DE2923627C2

DE2923627C2 - Vorrichtung zur automatischen Prozeßanalyse

Info

Publication number: DE2923627C2
Application number: DE2923627A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 8000 München Härtl; Eberhard Dr. 5010 Bergheim Nicklaus; Wilhelm Pross; Heinz Dr. 5000 Köln Warncke
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1979-06-11
Filing date: 1979-06-11
Publication date: 1986-02-20
Also published as: DE2923627A1; US4357300A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Prozeßanalyse, die sich selbst überwacht. Diese Vorrichtung besteht aus einer Analyseneinrichtung, die eine Entnahmeeinrichtung und eine Aufbereitungskette für den zu analysierenden Stoff und mindestens ein Analysenmeßgerät umfaßt, sowie einer Meßwertanzeige und einer Überwachungseinheil mit Sensoren zur Überwachung der Gerätefunktionen der Analyseneinrichtung. Die zu analysierenden Stoffe können in gasförmiger oder flüssiger Phase vorliegen.

Bei Prozeßanalyseneinrichtungen kommt es auf eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Meßwerte an. Zur Erreichung einer ausreichenden Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit werden bisher i. a. tägliche Funktionskontrollen von Fachkräften durchgeführt. Zur Einhaltung der Meßgenauigkeit werden die Analysenmeßgeräte regelmäßig kalibriert. Nachteilig ist bei diesem Verfahren der Präventivwartung neben dem damit verbundenen großen Aufwand, daß Störungen, die zwischen zwei Funktionskontrollen auftreten, unbemerkt bleiben können. Dies gilt vor allem für solche Störungen, die sich nicht auf den Meßwert auswirken (beispielsweise zu geringer Meßgasdurchfluß wegen einer Verstopfung).

Sowohl in dem US-Patent 40 43 756 als auch in der FR-PS 22 47 729 sind automatisch arbeitende Vorrichtungen zur photometrischen Konzentrationsmessung einer Vielzahl von flüssigen Proben beschrieben. Es wird eine jeweils auf die zu bestimmende Komponente zugeschnittene farbgebende chemische Reaktion durchgeführt. Die photometrisch gemessene Färbung ist ein Maß für die gesuchte Konzentration. Die Qualitätssichcrung des Meßwertes erfolgt mit Hilfe einer automatisch durchgeführten Eichung anhand von NuII- und Standardproben. Im Gegensatz /u der hier beschriebenen Einzelmessung von Proben wird bei Prozeßanalyseneinrichtungen eine kontinuierliche Qualitätssicherung des Meßwertes gefordert. Stillstandszeiten, d. h. Zeiten, während derer die Meßeinrichtung '·> nicht verfügbar ist, müssen so klein wie möglich gehalten werden. Anderenfalls ist die Sicherheit nicht mehr gewährleistet. Demgegenüber treten bei den Laborautomaten nach US-PS 40 43 756 und FR-PS 22 47 729 bei vorübergehenden Ausfällen (fehlende

in Verfügbarkeit) keine gravierenden Folgeschäden auf. Allenfalls muß der Meßvorgang für einzelne Proben wiederholt werden. Dementsprechend ist die in beiden Fällen zugrunde liegende Problematik nicht miteinander zu vergleichen. Die in US-PS 40 43 756 und FR-PS 22 47 729 beschriebenen apparativen Maßnahmen können somit bei der Weiterentwicklung und Verbesserung von Prozeßanalyseneinrichtungen mit der Zielsetzung der erhöhten Zuverlässigkeit und Sicherheit nicht als Vorbild dienen.

-ii In der Vergangenheit wurden ferner Vorschläge gemacht, mit Hilfe von Prozeßrechnern die Verfügbarkeit von Analysenmessungen bei gleichzeitiger Verminderung des Betriebsaufwandes heraufzusetzen, Meßtechnik und Automatik, 1974, S. 37 bis 43; Chemie-Ing.-

.'5 Technik 46, 1974, Nr. 19, S. 825 bis 831. Dabei sollte der Zustand von Statussensoren an einer Meßeinrichtung sowie der Meßwert zu einem zentralen Rechner übertrager, werden, der den Meßwert auf seine Plausibilität prüft und die Funktion der Meßeinrichtung

^1!) mit Hilfe der Statusmeldungen kontrolliert. Mit Hilfe fernübertragener Befehle sollte der Rechner in die Meßeinrichtung eingreifen und beispielsweise Kalibrierungen veranlassen können.

