzen einer Bewegung festzustellen. Das Verfahren ist deswegen nur aus einer Ruheposition und nicht aus einer Ventilbewegung her aus anwendbar.

Auch die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung P 196 43 297.9 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Über wachung von Stellgeräten, wobei die Zeitdifferenz zwischen dem Ansteuern einer Antriebsschalteinheit und dem möglichen Ansprechen eines der vorhergehenden Ruhestellung des Stellgeräts zugeordneten Positionssignalgebers kontrolliert und daraus auf den Zustand des Stellgeräts geschlossen wird. Ähnlich dem Verfahren gemäß der DE 44 19 548 ist die Ruhestellung des Stellgeräts jedoch eine Aus gangsbedingung, was den Anwendungsbereich nachteiligerweise einschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das gattungsge mäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts derart weiterzuentwickeln, daß die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, d. h., daß insbesondere eine Überwachung aus einem Bewegungszustand des Stellgeräts heraus aus führbar ist, ohne den Einsatz zusätzlicher Sensorik, und der Zu stand des Stellgeräts möglichst umfassend beschrieben werden kann.

Der das Verfahren betreffende Aufgabenteil wird erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:

a) Ermitteln einer ersten Ventilstellung zu einem ersten Zeitpunkt;
b) Erzeugen einer Kraft durch den Stellantrieb aufgrund von Stellgrößenänderungen zum wohldefinierten, reproduzierbaren, stillstandsfreien und gleichförmigen Bewegen der mit dem Ven tilkörper des Ventils verbundenen Spindel in einer ersten Richtung;
c1) Ändern der Stellgröße für den Stellantrieb am Ausgang des Stellungsreglers so, daß eine resultierende Kraft an der Spin del wirkt, welche die Bewegungsrichtung der Spindel zum er stenmal umkehrt, wobei die Stellgrößenänderungen ebenfalls wohldefiniert, reproduzierbar und gleichförmig sind, jedoch in entgegengesetzter zweiter Richtung wirken, und
c2) Ermitteln eines zweiten Zeitpunkts und der dazugehörigen zwei ten Ventilstellung beim Auslösen der ersten Richtungsumkehr;
d) Erfassen eines dritten Zeitpunkts, an dem die Spindel, auf grund unvermeidbarer Verzögerungen, nach der ersten Richtungs umkehr eine dritte Ventilstellung erreicht, die mit der zwei ten Ventilstellung in einem ersten festgelegten Zusammenhang steht;
e) Definieren und Ermitteln einer ersten Zeitspanne zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem dritten Zeitpunkt; und
f) Vergleichen der ersten Zeitspanne mit einem entsprechenden ersten Sollwert zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.

Dabei ist erfindungsgemäß bevorzugt, auch die folgenden Schritte durchzuführen:

g) Beibehalten der Bewegung der Spindel nach der ersten Zeit spanne und Bestimmen einer vierten Ventilstellung zu einem vierten Zeitpunkt sowie einer fünften Ventilstellung zu einem fünften Zeitpunkt;
h) Berechnen einer ersten Geschwindigkeit der Bewegung aus dem vierten sowie dem fünften Zeitpunkt und der vierten sowie der fünften Ventilstellung; und
i) Vergleichen der ermittelten ersten Geschwindigkeit mit einem entsprechenden zweiten Sollwert zum Bestimmen der Funktions fähigkeit des Stellgeräts.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das zusätzliche Durchführen der folgenden Schritte vorgesehen:

j) Erzeugen einer Kraft durch den Stellantrieb aufgrund von Stellgrößenänderungen zum wohldefinierten, reproduzierbaren, stillstandsfreien und gleichförmigen Bewegen der mit dem Ven tilkörper des Ventils verbundenen Spindel in der zweiten Rich tung, die der der Bewegung von dem ersten Zeitpunkt bis zum Auslösen der ersten Richtungsumkehr entgegengesetzt ist;
k1) Ändern der Stellgröße für den Stellantrieb am Ausgang des Stellungsreglers so, daß eine resultierende Kraft an der Spin del wirkt, welche die Bewegung der Spindel zum zweitenmal um kehrt, wobei die Stellgrößenänderungen ebenfalls wohldefi niert, reproduzierbar und gleichförmig sind, jedoch in der ersten Richtung wirken, und
k2) Ermitteln eines siebten Zeitpunkts und der dazugehörigen sieb ten Ventilstellung beim Auslösen der zweiten Richtungsumkehr;
l) Erfassen eines achten Zeitpunkts, an dem die Spindel, aufgrund unvermeidbarer Verzögerungen, nach der zweiten Richtungsumkehr eine achte Ventilstellung erreicht, die mit der siebten Ven tilstellung in einem zweiten festgelegten Zusammenhang steht;
m) Definieren und Ermitteln einer zweiten Zeitspanne zwischen dem siebten Zeitpunkt und dem achten Zeitpunkt; und
n) Vergleichen der zweiten Zeitspanne mit einem entsprechenden dritten Sollwert zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.

