DE4207643A1 - Verfahren zur sicherheitstechnischen ueberpruefung von armaturen mit elektrischem stellantrieb und messanordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicherheitstech­ nischen Überprüfung von Armaturen mit elektrischem Stell­ antrieb.

In Industrieanlagen werden Armaturen in vielfältiger Form verwendet. Während die Funktion von Armaturen, die im Verfahrensablauf ständig betätigt werden, über die Kontrolle des Verfahrens selbst erkennbar wird, muß eine gesonderte Funktionskontrolle für Armaturen vorgesehen werden, die nur in Ausnahmefällen betätigt werden. Dies gilt insbesondere für Armaturen, die nur bei Störfällen geschaltet werden, die dann aber einwandfrei und zuverlässig funktionieren müssen.

Eine einfache Funktionsprüfung durch Betätigen im Rahmen einer Sicherheitsüberprüfung der Anlage zeigt zwar, daß die betreffende Armatur noch arbeitet, eine Aussage über den Funktionszustand ist jedoch nur bei gleichzeitiger Sichtprüfung möglich. Eine derartige Sichtprüfung ist jedoch in einer Vielzahl von Fällen, beispielsweise in be­ stimmten Bereichen von Kernenergieanlagen nur mit sehr hohem Aufwand möglich.

Es ist bekannt, im Bereich der Schaltanlage des Antriebsmotors auf genommene Wirkleistungsmessungen für die Ableitung der daraus resultierenden Drehmomentenkurven zu verwenden.

Die Kalibrierung der Wirkleistungskurve P = P(t) erfolgt jedoch auf einem ortsfesten Stellantriebsprüfstand. Dadurch kann der Leitungsverlust zwischen dem Aufstellungsort der Armatur und der Schaltanlage bei einer Distanz zwischen beiden von bis zu mehreren hundert Metern nur geschätzt oder aufwendig korrigiert werden. Weiterhin bezieht sich das Drehmoment auf den Stellantriebsabtrieb. Wenn zwischen Armatur und Stellantrieb Fernantriebselemente angeordnet sind, kann der daraus entstehende Drehmomentenverlust mit vertretbarem Aufwand nur geschätzt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein meßtech­ nisches Überprüfungsverfahren zu schaffen, das eine genauere Messung der von der Armatur aufgenommenen Drehmomente er­ möglicht.

Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß das von der Armatur aufgenommene Drehmoment als Funktion der Zeit aus der Messung der Wirk­ leistung über der Zeit abgeleitet wird.

Hierzu wird zum Kalibrieren der in der im Bereich der Schaltanlage des Antriebsmotors fest installierten Meßordnung (19) ein Drehmomentenmeßgerät in die Antriebskette Armatur/Stellantrieb zweckmäßigerweise an der Schnittstelle Armatur/Stellantrieb oder falls vorhanden an der Schnittstelle Armatur/Fernantrieb bzw. Armatur/Zwischengetriebe eingefügt. Anschließend erfolgt beim Verfahren der Armatur unter ver­ schiedenen Belastungen die gleichzeitige Aufzeichnung von Drehmoment- und Wirk­ leistungskurven als Funktion der Zeit. Diese Kurven werden unlöschbar gespeichert und dienen bei späteren Wirkleistungs­ messungen als Referenzkurven. Danach kann die Drehmomenten­ meßeinrichtung wieder demontiert werden.

Bei nachfolgenden Betätigungen der Armatur können dann aus den aufgezeichneten Wirkleistungskurven die zugehörigen Dreh­ momentenkurven bestimmt werden.

Je nach dem Grad der Veränderung, der beispielsweise auch durch den Vergleich der gespeicherten Kontrollfunktionen aufeinanderfolgender Messungen feststellbar ist, kann dann die betreffende Armatur rechtzeitig ertüchtigt werden.

In zweckmäßiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner vorgesehen, daß die Wirkleistung, der Signalpegel und die Spannung während eines Lastspieles der Armatur in kurzen Zeitabständen gemessen, verstärkt und die Einzelmeßsignale als Kontrollfunktionen abgespeichert und/oder angezeigt werden. Diese Verfahrensweise erlaubt es innerhalb der gegebenen Meßzeit trotz der begrenzten Datenverarbeitungsgeschwindigkeit der einzusetzenden elek­ tronischen Bauteile eine zuverlässige Erfassung und Ab­ speicherung der die Kontrollfunktionen bildenden Meßwerte zu erreichen. Die Auswertung der Kontrollfunktionen erfolgt unter Berücksichtigung der beim Kalibrieren der Meßanordnung aufgenommenen Referenzkurven.