Wegen des damit verbundenen Aufwandes (Rechner,

'5 Software, Fernwirksystem) ist dieses Konzept nur bei umfangreichen Meßnetzen sinnvoll. Darüber hinaus stellen sowohl der Rechner als auch das Fernwirksystem prinzipiell ein Risiko für die Verfügbarkeit der Meßwerte dar.

■'" Es existieren Analysenmeßgeräte, die mit Hilfe von Statusanzeigen Abweichungen vom Soll-Betriebszustand feststellen. Ferner existieren Hilfseinrichtungen, die Kalibrierungen nach einem festen Zeitprogramm oder von außen initiiert durchführen. Dabei wird das

⁴"> Analysenmeßgerät mit Nullgas oder Empfindlichkeitsgas beaufschlagt. Bei bestimmten handelsüblichen Geräten werden die sich einstellenden Meßwerte gespeichert, und die folgenden Meßwerte werden aufgrund der gespeicherten Kalibrierwerte elektronisch korrigiert. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß der Meßwert in einer Korrekturschaltung umgesetzt wird; wenn diese ausfällt, steht der Meßwert nicht zur Verfügung. Zwar wird in diesen Abgleichautomaten eine Störungsmeldung erzeugt, wenn die Kalibrierwerte

ϊ^Γ) aus einem gewissen Bereich herausgedriftet sind, aber es sind Betriebszustände möglich, bei denen unrichtige Werte gespeichert werden, ohne daß dies erkennbar wird. Bei einem anderen Gerät, das in Verbindung mit IR-Analysatoren angeboten wird, werden Nullpunkt

^w) bzw. Empfindlichkeit am Analysenmeßgerät mit Hilfe von Motorpotentiometern nachgestellt. Zwar wird hierbei der Meßwert nicht korrigiert, aber fehlerhafte Nachstellvorgänge werden nicht durch Störungsmeldungen gekennzeichnet.

¹^' Die beschriebenen Vorrichtungen haben den Nachteil, daß nur Teile der Meßeinrichtung überwacht werden (Statusanzeigen an Analysenmeßgera'ten) oder nur Teile der Routinearbeiten automatisiert werden

(Abgleichautomaten), wobei der letzteren die Verfügbarkeit durch Umsetzung des Meßwertes prinzipiell beeinträchtigt wird und/oder nicht ordnungsgemäße Kalibrierungen nicht außen kenntlich gemacht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verfügbarkeit von Prozeßanalyseneinrichtungen heraufzusetzen und den Instandhaltungsaufwand zu vermindern.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung zur automatischen Prozeßanalyse erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Überwachungseinheit mehrere Ein- und Ausgänge enhält und mit diesen über Sensoren oder direkt der Analyseneinriehtung parallel zugeordnet ist, ohne das Ausgangssignal des Analysenmeßgerätes unmittelbar zu beeinflussen. Weiterhin sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, daß die Überwachungseinheit aus einer Schaltung zur ständigen Statuskontroile (Überwachung der Sollwerte von Betriebsdaten) der Analyseneinriehtung, einer Schaltung zur ständigen Überwachung des Meßwertes auf seine Plausibiütät und einer Schaltung zur Erzeugung von Störungsmeldungen bei Abweichungen vom Sollzustand in der Analyseneinriehtung besteht.

Wesentlich ist dabei, daß die Verfügbarkeit der Meßwerte durch die Überwachungseinheit nicht beeinträchtigt wird, so daß bei einem Ausfall der Überwachungseinheit die Meßwerte weiterhin anstehen. In einem solchen Fall bleibt also der i. a. meßfähige Grundzustand der Analyseneinriehtung erhalten. Es wird lediglich eine Störungsmeldung nach außen abgegeben, daß die Überwachungseinheit außer Funktion ist. Die parallele Zuordnung der Überwachungseinheit zu der Analyseneinriehtung ermöglicht auch, daß die Analyseneinriehtung einfach durch Betätigung eines Schalters in der bisher üblichen Weise betrieben werden kann, ohne daß Eingriffe seitens der Überwachungseinheit erfolgen können.