Dabei ist bevorzugt, daß ferner die folgenden Schritte durchge führt werden:

o) Beibehalten der Bewegung der Spindel nach der zweiten Zeit spanne und Bestimmen einer Ventilstellung zu einem folgenden Zeitpunkt sowie einer neunten Ventilstellung zu einem neunten Zeitpunkt;
p) Berechnen einer zweiten Geschwindigkeit der Bewegung aus be sagtem folgenden sowie dem neunten Zeitpunkt und den dazugehörigen Ventilstellungen; und
q) Ve
rgleichen der ermittelten zweiten Geschwindigkeit mit einem entsprechenden vierten Sollwert zum Bestimmen der Funktions fähigkeit des Stellgeräts.

Ferner schlägt die Erfindung vor, daß die zweite Ventilstellung im wesentlichen mit der dritten Ventilstellung zusammenfällt.

Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, daß die siebte Ven tilstellung im wesentlichen mit der achten Ventilstellung zusam menfällt.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist weiterhin, daß die dem Auslösen der ersten Richtungsumkehr zugeordnete Ventilstellung der dem Auslösen der zweiten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung im wesent lichen entspricht, wobei die Bewegungsrichtung während der ersten Richtungsumkehr entgegengesetzt der während der zweiten Richtungs umkehr ist.

Auch schlägt die Erfindung vor, daß die Stellgrößenänderungen je weils direkt vor und nach der ersten und/oder zweiten Richtungsum kehr in Art und Betrag im wesentlichen gleich sind.

Es kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, daß der Anfangszeit punkt und der Endzeitpunkt der ersten Zeitspanne einen festgeleg ten zeitlichen Abstand zu dem zweiten Zeitpunkt bzw. dem dritten Zeitpunkt hat, und/oder zu dem Anfangszeitpunkt und dem Endzeit punkt der ersten Zeitspanne ein festgelegter Positionsabstand der zugehörigen Ventilstellungen zu der dem Auslösen der ersten Rich tungsumkehr zugeordneten Ventilstellung vorliegt.

Ebenso kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß der Anfangszeit punkt und der Endzeitpunkt der zweiten Zeitspanne einen festgeleg ten zeitlichen Abstand zu dem siebten Zeitpunkt bzw. dem achten Zeitpunkt hat, und/oder zu dem Anfangszeitpunkt und dem Endzeit punkt der zweiten Zeitspanne ein festgelegter Positionsabstand der zugehörigen Ventilstellungen zu der dem Auslösen der zweiten Rich tungsumkehr zugeordneten Ventilstellung vorliegt.

Ferner schlägt die Erfindung vor, daß der Anfangszeitpunkt der ersten Zeitspanne im wesentlichen mit dem zweiten Zeitpunkt zusam menfällt, und/oder der Endzeitpunkt der ersten Zeitspanne im we sentlichen mit dem dritten Zeitpunkt zusammenfällt.

Ebenso wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Anfangszeit punkt der zweiten Zeitspanne im wesentlichen mit dem siebten Zeitpunkt zusammenfällt, und/oder der Endzeitpunkt der zweiten Zeitspanne im wesentlichen mit dem achten Zeitpunkt zusammenfällt.

Die Erfindung schlägt ferner vor, daß der Anfangszeitpunkt der ersten Geschwindigkeitsmessung im wesentlichen dem dritten Zeit punkt entspricht.

Vorteilhafterweise kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, daß der Anfangszeitpunkt der zweiten Geschwindigkeitsmessung im wesentlichen dem achten Zeitpunkt entspricht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner gekennzeichnet durch eine dritte und vierte Richtungsumkehr, die zu Zeitpunkten zwis chen der ersten und zweiten Richtungsumkehr ausgelöst werden.

