DE19723650B9

DE19723650B9 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts

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Publication number: DE19723650B9
Application number: DE1997123650
Authority: DE
Inventors: Heinfried Dr.-Ing. Hoffmann; Jörg Dr.-Ing. Kiesbauer
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: DE19723650A1; FR2764712A1; DE19723650C2; US6267138B1; FR2764712B1

Abstract

Verfahren zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler, das folgende Schritte umfaßt:
a) Ermitteln einer ersten Ventilstellung (h₁) zu einem ersten Zeitpunkt (t_I);
b) Erzeugen einer Kraft durch den Stellantrieb aufgrund von Stellgrößenänderungen zum wohldefinierten, reproduzierbaren, stillstandsfreien und gleichförmigen Bewegen der mit dem Ventilkörper des Ventils verbundenen Spindel in einer ersten Richtung; und
c1) Ändern der Stellgröße für den Stellantrieb am Ausgang des Stellungsreglers so, daß eine resultierende Kraft an der Spindel wirkt, welche die Bewegungsrichtung der Spindel zum erstenmal umkehrt, wobei die Stellgrößenänderungen ebenfalls wohldefiniert, reproduzierbar und gleichförmig sind, jedoch in entgegengesetzter zweiter Richtung wirken, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
c2) Ermitteln eines zweiten Zeitpunkts (t₂) und der dazugehörigen zweiten Ventilstellung (h₂) beim Ändern der Stellgröße in Übereinstimmung mit Schritt c1) zum Auslösen der ersten Richtungsumkehr;
d) Erfassen eines dritten Zeitpunkts (t₃), an dem die Spindel, aufgrund...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung hierfür.
Die Überwachung von Stellgeräten zur Steuerung einer korrekten Funktionsfähigkeit ist im Interesse der Kostensenkung und Erhöhung der Sicherheit von steigender Bedeutung. So ist es, beispielsweise, 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 Informationen über den Zustand der Anlage insbesondere der tellgeräte 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 dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegende EP 0 637 713 ein gattungsgemäßes Verfahren für ein Diagnose-System, das einen mit verschiedenen Sensoren verbundenen Prozessor eines intelligenten Stellungsreglers benutzt, um bei Abweichungen der gemessenen 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 erfassen. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß zur Erfassung aller Abhängigkeiten eine große Kennlinienschar zuvor aufgenommen sowie gespeichert werden muß, was zu einem großen Aufwand zwecks Bestimmung der Kennlinien führt.

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 Stellgeräts durch Anpassung ("Fit") der aktuellen Meßdaten an das mathematische Modell mit Hilfe des berechneten kritischen Parameters gefunden wird. Dieses Verfahren hängt jedoch nachteiligerweise in starkem Maße von dem gewählten mathematischen Modell und der geschickten Wahl der kritischen Parameter ab. Die formale Beschreibung des Modells und der kritischen Parameter erfordert zusätzlich eine geschickte Parameterwahl, um sowohl die Anpassung genügend schnell und mit reali sierbarem 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 Stellgerätfunktion. Der kritische Parameter definiert dabei die Toleranz, und die Berechnungen werden zu einem mathematischen Variationsproblem bei der Anpassung. Die Lösbarkeit dieser Anpassung, insbesondere 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 Sollwertänderung detektiert und die benötigte Zeit zur Annäherung des Istwerts an einen entsprechenden Sollwert überwacht, so daß der Vergleich des Istwerts mit dem Sollwert das Erkennen einer Fehlfunktion ermöglicht. Die Möglichkeit, mit einem derartigen Stellungsregler ebenfalls die Art des Fehlers zu bestimmen, ist allerdings nur schwer realisierbar. Auch ist die Zuverlässigkeit der Überwachung dadurch beschränkt, daß die Annäherung des Istwerts an den Sollwert relativ lange Zeiten benötigt und während dieser Zeiten vorhandene Sollwertänderungen oder Störungen das Ergebnis verfälschen oder gänzlich unbrauchbar werden lassen.

Ein anderes Verfahren zur Überwachung eines Stellgeräts mit einem elektropneumatischen Stellungsregler ist in der DE 44 19 548 beschrieben, bei dem dem Steuerdruck ein in der Amplitude veränderliches 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 ermöglicht durch Überlagerung des Testsignals zwar die Überwachung der Hysterese, die vor allem die Reibung an einer Kegelstange kennzeichnet, jedoch sollte die Ausgangsposition für die Durchführung 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 heraus anwendbar.