Die Kontrollfunktion der Überwachungseinheit beruht darauf, daß sie einerseits Informationen über die Gerätefunktion von den Statussensoren her erhält und andererseits die Meßwerte direkt auf ihre Plausibilität hin überwacht. Durch diese kombinierte Aussage wird die Qualitätssicherung der Meßwerte und damit die Verfügbarkeit der Analyseneinriehtung wesentlich verbessert. Bei Auftreten einer Störung werden Störungsmeldungen nach außen abgegeben und, wenn möglich, wird so in die Analyseneinriehtung eingegriffen, daß die Störung behoben oder mindestens teilweise kompensiert wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Überwachungseinheit bei Ausfall eines wesentlichen Bauteils der Aufbereitungskette ein entsprechend vorgesehenes Reservebauteil einschaltet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisch vereinfachtes Schaltbild der Vorrichtung zur automatischen Prozeßanalyse und

F i g. 2 das Flußdiagramm für die Funktion der Überwachungseinheit.

Gemäß Fig. 1 wird aus einer Betriebsleitung mit einer Sonde 1 (Entnahmeeinrichtung) Meügas entnommen und durch einen Meßgaskühler 2 geleitet. Das anfallende Kondensat kann mit einem Ventil 3 abgelassen werden. Das Meßgas wird in einem Absorber 4a nachgetrocknet, wobei mit Hilfe eines Ventils 5 die Möglichkeit besteht, einen Reserveabsorber 4b einzuschalten. Eine Pumpe 6 fördert das Meßgas durch einen Strömungsmesser 7 und zwei Analysenmeßgeräte 8a, Sb, die mit einem Schutzgas gespült werden, dessen Durchfluß mit einem Strömungsmesser

9 kontrolliert wird. Meßgaskühler 2 und Absorber 4a (bzw. Reserveabsorber 4b) bilden hier die Aufbereitungskette, die den Analysenmeßgeräten 8a und 86 und deren Meßwertanzeige (Schreiber 12) vorgeschaltet ist. Das erste Analysenmeßgerät 8a soll hier eine Thermo statisierung besitzen, das zweite 8i> eine Statusanzeige 10. Mit Hilfe einer Ventilkombination 11 ist es möglich, statt Meßgas Prüfgase (Null- oder Empfindlichkeitsgas)

iu durch die Analysenmeßgeräte zu leiten. Die Meßwerte der Analysenmeßgeräte werden auf dem Schreiber 12 angezeigt und registriert. Nullpunkt und Empfindlichkeit können mit Potentiometern 13a, 13b nachgestellt werden.

ii Diese Meßeinrichtung ist mit den folgenden Statussensoren ausgestattet: Temperaturfühler für Meßgasküliler-Temperatur 14; Sensoren 15a, i5b für den Zustand der Absorber 4a, 4b; Minimalkontakte 16,17 an den Strömungsmessern 7, 9; Temperaturfühler 18 für Analysenmeßgerät-Thcrmostatisierung, Statusanzeige

10 des Anaiysenmeßgerätes Sb. Sämtliche Statussensoren sind an eine zentrale Überwachungseinheit LJ angeschlossen. Sie ist im Gegensatz zu den bekannten Geräten der Aufbereitungskette und den Analysenmeßgeräten parallel zugeordnet. Dadurch wird erreicht, &iß der Datenfluß von den Analysenmeßgeräien Sa, Sb zur Meßwertanzeige 12 nicht behindert wird. Außerdem läßt sich auf diese Weise die Überwachungseinheit IJ von der Meßeinrichtung vorübergehend abkoppeln

3d ohne die prinzipielle Funktion der Analyseneinriehtung zu beeinträchtigen. Weitere Informationen erhält die Überwachungseinheit U unmittelbar aus den Meßwerten (Leitungen 30,31).
Die Überwachungseinheit U kann sämtliche Ventile schalten, die Nachstellpotentiometer verstellen und die Spannungsversorgungen des Meßgaskühlers 2 und der Thermostatisierung mit Relais 19, 20 abschalten. Der Zustand dieser Ausgaben wird an der Überwachungseinheit mit Leuchtdioden 21 angezeigt. Mit Schaltern 22 können die Ventile auch manuell angesteuert werden.