Dabei ist erfindungsgemäß bevorzugt, daß der Zeitpunkt des Aus lösens der dritten Richtungsumkehr mit dem Endzeitpunkt des Mes sens der ersten Geschwindigkeit im wesentlichen zusammenfällt.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren während des normalen Regelbetriebs des Stellgeräts durchgeführt wird, indem die Art der Bewegung der mit dem Ventil körper verbundenen Spindel zeitlich überwacht, die Meßwerte für Ventilstellung und zugehörigen Zeitpunkt zumindest für kurze Zeit räume gespeichert und bei Auftreten einer Richtungsumkehr die An wendbarkeit des Verfahrens geprüft und gegebenenfalls durchgeführt wird.

Eine andere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren durchgeführt wird, indem der normale Regelbetrieb des Stellgeräts kurzzeitig abgeschaltet wird und ein Testsignal die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Bewegungen der Spindel erzwingt.

Dabei kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, daß durch das Testsignal die erste und/oder zweite Richtungsumkehr zu dem Zeit punkt erzwungen wird, an dem eine vorgegebene Ventilstellung er reicht wird.

Ferner schlägt die Erfindung vor, daß das Testsignal das Ventil nach Durchführen der Überwachung wieder in die Ventilstellung zu Beginn derselben bringt.

Ebenfalls vorgesehen ist, daß zur Kennzeichnung der Funktions fähigkeit des Stellgeräts eine Diagnose mit Hinweisen zu verschie denen Komponenten des Stellgeräts erfolgt.

Der die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch gelöst, daß der Stellungsregler einen Aufnehmer zur Messung von Ventilstellungen und einen Mikroprozessor umfaßt, daß der Mikroprozessor über einen Zeittakt verfügt und mit einer Speichereinheit sowie einer Ausga beeinheit für Fehlerstatusmeldungen verbunden ist, und daß in der Speichereinheit Ventilstellungen, Zeiten sowie Zeitdifferenzen und entsprechende Sollwerte speicherbar sind.

Dabei ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Fehlerstatusmel dung bei Auftreten von Defekten einen Hinweis auf die Art des Feh lers umfaßt.

Ferner kann vorgesehen sein, daß die Signalverbindungen über ein Feldbussystem realisiert sind, und daß die Analyse von Fehlersta tussignalen über das Feldbussystem von dem Stellgerät getrennt ist.

Die Erfindung schlägt auch vor, daß der Stellantrieb ein pneuma tischer Antrieb ist, der zur Realisierung einer definierten gleichmäßigen Bewegung in eine Richtung von einem elektropneuma tischen Stellungsregler mit aufeinanderfolgenden Pneumatik-Pulsen gleicher Länge ansteuerbar ist.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregler ein elektropneumatischer Stellungsregler ist, der zwei Ventile umfaßt, von denen zur Realisierung einer definierten gleichmäßigen Bewegung nur eines von beiden ange steuert ist, um entweder Zuluft- oder Abluft-Pulse zu erzeugen.

Schließlich kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, daß über den Stellungsregler gleichmäßige minimale Zuluft- oder Abluft-Pulse erzeugbar sind, die eine kontinuierliche Bewegung der Spin del bewirken.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß eine Umkehrbewegung einer Ventilspindel durch Stellgrößenän derungen, die wohldefiniert, reproduzierbar und gleichförmig sind, Informationen zur Überwachung des Zustands des Stellgeräts lie fert, indem durch Messen sowie Verarbeiten von Ventilstellungen (h) und der Zeitpunkte (t), zu denen die Ventilstellungen ein genommen werden, während der Umkehrbewegung, ein Vergleich mit Sollwerten und eine Diagnose erfolgen kann. Ferner kann während Zeiten gleichförmiger Bewegung zusätzlich die Bewegungsgeschwin digkeit bzw., im Falle vorgegebener Ventilstellungen, die zu geordnete Laufzeit bestimmt werden. Außerdem können bei inver tierter Bewegungsrichtung durch Wiederholen des Messens und Verar beitens weitere Diagnosemöglichkeiten geliefert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele im einzel nen anhand von schematischen Zeichnungen beschrieben sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf der Ventilstellung bei der Durch führung eines bevorzugten Verfahrens nach der Erfindung;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Ventilstellung bei der Durch führung eines alternativen bevorzugten Verfahrens nach der Erfindung; und