Auch die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung P 196 43 297.9 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung 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 Ausgangsbedingung, was den Anwendungsbereich nachteiligerweise einschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das gattungsgemäße Verfahren 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 ausführbar ist, ohne den Einsatz zusätzlicher Sensorik, und der Zustand des Stellgeräts möglichst umfassend beschrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:

c2) Ermitteln eines zweiten Zeitpunkts (t₂) und der dazugehörigen zweiten Ventilstellung (h₂) beim Ändern der Stellgröße in Übereinstimmung mit Schritt c1) zum Auslösen der ersten Richtungsumkehr;
d) Erfassen eines dritten Zeitpunkts (t₃), an dem die Spindel, aufgrund unvermeidbarer Verzögerungen, nach der ersten Richtungsumkehr eine dritte Ventilstellung (h₂) erreicht, die im wesentlichen der zweiten Ventilstellung (h₂) entspricht;
e) Ermitteln einer ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II), während der die Spindel bei der ersten Richtungsumkehr stillsteht und die kleinder oder gleich der Zeitspanne von dem zweiten Zeitpunkt (t₂) zu dem dritten Zeitpunkt (t₃) ist; und
f) Vergleichen der ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II) 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 Zeitspanne (von t_I nach t_II) und Bestimmen einer vierten Ventilstellung (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 Funktionsfähigkeit 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 Ventilkörper des Ventils verbundenen Spindel in der zweiten Richtung, 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 Spindel wirkt, welche die Bewegung der Spindel zum zweitenmal umkehrt, wobei die Stellgrößenänderungen ebenfalls wohldefiniert, 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 Richtungsumkehr;
l) Erfassen eines achten Zeitpunkts (t₈), an dem die Spindel, aufgrund unvermeidbarer Verzögerungen, nach der zweiten Richtungsumkehr eine achte Ventilstellung (h₂) erreicht, die mit der siebten Ventilstellung (h2) in einem zweiten festgelegten Zusammenhang steht;
m) Ermitteln einer zweiten Zeitspanne (von t_III nach t_IV), während der die Spindel bei der zweiten Richtungsumkehr stillsteht und die kleiner oder gleich der Zeitspanne von dem siebten Zeitpunkt (t₇) zu dem achten Zeitpunkt (t₈) ist; und
n) Vergleichen der zweiten Zeitspanne (von t_III nach t_IV) mit einem entsprechenden dritten Sollwert zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.

Dabei ist bevorzugt, daß ferner die folgenden Schritte durchgeführt werden:

o) Beibehalten der Bewegung der Spindel nach der zweiten Zeitspanne (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 besagtem 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 Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.

Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, daß die siebte Ventilstellung im wesentlichen mit der achten Ventilstellung zusammenfällt.

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

Auch schlägt die Erfindung vor, daß die Stellgrößenänderung bei der ersten und der zweiten Richtungsumkehr in Art und Betrag im wesentlichen gleich sind.

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

Ebenso kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß der Anfangszeitpunkt und der Endzeitpunkt der zweiten Zeitspanne einen festgelegten zeitlichen Abstand zu dem siebten Zeitpunkt bzw. dem achten Zeitpunkt hat, und/oder zu dem Anfangszeitpunkt und dem Endzeitpunkt der zweiten Zeitspanne ein festgelegter Positionsabstand der zugehörigen Ventilstellungen zu der dem Auslösen der zweiten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung vorliegt.

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

Ebenso wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Anfangszeitpunkt 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 Zeitpunkt 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 zwischen der ersten und zweiten Richtungsumkehr ausgelöst werden.

Dabei ist erfindungsgemäß bevorzugt, daß der Zeitpunkt des Auslösens der dritten Richtungsumkehr mit dem Endzeitpunkt des Messens 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 Ventilkörper verbundenen Spindel zeitlich überwacht, die Meßwerte für Ventilstellung und zugehörigen Zeitpunkt zumindest für kurze Zeiträume gespeichert und bei Auftreten einer Richtungsumkehr die Anwendbarkeit 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 Zeitpunkt erzwungen wird, an dem eine vorgegebene Ventilstellung erreicht 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 Funktionsfähigkeit des Stellgeräts eine Diagnose mit Hinweisen zu verschiedenen Komponenten des Stellgeräts erfolgt.

Ferner liefert die Erfindung eine Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler, wobei der Stellungsregler einen Aufnehmer zur Messung von Ventilstellungen und einen Mikroprozessor umfaßt, der Mikroprozessor über einen Zeittakt verfügt und mit einer Speichereinheit sowie einer Ausgabeeinheit für Fehlerstatusmeldungen verbunden ist, und in der Speichereinheit ein Programm für ein erfindungsgemäßes Verfahren, Ventilstellungen, Zeiten, Zeitdifferenzen und entsprechende Sollwerte gespeichert sind.