Die Erfindung betrifft ferner eine Meßanordnung zur sicher­ heitstechnischen Überprüfung von Armaturen mit elektrischem Stellantrieb nach dem Verfahren der Ansprüche 1-5. Erfin­ dungsgemäß ist vorgesehen, daß als Meßwertaufnehmer wenig­ stens ein eine Phase der elektrischen Zuleitung zum Antriebs­ motor umschließender Ferritkörper vorgesehen ist, in den senkrecht zum magnetischen Fluß ein Hallgenerator eingeführt ist, dessen Steuerstrom mit Netzfrequenz beaufschlagt ist, dessen Hallspannungsausgang auf den Eingang eines Verstärkers aufgeschaltet ist und daß der Signalausgang des Verstärkers mit der Datenspeicher- und/oder -Anzeigeeinrichtung ver­ bunden ist. Gemäß der Erfindung ist die Anordnung eines Ferritkörpers wegen der besonderen elektrischen Eigen­ schaften der Ferrite, nämlich der fehlenden elektrischen Leitfähigkeit und damit des Ausbleibens von Wirbelströmen, bevorzugt. Anstelle von Ferriten werden auch solche Werk­ stoffe von der Erfindung erfaßt, die vergleichbare ma­ gnetische und/oder elektrische Eigenschaften aufweisen.

Diese Meßanordnung hat den Vorteil, daß durch die besondere Art des Meßwertaufnehmers die Veränderung der in der vom Ferritkörper umschlossenen Zuleitung fließenden Wirkleistung ohne die Anordnung zusätzlicher Schaltungselemente bereits in der Form der Kontrollfunktion P = P(t) abgegriffen und verstärkt werden kann.

Weiterhin sind die Ausgänge des Spannungsmessers und des Signalpegelanzeigers mit der Datenspeicher- und/oder Anzeigeeinrichtung verbunden, um die Ermittlung der Drehmomentkurve aus der Wirkleistungskurve unter Berücksichtigung der Referenzkurven und der Signallaufzeit vom Aktivieren des Wegend- bzw. Drehmomentschalters bis zum Trennen des Motors vom Netz durchführen zu können.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind die Signalausgänge des Verstärkers, des Signalpegelan­ zeigers und des Spannungsmeßgerätes auf eine Mikrorechner­ schaltung mit Analog/Digitalwandler und Datenspeicher als Datenspeichereinrichtung aufgeschaltet. Dadurch, daß die Meßanordnung im Bereich der Schaltanlage des Antriebsmotors fest installiert ist, kann jede Armaturenbewegung dokumentiert werden. Das ist dann besonders wichtig, wenn die Armatur im Anforderungsfall nicht einwandfrei funktioniert und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden müssen. Weiterhin erlaubt es diese Anordnung, verfahrenstechnisch miteinander verknüpfte Armaturen zu überprüfen. Hierzu werden lediglich die betreffenden Armaturen durch Schaltung des Verfahrens­ ablaufes in der durch das Steuer- oder Regelprogramm vorgesehenen Weise betätigt. Alle Meßdaten werden dann zeitgleich erfaßt und an jeder Meßstelle für sich abgespeichert. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn ein kompletter Verfahrensablauf bezüglich aller Elemente, also auch der Meß- und Regeleinrichtung selbst überprüft werden muß, beispielsweise durch eine Störfallsimulation, mit der die Funktionstüchtigkeit eines Sicherheitskreislaufes überprüft wird.