Mit insgesamt 7 intern einstellbaren Spannungen 23 wird erreicht, daß die Überwachungseinheit U an verschiedenartige Meßeinrichtungen angepaßt werden kann. Die Sollwerte für die Nullpunkts- und Empfindlichkeitsnachstellungen der Analysenmeßgerälc. die erlaubte Streubreite der Meßwerte und die untere Meßbereichsgrenze (für Plausibilitätskontrollen) können beliebig gewählt werden. Bei den Temperaturüberwachungen kann die obere Grenze des erlaubten Temperaturbereichs vorgegeben werden, wobei die Überwachungseinheit U über die Größe dieser Grenzwerte erfährt, ob ein Kühler oder eine Thermostatisierung kontrolliert werden soll. Entsprechend können Spannungsversorgungen abgeschaltet werden, je nachdem ob eine Unterkühlung oder Überhitzung festgestellt wird. In ähnlicher Weise wird über die Sollwerte für die Empfindlichkeitsnachstellungen eingegeben, wie viele Analysenmeßgeräte zu überwachen und zu kalibrieren sind.

Störungen werden intern, nach Ursachen unterschieden, mit den Leuchtdioden 24 gemeldet. Externe Störungsmeldungen werden pauschal in zwei Stufen (»Warnung«, »Messung ausgefallen«) in Form von potentialfreien Kontakten 25 ausgegeben. Zwei weitere exU:n benutzbare Meldungen 26 kennzeichnen den Betriebszustand der Meßeinrichtung: »Kalibrieren« wird gemeldet, wenn die Meßeinrichtung mit sich selbst beschäftigt ist und die Meßwerte nicht zur Verfügung

stehen. »Wartung« wird gemeldet, wenn der Wartungsschalter 27 gedruckt ist; wenn das der Fall ist, läuft die Meßeinrichtung im Handbetrieb, d.h. die Überwachungseinheit U ist von der Meßeinrichtung abgekoppelt. — Alle extern verwendbaren Meldungen werden intern mit Leuchtdioden 28 dargestellt.

In der Überwachungseinheit U ist als zentraler Baustein ein Mikroprozessor enthalten, der bei Betätigung des Schalters 29 an den Anfang des ihm eingegebenen Programms springt.

Die Funktion der Überwachungseinheit LJ ist in F i g. 2 in Form eines Flußdiagramms dargestellt.

Nach Einschalten der Spannung oder Betätigung des Schalters 29 (Fig. 1) springt das System an den Startpunkt a und prüft danach b, ob der Wartungsschalter 27 (Fig. 1) gedrückt ist. Wenn dies der Fall ist, verharrt das System in einer Wartungsschleife c, bei der die Überwachungseinheit LJ abgekoppelt ist und die Meßeinrichtung sich in ihrem Grundzustand befindet. 1st der Wartungsschalter 27 (Fig. 1) nicht gedruckt, bleibt das System in Warteschleifen d bis die zu überwachenden Temperaturen im Sollbereich liegen. Im nächsten Abschnitt e wird geprüft, ob die Statusanzeige 10 (Fig. 1) des Analysenmeßgerätes Fig. 1, Sb mindestens 15 see lang ununterbrochen störungsfreie Funktionsignalisiert.

Es folgt der Abschnitt »Empfindlichkeiten nachstellen« f. Dabei werden die Analysenmeßgeräte mit Hilfe der Ventilkombination It nacheinander mit Empfindlichkeitsgas (Gas bekannter Konzentration) beströmt. Nach einer Spülzeit wird mit Hilfe des Strömungsmessers 7 und seines Minimalkontaktes 16 geprüft, ob Empfindlichkeitsgas durch die Analysenmeßgeräte strömt. Wenn nicht, werden Störungsmeldungen ausgegeben. Wenn ja, wird mit Hilfe eines Empfindlichkeits-Motorpotentiometers der Meßwert des nachzustellenden Analysenmeßgeräts schrittweise auf den vorgegebenen Sollwert gebracht. Sind mehr als 32 Schritte erforderlich oder muß die Nachstellrichtung mehr als zweimal geändert werden, wird die Nachstellung abgebrochen und Störungsmeldungen werden ausgegeben. Entsprechend werden im folgenden Abschnitt gd'ic Nullpunkte nachgestellt.

Während der Nachstellungen steht der Meßwert nicht zur Verfügung. Dies wird nach außen durch die Meldung »Kalibrieren« mitgeteilt. Erst nach einer ausreichend langen Spülung mit Meßgas wird diese Meldung zurückgenommen.