Weiterhin ist vorgesehen, daß die Ausgabeeinheit bei Auftreten von Defekten einen Hinweis auf die An des Fehlers darbietet.

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

Die Erfindung schlägt auch vor, daß der Stellantrieb ein pneumatischer Antrieb ist, der zur Realisierung einer definierten gleichmäßigen Bewegung in eine Richtung von einem elektropneumatischen 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 angesteuert 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 Spindel bewirken.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß eine Umkehrbewegung einer Ventilspindel durch Stellgrößenänderungen, die wohldefiniert, reproduzierbar und gleichförmig sind, Informationen zur Überwachung des Zustands des Stellgeräts liefert, indem durch Messen sowie Verarbeiten von Ventilstellungen (h) und der Zeitpunkte (t), zu denen die Ventilstellungen eingenommen werden, während der Umkehrbewegung, ein Vergleich mit Sollwerten und eine Diagnose erfolgen kann. Ferner kann während Zeiten gleichförmiger Bewegung zusätzlich die Bewegungsgeschwindigkeit bzw., im Falle vorgegebener Ventilstellungen, die zugeordnete Laufzeit bestimmt werden. Außerdem können bei.invertierter Bewegungsrichtung durch Wiederholen des Messens und Verarbeitens weitere Diagnosemöglichkeiten geliefert werden.

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

1 den zeitlichen Verlauf der Ventilstellung bei der Durchführung eines bevorzugten Verfahrens nach der Erfindung;

2 den zeitlichen Verlauf der Ventilstellung bei der Durchführung eines alternativen bevorzugten Verfahrens nach der Erfindung; und

3 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In 1 ist in einem Koordinatensystem mit der Zeit t als Abzisse und der Ventilstellung h als Ordinate die Ventilstellung in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Der Ursprung des Koordinatensystems 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 konstanter Geschwindigkeit stillstandsfrei bis zum Zeitpunkt t₂, an dem die Ventilstellung h₂ gemessen wird, die zusammen mit der Ventilstellung h₁ die Bewegungsrichtung während des Anfangs des Verfahrens definiert. Zum Zeitpunkt t₂ ändert dann ein Stellungsregler an seinem Ausgang die Stellgröße für einen Stellantrieb derart, 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 Trägheit entstehen, bewegt sich das Ventil in der urspünglichen Richtung über die Ventilstellung h₂ hinaus, kommt dann zum Zeitpunkt t_I an der Ventilstellung h_I zum Stillstand und bewegt sich anschließend, nämlich ab dem Zeitpunkt t_II, in die entgegengesetzte Richtung. 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 Richtungsumkehr erzeugt, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Die für die Richtungsumkehr benötigte Zeit ist dabei, beispielsweise, charakteristisch für die Reibung einer Stopfbuchse, aber auch gebrochene Antriebsfedern verändern diese Zeit. Die Richtungsumkehr führt zu einem Stillstand des Ventils, wie in 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 Zeitpunkten 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 tolerierbaren Toleranzen für besagte Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t_I und t_II können in einem anfänglichen Initialisierungslauf bestimmt oder aus allgemeinen theoretischen oder empirischen Zusammenhängen 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 Abweichung vom jeweiligen Sollwert werden als Ergebnis des erfindungsgemäßen 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.

2 zeigt ähnlich der 1 ein Koordinatensystem in dem die Ventilstellung h in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist. Der eingezeichnete Verlauf zeigt in schematischer Weise die Ventilstellung 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 1 beschriebenen Verlauf und ist dadurch erweitert, daß eine zweite Richtungsumkehr, nämlich zu dem Zeitpunkt t₇, aus entgegengesetzter Richtung wie zum Zeitpunkt t₂, erzwungen und ausgewertet wird, und zwar ebenfalls bei der Ventilstellung h₂. Um die Ventilstellung h₂ zweimal von unterschiedlichen Richtungen anfahren zu können, sind desweiteren mindestens zwei zusätzliche Richtungswechsel zu den Zeitpunkten t₅ und t₆ mit den Ventilstellungen h₅ und h₆ notwendig.