Fig. 3 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist in einem Koordinatensystem mit der Zeit t als Ab zisse und der Ventilstellung h als Ordinate die Ventilstellung in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Der Ursprung des Koordi natensystems ist dabei willkürlich gewählt, und zu Beginn dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erste Ventilstellung h₁ zum Zeitpunkt t₁ ermittelt. Ein Ventil bewegt sich dabei mit kon stanter Geschwindigkeit stillstandsfrei bis zum Zeitpunkt t₂, an dem die Ventilstellung h₂ gemessen wird, die zusammen mit der Ven tilstellung h₁ die Bewegungsrichtung während des Anfangs des Ver fahrens definiert. Zum Zeitpunkt t₂ ändert dann ein Stellungsreg ler an seinem Ausgang die Stellgröße für einen Stellantrieb der art, daß eine resultierende Kraft an einer Spindel wirkt, welche die Bewegung der Spindel umkehrt. Aufgrund von Verzögerungen, die zum Erzeugen der Kraftänderungen am Antrieb und aufgrund von Träg heit entstehen, bewegt sich das Ventil in der ursprünglichen Rich tung über die Ventilstellung h₂ hinaus, kommt dann zum Zeitpunkt t_I an der Ventilstellung h_I zum Stillstand und bewegt sich anschließ- end, nämlich ab dem Zeitpunkt t_II, in die entgegengesetzte Rich tung. Dabei wird wiederum die Ventilstellung h₂ erreicht, und zwar zum Zeitpunkt t₃.

Das Auslösen der Richtungsumkehr zum Zeitpunkt t₂ geschieht, indem der Stellungsregler Stellgrößenänderungen von gleicher Art und gleichem Betrag wie während der Anfangsbewegung vor der Rich tungsumkehr erzeugt, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Die für die Richtungsumkehr benötigte Zeit ist dabei, beispielsweise, cha rakteristisch für die Reibung einer Stopfbuchse, aber auch ge brochene Antriebsfedern verändern diese Zeit. Die Richtungsumkehr führt zu einem Stillstand des Ventils, wie in Fig. 1 dargestellt, wobei die als endlich breites Plateau ausgeprägte Ventilstellung h_I während des Umkehrvorgangs genauer durch die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t_I und t_II als die zwischen den Zeit punkten t₂ und t₃ charakterisiert ist. Die Zeitpunkte t_I und t_II besitzen ferner einen fest eingestellten zeitlichen Abstand zu den Zeitpunkten t₂ und t₃ in diesem Ausführungsbeispiel. Die für die korrekte Funktionsweise zulässigen Sollwerte und deren tolerier baren Toleranzen für besagte Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t_I und t_II können in einem anfänglichen Initialisierungslauf be stimmt oder aus allgemeinen theoretischen oder empirischen Zusam menhängen ermittelt werden. Die aus der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t_I und t_II zum Vergleich mit einem Sollwert gebildete Größe kann dabei natürlich eine Funktion wie z. B. ein Integral über die Regelgröße sein. Je nach Richtung und Größe der Ab weichung vom jeweiligen Sollwert werden als Ergebnis des erfin dungsgemäßen Verfahrens ein oder mehrere Signale erzeugt, das bzw. die, beispielsweise, auf die korrekte Funktion, auf Federbruch im Antrieb, auf zu stark angezogene oder verschlissene Stopfbuchsen, auf eine ausgeschlagene Verbindung zwischen Stellenantrieb und Ventil, auf ein blockiertes Ventil usw. hindeutet bzw. hindeuten.

Während der weiteren Bewegung kann durch Messung zweier Zeitpunkte t₄, t₅ bei Erreichen zweier weiterer Ventilstellungen h₄, h₅ ferner die Geschwindigkeit der Bewegung errechnet werden. Zu diesem Zweck muß bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung nur die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₄ und t₅ bestimmt werden, wenn die Ventilstellungen h₄ und h₅ vorgegeben sind. Durch Vergleich der berechneten Geschwindigkeit bzw. besagter Zeitspanne mit einem entsprechenden Sollwert lassen sich zusätzliche Informationen über den Zustand des Stellgeräts angeben.