Wenn im Abschnitt c der Wartungsschalter 27 gedrückt ist, werden alle Slörungsmeldungen gelöscht, die Meßeinrichtung in ihren Grundzustand versetzt, und die Überwachungseinheit wird abgekoppelt. Wird der Wartungsschalter 27 nur kurzzeitig betätigt, springt das

■> Programm in die Abschnitte /'und ^(Kalibrieren).

Im Abschnitt h wird geprüft, ob die Durchflüsse ausreichend groß sind und die Statusanzeige 10 des Analysenmeßgerätes Sb störungsfreien Betrieb anzeigt. Im Abschnitt / wird geprüft, ob die Temperaturen des

ίο Meßgaskühlers 2 und der Thermostatisierung des Analysenmeßgerätes 8a im Sollbereich liegen. Wird dieser unter- bzw. überschritten, werden die Spannungsversorgungen abgeschaltet. Liegt die Temperatur der Thermostatisierung nicht im Sollbereich, werden zur Kompensation von Nullpunkts- und Empfindlichkeitsdriften Nachstellungen stündlich vorgenommen.

Im Abschnitt j wird der Zustand der Absorber 4a und Ab geprüft. Ist der Absorber 4a erschöpft, wird mit dem Magnetventil 5 der Reserveabsorber Ab eingeschaltet.

Sind beide Absorber 4a und Ab erschöpft, wird zum Schutz des Analysenmeßgerätes das Meßgas abgeschaltet.

Im Abschnitt Jt werden die Meßwerte auf ihre Plausibilität geprüft. Wenn sie außerhalb des Meßbereichs liegen oder ihre Streuung größer ist als über die vorgegebene Streubreite erlaubt, werden, wie bei allen anderen Störungen auch, Meldungen ausgegeben. Je nach Auswirkung einer Störung auf die Meßwerte wird nach außen »Warnung« oder »Messung ausgefallen« gemeldet.

In den Zeitverzweigungen 1 wird der zeitliche Abstand der weiteren Abschnitte gesteuert. Alle 0,1 see springt das Programm zum Abschnitt c. Eine zeitliche Verzögerung ist deswegen eingearbeitet, damit bei den Plausibilitätsprüfungen Streuungen mit Frequenzen 10 Hz erfaßt werden können.

Im Abschnitt m werden alle 10 min die externen Störungsmeldungen zunächst gelöscht, wenn sie nicht aus den Abschnitten /"oder # (Kalibrieren) stammen. Im folgenden werden sie neu erzeugt, wenn die Störungsursachen noch vorhanden sind. Damit wird eine Aktualisierung der externen Störungsmeldungen erzielt. Alle 24 h oder 168 h wird der Abschnitt π (Kondensat ablassen) eingeschoben, bei dem durch Aktivierung des Magnetventils 3 das im Meßgaskühler 2 angefallene Kondensat abgelassen wird. Da hierbei die Meßwerte nicht zur Verfügung stehen, wird der externe Ausgang »Kalibrieren« während dieses Vorgangs gesetzt. Auf π folgen die Abschnitte /und ^(Kalibrieren).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur automatischen Prozeßanalyse, die sich selbst Oberwacht, bestehend aus einer Analyseneinrichtung, die eine Entnahmeeinrichtung und eine Aufbereitungskette für den zu analysierenden Stoff und mindestens ein Analysenmeßgerät umfaßt, sowie einer Meßwertanzeige und einer Überwachungseinheit mit Sensoren zur Überwachung der Gerätefunktionen der Analyseneinrichtung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: Die Überwachungseinheit (U) enthält mehrere Ein- und Ausgänge und ist mit diesen über Sensorer. (10,14,15a, 15b, 16,17,18) oder direkt (30, 31) der Analyseneinrichtung parallel zugeordnet, ohne das Ausgangssignal des Analysenmeßgerätes (8a, Sb) unmittelbar zu beeinflussen und besteht aus einer Schaltung zur ständigen Statuskontrolle (Überwachung der Sollwerte von Betriebsdaten) der Analyseneinrichtung, einer Schaltung zur ständigen Überwachung des Meßwertes auf seine Plausibilität, und aus einer Schaltung zur Erzeugung von Störungsmeldungen, wenn in der Analyseneinrichtung Abweichungen vom Sollzustand auftreten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinheit bei Ausfall eines wesentlichen Bauteils (4a) der Aufbereitungskette ein entsprechend vorgesehenes Reservebauteil ^^einschaltet.