Nach dem in 2 gezeigten, erfindungsgemäßen Verfahren wird am Anfang, d.h. zum Zeitpunkt t₁, die Ventilstellung h₁ ermittelt. Das Ventil bewegt sich stillstandsfrei und mit konstanter Geschwindigkeit 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 Vergleichswert zu einem die korrekte Funktion kennzeichnenden Sollwert herangezogen. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit wird direkt anschließend die Zeitspanne von t₃ nach t₅ verwendet, wobei die Ventilstellungen hz und h₅ vorgegeben sind und eine Quotientenbildung dadurch vermeidbar ist. Die zu den Zeitpunkten t₅ und t₆ ausgelösten Richtungsänderungen werden nicht ausgewertet, sondern dienen nur zum Erreichen der Ventilstellung h₂ mit im Vergleich zum Zeitpunkt t₂ entgegengesetzter Bewegungsrichtung. Die Zeitspanne 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 Geschwindigkeit 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 pneumatischen Stellantrieben unterschiedliche Sollwerte für verschiedene Richtungen aufweisen. Beispielsweise verändert ein erniedrigter Versorgungsdruck bei pneumatischen Stellgeräten in der Bewegungsrichtung, für die eine Erhöhung des Stelldrucks notwendig ist, sowohl die Umkehrzeit als auch die Bewegungsgeschwindigkeit, während in der Bewegungsrichtung, für die eine Erniedrigung des Stelldrucks erfolgt, prinzipiell kein Einfluß vorhanden ist. Andererseits 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 verschiedenen richtungsabhängigen Abweichungen auf Art und Ort eines Defekts geschlossen werden. Für diese Diagnosefunktion ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Auswirkungen typischer Fehler und daraus entstehende Kombinationen von Sollwertabweichungen in einer Speichereinheit in der Art eines überprüfenden Fehlermusters abzulegen.

3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der soeben beschriebenen Verfahren zur Überwachung eines Stellgeräts 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 Ventilstellung und einer Einheit 10, umfassend einen Mikroprozessor und eine Speichereinheit. Der Mikroprozessor 10 verarbeitet wie gemessenen Zeiten und Ventilstellungen, führt Vergleiche mit in der Speichereinheit über einen Sollwerteingang 20 abgelegten Sollwerten durch und ermittelt daraus ein Fehlerstatussignal, das über einen Fehlerstatussignalausgang 36 an eine Ausgabeeinheit 40 übertragen wird.

Eine vorteilhafte Vorrichtung nach der Erfindung besitzt meinen elektropneumatischen Stellungsregler 1, der zur Erzeugungsdefinierter, 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, bedeutet dies eine kurzzeitige Ansteuerung des einen oder des anderen 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 entsprechend 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 Hinblick auf mögliche Fehlerursachen sowie deren Kombinationen über das Feldbussystem vom Stellgerät 16 getrennt ist und beispielsweise 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 einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