Fig. 2 zeigt ähnlich der Fig. 1 ein Koordinatensystem in dem die Ventilstellung h in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist. Der eingezeichnete Verlauf zeigt in schematischer Weise die Ven tilstellung bei der Durchführung eines alternativen Verfahrens der Erfindung, das durch ein Testsignal erzwungen ist. Das Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfaßt den mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Verlauf und ist dadurch erweitert, daß eine zweite Richtungsumkehr, nämlich zu dem Zeitpunkt t₇, aus entgegen gesetzter Richtung wie zum Zeitpunkt t₂, erzwungen und ausgewertet wird, und zwar ebenfalls bei der Ventilstellung h₂. Um die Ventil stellung h₂ zweimal von unterschiedlichen Richtungen anfahren zu können, sind desweiteren mindestens zwei zusätzliche Richtungs wechsel zu den Zeitpunkten t₅ und t₆ mit den Ventilstellungen h₅ und h₆ notwendig.

Nach dem in Fig. 2 gezeigten, erfindungsgemäßen Verfahren wird am Anfang, d. h. zum Zeitpunkt t₁, die Ventilstellung h₁ ermittelt. Das Ventil bewegt sich stillstandsfrei und mit konstanter Geschwindig keit bis zum Zeitpunkt t₂, zu dem die Richtungsumkehr ausgelöst wird. Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ ist wieder ein Maß für die Funktionsfähigkeit des Stellgeräts, insbesondere wird die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t_I und t_II als Ver gleichswert zu einem die korrekte Funktion kennzeichnenden Soll wert herangezogen. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit wird direkt anschließend die Zeitspanne von t₃ nach t₅ verwendet, wobei die Ventilstellungen h₂ und h₅ vorgegeben sind und eine Quotientenbil dung dadurch vermeidbar ist. Die zu den Zeitpunkten t₅ und t₆ aus gelösten Richtungsänderungen werden nicht ausgewertet, sondern dienen nur zum Erreichen der Ventilstellung h₂ mit im Vergleich zum Zeitpunkt t₂ entgegengesetzter Bewegungsrichtung. Die Zeit spanne zwischen den Zeitpunkten t₇ und t₈ bzw. t_III und t_IV mit der Ventilstellung h_III dient ebenso wie die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ bzw. t_I und t_II der Zustandsbestimmung des Stellgeräts. Nach der Richtungsumkehr wird zur Bestimmung der Ge schwindigkeit in der invertierten Richtung die Zeitspanne zwischen Zeitpunkten t₈ und t₉ mit den Ventilstellungen h₂ und h₆ gemessen.

Die Umkehrzeiten und Laufzeiten können insbesondere bei pneuma tischen Stellantrieben unterschiedliche Sollwerte für verschiedene Richtungen aufweisen. Beispielsweise verändert ein erniedrigter Versorgungsdruck bei pneumatischen Stellgeräten in der Bewegungs richtung, für die eine Erhöhung des Stelldrucks notwendig ist, sowohl die Umkehrzeit als auch die Bewegungsgeschwindigkeit, wäh rend in der Bewegungsrichtung, für die eine Erniedrigung des Stelldrucks erfolgt, prinzipiell kein Einfluß vorhanden ist. An dererseits erzeugt eine veränderte Stopfbuchsreibung in beiden Richtungen unterschiedliche Umkehrzeiten aber nahezu unveränderte Geschwindigkeiten der Bewegung. Bei auffälligen Abweichungen von den Sollwerten kann somit besonders vorteilhaft aufgrund von ver schiedenen richtungsabhängigen Abweichungen auf Art und Ort eines Defekts geschlossen werden. Für diese Diagnosefunktion ist erfin dungsgemäß vorgesehen, die Auswirkungen typischer Fehler und da raus entstehende Kombinationen von Sollwertabweichungen in einer Speichereinheit in der Art eines überprüfenden Fehlermusters ab zulegen.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der soeben beschriebenen Verfahren zur Überwachung eines Stellge räts 16 mit mindestens einem nicht gezeigten Stellantrieb, einem nicht gezeigten Ventil und einem Stellungsregler 1. Die Vorrich tung verfügt dabei über einen Aufnehmer 18 zur Messung der Ventil stellung und einer Einheit 10, umfassend einen Mikroprozessor und eine Speichereinheit. Der Mikroprozessor 10 verarbeitet die ge messenen Zeiten und Ventilstellungen, führt Vergleiche mit in der Speichereinheit über einen Sollwerteingang 20 abgelegten Sollwer ten durch und ermittelt daraus ein Fehlerstatussignal, das über einen Fehlerstatussignalausgang 36 an eine Ausgabeeinheit 40 über tragen wird.