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

Verfahren zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler, das folgende Schritte umfaßt: a) Ermitteln einer ersten Ventilstellung (h₁) zu einem ersten Zeitpunkt (t_I); b) Erzeugen einer Kraft durch den Stellantrieb aufgrund von Stellgrößenänderungen zum wohldefinierten, reproduzierbaren, stillstandsfreien und gleichförmigen Bewegen der mit dem Ventilkörper des Ventils verbundenen Spindel in einer ersten Richtung; und c1) Ändern der Stellgröße für den Stellantrieb am Ausgang des Stellungsreglers so, daß eine resultierende Kraft an der Spindel wirkt, welche die Bewegungsrichtung der Spindel zum erstenmal umkehrt, wobei die Stellgrößenänderungen ebenfalls wohldefiniert, reproduzierbar und gleichförmig sind, jedoch in entgegengesetzter zweiter Richtung wirken, gekennzeichnet durch folgende Schritte: c2) Ermitteln eines zweiten Zeitpunkts (t₂) und der dazugehörigen zweiten Ventilstellung (h₂) beim Ändern der Stellgröße in Übereinstimmung mit Schritt c1) zum Auslösen der ersten Richtungsumkehr; d) Erfassen eines dritten Zeitpunkts (t₃), an dem die Spindel, aufgrund unvermeidbarer Verzögerungen, nach der ersten Richtungsumkehr eine dritte Ventilstellung (h₂) erreicht, die im wesentlichen der zweiten Ventilstellung (h₂) entspricht; e) Ermitteln einer ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II), während der die Spindel bei der ersten Richtungsumkehr stillsteht und die kleiner oder gleich der Zeitspanne von dem zweiten Zeitpunkt (t₂) zu dem dritten Zeitpunkt (t₃) ist; und f) Vergleichen der ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II) mit einem entsprechenden ersten Sollwert zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: g) Beibehalten der Bewegung der Spindel nach der ersten Zeitspanne (von t_I nach t_II) und Bestimmen einer vierten Ventilstellung (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 Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.
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 Bewegender mit dem Ventilkörper des Ventils verbundenen Spindel in der zweiten Richtung, 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 Spindel wirkt, welche die Bewegung der Spindel zum zweitenmal umkehrt, wobei die Stellgrößenänderungen ebenfalls wohldefiniert, 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 Richtungsumkehr; l) Erfassen eines achten Zeitpunkts (t₈), an dem die Spindel, aufgrund unvermeidbarer Verzögerungen, nach der zweiten Richtungsumkehr eine achte Ventilstellung (h₂) erreicht, die mit der siebten Ventilstellung (h₂) in einem zweiten festgelegten Zusammenhang steht; m) Ermitteln einer zweiten Zeitspanne (von t_III nach t_IV), während der die Spindel bei der zweiten Richtungsumkehr stillsteht und die kleiner oder gleich der Zeitspanne von dem siebten Zeitpunkt (t₇) zu dem achten Zeitpunkt (t₈) ist; und n) Vergleichen der zweiten Zeitspanne (von t_III nach t_IV) mit einem entsprechenden dritten Sollwert zum Bestimmen der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: o) Beibehalten der Bewegung der Spindel nach der zweiten Zeitspanne (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 besagtem 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 Funktionsfähigkeit des Stellgeräts.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die siebte Ventilstellung (h₂) im wesentlichen mit der achten Ventilstellung (h₂) zusammenfällt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Auslösen der ersten Richtungsumkehr zugeordnete Ventilstellung (h₂) der dem Auslösen der zweiten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung (h₂) im wesentlichen entspricht, wobei die Bewegungsrichtung während der ersten Richtungsumkehr entgegengesetzt der während der zweiten Richtungsumkehr ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößenänderung bei der ersten und der zweiten Richtungsumkehr in Art und Betrag im wesentlichen gleich sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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 zugehörigen Ventilstellungen (h₁) zu der dem Auslösen der ersten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung (h₂) vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, 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 zugehörigen Ventilstellungen (h_III) zu der dem Auslösen der zweiten Richtungsumkehr zugeordneten Ventilstellung (h₂) vorliegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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 wesentlichen mit dem dritten Zeitpunkt (t₃) zusammenfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, 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 wesentlichen mit dem achten Zeitpunkt (t₈) zusammenfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangszeitpunkt der ersten Geschwindigkeitsmessung im wesentlichen dem dritten Zeitpunkt (t₃) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangszeitpunkt (t₈) der zweiten Geschwindigkeitsmessung im wesentlichen dem achten Zeitpunkt (t₈) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, gekennzeichnet durch eine dritte und vierte Richtungsumkehr, die zu Zeitpunkten (t₅ und t₆) zwischen der ersten und zweiten Richtungsumkehr ausgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt (t₅) des Auslösens der dritten Richtungsumkehr mit dem Endzeitpunkt des Messens der ersten Geschwindigkeit im wesentlichen zusammenfällt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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 Richtungsumkehr die Anwendbarkeit des Verfahrens geprüft und gegebenenfalls durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, 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.
Verfahren nach Anspruch 17, 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.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Testsignal das Ventil nach Durchführen der Überwachung wieder in die Ventilstellung zu Beginn derselben bringt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kennzeichnung der Funktionsfähigkeit des Stellgeräts eine Diagnose mit Hinweisen zu verschiedenen Komponenten des Stellgeräts erfolgt.
Vorrichtung zur Überwachung eines Stellgeräts mit mindestens einem Stellantrieb, einem Ventil, einer Spindel und einem Stellungsregler, wobei der Stellungsregler (1) einen Aufnehmer (18) zur Messung von Ventilstellungen und einen Mikroprozessor (10) umfaßt, der Mikroprozessor (10) über einen Zeittakt verfügt und mit einer Speichereinheit (10) sowie einer Ausgabeeinheit (40) für Fehlerstatusmeldungen verbunden ist, und in der Speichereinheit (10) ein Programm für ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, Ventilstellungen, Zeiten, Zeitdifferenzen und entsprechende Sollwerte gespeichert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeeinheit (40) bei Auftreten von Defekten einen Hinweis auf die Art des Fehlers darbietet.
Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverbindungen über ein Feldbussystem realisiert sind, und daß die Analyse von Fehlerstatussignalen über das Feldbussystem von dem Stellgerät getrennt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, 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 ansteuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß über den Stellungsregler (1) gleichmäßige minimale Zuluft- oder Abluft-Pulse erzeugbar sind, die eine kontinuierliche Bewegung der Spindel bewirken.