Eine vorteilhafte Vorrichtung nach der Erfindung besitzt einen elektropneumatischen Stellungsregler 1, der zur Erzeugung de finierter, reproduzierbarer Bewegungen minimale Zuluft- oder nach Invertierung der Bewegungsrichtung Abluft-Impulse erzeugt. Für elektropneumatische Stellungsregler 1, die zum Be- und Entlüften des Stellantriebs zwei getrennte Ventile 12 und 14 besitzen, be deutet dies eine kurzzeitige Ansteuerung des einen oder des an deren Ventils 12 bzw. 14 über einen Zuluftsignalausgang 32 bzw. einen Abluftsignalausgang 34. Das Ventil 12 schaltet dabei die Verbindung zum Zulufteingang 24 und das Ventil 14 schaltet ent sprechend den Abluftausgang 26.

In weiterhin günstiger Weise läßt sich die Vorrichtung gestalten, wenn die Signalverbindungen über ein nicht gezeigtes Feldbussystem realisiert sind und die Analyse des Fehlerstatussignals im Hin blick auf mögliche Fehlerursachen sowie deren Kombinationen über das Feldbussystem vom Stellgerät 16 getrennt ist und beispielswei se auf einem nicht gezeigten Computer in der Leitwarte erfolgt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl ein zeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1

Stellungsregler

10

Mikroprozessor und Speicherein heit

12

Ventil

14

Ventil

16

Stellgerät

18

Aufnehmer

20

Sollwerteingang

24

Zulufteingang

26

Abluftausgang

32

Zuluftsignalausgang

34

Abluftsignalausgang

36

Fehlerstatussignalausgang

40

Ausgabeeinheit
h₁

bis h₆

, h_I

, h_III

Ventilstellung
t₁

bis t₉

, t_I

bis t_IV

Zeitpunkt

Claims

1. Verfahren zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stel lungsregler, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Ermitteln einer ersten Ventilstellung (h₁) zu einem ersten Zeitpunkt (t₁)
b) Erzeugen einer Kraft durch den Stellantrieb aufgrund von Stellgrößenänderungen zum wohldefinierten, reproduzierbaren, stillstandsfreien und gleichförmigen Bewegen der mit dem Ven tilkörper des Ventils verbundenen Spindel in einer ersten Richtung;
c1) Ändern der Stellgröße für den Stellantrieb am Ausgang des Stellungsreglers so, daß eine resultierende Kraft an der Spin del wirkt, welche die Bewegungsrichtung der Spindel zum er stenmal umkehrt, wobei die Stellgrößenänderungen ebenfalls wohldefiniert, reproduzierbar und gleichförmig sind, jedoch in entgegengesetzter zweiter Richtung wirken, und
c2) Ermitteln eines zweiten Zeitpunkts (t₂) und der dazugehörigen zweiten Ventilstellung (h₂) beim Auslösen der ersten Rich tungsumkehr;
d) Erfassen eines dritten Zeitpunkts (t₃), an dem die Spindel, aufgrund unvermeidbarer Verzögerungen, nach der ersten Rich tungsumkehr eine dritte Ventilstellung (h₂) erreicht, die mit der zweiten Ventilstellung (h₂) in einem ersten festgelegten Zusammenhang steht;
e) Definieren und Ermitteln einer ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II) zwischen dem zweiten Zeitpunkt (t₂) und dem dritten Zeit punkt (t₃); und
f) Vergleichen der ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II) mit einem entsprechenden ersten Sollwert zum Bestimmen der Funktions fähigkeit des Stellgeräts.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende wei tere Schritte:

g) Beibehalten der Bewegung der Spindel nach der ersten Zeit spanne (von t_I nach t_II) und Bestimmen einer vierten Ventil stellung (h₄) zu einem vierten Zeitpunkt (t₄) sowie einer fünften Ventilstellung (h₅) zu einem fünften Zeitpunkt (t₅);
h) Berechnen einer ersten Geschwindigkeit der Bewegung aus dem vierten sowie dem fünften Zeitpunkt (t₄ und t₅) und der vierten sowie der fünften Ventilstellung (h₄ und h₅); und
i) Vergleichen der ermittelten ersten Geschwindigkeit mit einem entsprechenden zweiten Sollwert zum Bestimmen der Funktions fähigkeit des Stellgeräts.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

j) Erzeugen einer Kraft durch den Stellantrieb aufgrund von Stellgrößenänderungen zum wohldefinierten, reproduzierbaren, stillstandsfreien und gleichförmigen Bewegen der mit dem Ven tilkörper des Ventils verbundenen Spindel in der zweiten Rich tung, die der der Bewegung von dem ersten Zeitpunkt (t₁) bis zum Auslösen der ersten Richtungsumkehr entgegengesetzt ist;
k1) Ändern der Stellgröße für den Stellantrieb am Ausgang des Stellungsreglers so, daß eine resultierende Kraft an der Spin del wirkt, welche die Bewegung der Spindel zum zweitenmal um kehrt, wobei die Stellgrößenänderungen ebenfalls wohldefi niert, reproduzierbar und gleichförmig sind, jedoch in der ersten Richtung wirken, und
k2) Ermitteln eines siebten Zeitpunkts (t₇) und der dazugehörigen siebten Ventilstellung (h₂) beim Auslösen der zweiten Rich tungsumkehr;
l) Erfassen eines achten Zeitpunkts (t₈), an dem die Spindel, aufgrund unvermeidbarer Verzögerungen, nach der zweiten Rich tungsumkehr eine achte Ventilstellung (h₂) erreicht, die mit der siebten Ventilstellung (h₂) in einem zweiten festgelegten Zusammenhang steht;
m) Definieren und Ermitteln einer zweiten Zeitspanne (von t_III nach t_IV) zwischen dem siebten Zeitpunkt (t₇) und dem achten Zeitpunkt (t₈); und
n) Vergleichen der zweiten Zeitspanne (von t_III nach t_IV) mit einem entsprechenden dritten Sollwert zum Bestimmen der Funktions fähigkeit des Stellgeräts.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende wei tere Schritte:

o) Beibehalten der Bewegung der Spindel nach der zweiten Zeit spanne (von t_III nach t_IV) und Bestimmen einer Ventilstellung (h₂) zu einem folgenden Zeitpunkt (t₈) sowie einer neunten Ventilstellung (h₉) zu einem neunten Zeitpunkt (t₉);
p) Berechnen einer zweiten Geschwindigkeit der Bewegung aus be sagtem folgenden sowie dem neunten Zeitpunkt (t₈ und t₉) und den dazugehörigen Ventilstellungen (h₂ und h₉); und
q) Vergleichen der ermittelten zweiten Geschwindigkeit mit einem entsprechenden vierten Sollwert zum Bestimmen der Funktions fähigkeit des Stellgeräts.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die zweite Ventilstellung (h₂) im wesentlichen mit der dritten Ventilstellung (h₂) zusammenfällt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die siebte Ventilstellung (h₂) im wesentlichen mit der achten Ventilstellung (h₂) zusammenfällt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die dem Auslösen der ersten Richtungsumkehr zugeord nete Ventilstellung (h₂) der dem Auslösen der zweiten Richtungsum kehr zugeordneten Ventilstellung (h₂) im wesentlichen entspricht, wobei die Bewegungsrichtung während der ersten Richtungsumkehr entgegengesetzt der während der zweiten Richtungsumkehr ist.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Stellgrößenänderungen jeweils direkt vor und nach der ersten und/oder zweiten Richtungsumkehr in Art und Betrag im wesentlichen gleich sind.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Anfangszeitpunkt (t_I) und der Endzeitpunkt (t_II) der ersten Zeitspanne einen festgelegten zeitlichen Abstand zu dem zweiten Zeitpunkt (t₂) bzw. dem dritten Zeitpunkt (t₃) hat, und/oder zu dem Anfangszeitpunkt (t_I) und dem Endzeitpunkt (t_II) der ersten Zeitspanne ein festgelegter Positionsabstand der zuge hörigen Ventilstellungen (h_I) zu der dem Auslösen der ersten Rich tungsumkehr zugeordneten Ventilstellung (h₂) vorliegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der Anfangszeitpunkt (t_III) und der Endzeitpunkt (t_IV) der zweiten Zeitspanne einen festgelegten zeitlichen Abstand zu dem siebten Zeitpunkt (t₇) bzw. dem achten Zeitpunkt (t₈) hat, und/oder zu dem Anfangszeitpunkt (t_III) und dem Endzeitpunkt (t_IV) der zweiten Zeitspanne ein festgelegter Positionsabstand der zuge hörigen Ventilstellungen (h_III) zu der dem Auslösen der zweiten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung (h₂) vorliegt.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Anfangszeitpunkt (t_I) der ersten Zeitspanne im wesentlichen mit dem zweiten Zeitpunkt (t₂) zusammenfällt, und/oder der Endzeitpunkt (t_II) der ersten Zeitspanne im wesent lichen mit dem dritten Zeitpunkt (t₃) zusammenfällt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Anfangszeitpunkt (t_III) der zweiten Zeitspanne im wesentlichen mit dem siebten Zeitpunkt (t₇) zusammenfällt, und/oder der Endzeitpunkt (t_IV) der zweiten Zeitspanne im wesent lichen mit dem achten Zeitpunkt (t₈) zusammenfällt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Anfangszeitpunkt der ersten Geschwindigkeitsmes sung im wesentlichen dem dritten Zeitpunkt (t₃) entspricht.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß der Anfangszeitpunkt (t₈) der zweiten Geschwindig keitsmessung im wesentlichen dem achten Zeitpunkt (t₈) entspricht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, gekennzeichnet durch eine dritte und vierte Richtungsumkehr, die zu Zeitpunkten (t₅ und t₆) zwischen der ersten und zweiten Richtungsumkehr ausge löst werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt (t₅) des Auslösens der dritten Richtungsumkehr mit dem Endzeitpunkt des Messens der ersten Geschwindigkeit im wesentli chen zusammenfällt.

17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Verfahren während des normalen Regelbetriebs des Stellgeräts durchgeführt wird, indem die Art der Bewegung der mit dem Ventilkörper verbundenen Spindel zeitlich überwacht, die Meßwerte für Ventilstellung und zugehörigen Zeitpunkt zumindest für kurze Zeiträume gespeichert und bei Auftreten einer Richtungs umkehr die Anwendbarkeit des Verfahrens geprüft und gegebenenfalls durchgeführt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren durchgeführt wird, indem der normale Regelbetrieb des Stellgeräts kurzzeitig abgeschaltet wird und ein Testsignal die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Bewe gungen der Spindel erzwingt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Testsignal die erste und/oder zweite Richtungsumkehr zu dem Zeitpunkt (t₂) bzw. (t₇) erzwungen wird, an dem eine vorgegebene Ventilstellung (h₂) erreicht wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Testsignal das Ventil nach Durchführen der Überwachung wieder in die Ventilstellung zu Beginn derselben bringt.

21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Kennzeichnung der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts eine Diagnose mit Hinweisen zu verschiedenen Komponen ten des Stellgeräts erfolgt.

22. Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stel lungsregler (1) einen Aufnehmer (18) zur Messung von Ventilstel lungen und einen Mikroprozessor (10) umfaßt, daß der Mikroprozes sor (10) über einen Zeittakt verfügt und mit einer Speichereinheit (10) sowie einer Ausgabeeinheit (40) für Fehlerstatusmeldungen verbunden ist, und daß in der Speichereinheit (10) Ventilstellun gen, Zeiten sowie Zeitdifferenzen und entsprechende Sollwerte speicherbar sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerstatusmeldung bei Auftreten von Defekten einen Hinweis auf die Art des Fehlers umfaßt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverbindungen über ein Feldbussystem realisiert sind, und daß die Analyse von Fehlerstatussignalen über das Feldbussys tem von dem Stellgerät getrennt ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stellantrieb ein pneumatischer Antrieb ist, der zur Realisierung einer definierten gleichmäßigen Bewegung in eine Richtung von einem elektropneumatischen Stellungsregler (1) mit aufeinanderfolgenden Pneumatik-Pulsen gleicher Länge ansteuer bar ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stellungsregler (1) ein elektropneumatischer Stellungsregler ist, der zwei Ventile (12, 14) umfaßt, von denen zur Realisierung einer definierten gleichmäßigen Bewegung nur eines von beiden angesteuert ist, um entweder Zuluft- oder Abluft-Pulse zu erzeugen.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß über den Stellungsregler (1) gleichmäßige minimale Zuluft- oder Abluft-Pulse erzeugbar sind, die eine kontinuierliche Bewegung der Spin del bewirken.