Nachdem die Funktion des Verfahrens selbst auf diese Weise geprüft worden ist, können anschließend die Meßdaten jeder einzelnen, der in die Überprüfung einbezogenen Armaturen abgerufen und mit den vorausgegangenen Messungen verglichen werden.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Armatur mit elektrischem Stellantrieb mit einer Meßanordnung,

Fig. 2 den Verlauf der Wirkleistungskurve P = P(t) einer Armatur bei Absteuerung mit Drehmomenten­ schalter,

Fig. 3 den Verlauf der Wirkleistungskurve P = P(t) einer Armatur bei Absteuerung mit Wegend­ schalter,

Fig. 4 eine spätere Vergleichsmessung zur Messung gem. Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine in einer Rohrleitung (1) angeordnete Arma­ tur (2) schematisch dargestellt, die über ein Getriebe (3) je nach Aufgabenstellung mit Hilfe eines elektrischen Motors (4) in Öffnungs- oder Schließstellung gefahren werden kann.

Der Wirkleistungsmesser (5, 6) ist in die Stromzuleitung (7) des Motors eingeschleift und ermittelt die vom Motor aufgenom­ mene Wirkleistung als Funktion P = P(t). Zusätzlich wird die Spannung mit dem Spannungsmesser (8) als Kontrollfunktion U = U(t) gemessen. Für Armaturen mit gleicher Spannung im Be­ reich der Schaltanlage der Antriebsmotoren genügt die Auf­ zeichnung einer Kontrollfunktion U = U(t).

Weiterhin überwacht der Signalpegelmesser (9) den Signal­ pegel der Signalleitung (10). Diese Leitung leitet das Motor­ abschaltsignal vom Drehmomenten- bzw. Wegendschalter im Stellantrieb (3, 4) über das Koppelrelais (11) zum Leistungs­ schütz (12). Die Signalausgänge (14, 15, 16) der Verstärkerschaltung (13), des Signalpegelanzeigers (9) und des Spannungsmessers (8) können nun auf ein Anzeigegerät (17), beispielsweise ein Speicheroszilloskop aufgeschaltet werden. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn die Signalausgänge (14, 15, 16) auf eine Datenspeichereinrichtung (18) aufgeschaltet sind. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn eine sicher­ heitstechnische Überprüfung eines Störfallsystems durchgeführt werden soll, das im Normalbetrieb nicht betätigt wird.

Die Meßanordnung (19) besteht im wesentlichen aus einem weichmagnetischen Körper (5), um den eine Zuleitungsphase (7) gewickelt ist und in den ein Hallgenerator (6) eingeführt ist, dessen Steuerstrom (20) Netzfrequenz hat. Die Hall­ spannung (21) ist auf einen Verstärker (13) aufgeschaltet. Anstelle der Wirkleistungsmessung einer Phase wird auch, z. B. bei Drehstrom-Motoren, die Wirkleistungsmessung aller 3 Phasen von der Erfindung erfaßt. Weiterhin gehören zur Meßanordnung (19) ein Signalpegelanzeiger (9) sowie ein Spannungsmeßgerät (8).

Bei einer Störfallsimulation müssen dann alle zu dem betref­ fenden Kreislauf gehörenden Ventile in der durch die rege­ lungs- oder steuerungstechnische Koppelung vorgesehenen Weise betätigt werden, so daß zunächst nur die Funktion des Störfallsystems festgestellt werden kann. Durch die Ab­ speicherung der Funktionsdaten der einzelnen Armaturen kann nun zusätzlich jede Armatur anschließend in der nach­ stehend noch näher an 3 Beispielen beschriebenen Weise über­ prüft werden.

Die Datenspeichereinheit (18) wird beispielsweise durch eine Mikrorechner-Schaltung mit Analog/ Digitalwandler und Datenspeicher gebildet, dessen Signalausgang (22) auf einen Zentralrechner (23) aufgeschaltet ist, so daß von einem zentralen Leitstand die Daten jeder der mit einer entsprechenden Meßan­ ordnung (19) ausgestatteten Armatur abgerufen werden können.

Bei Inbetriebnahme der Meßanordnung (19) wird zunächst zeitlich begrenzt eine Drehmomentenmeßeinrichtung (24) mit Gerät (25) zur Aufnahme von Drehmomentenkurven M = M(t) zwischen Armatur und Stellantrieb montiert. Anschließend erfolgt während der Betätigung der Armatur unter verschiedenen Belastungen die gleichzeitige Auf­ zeichnung von Drehmoment-, Wirkleistungs- und Spannungskurven als Funktion der Zeit. Diese Kurven werden gespeichert (26, 27) und dienen bei späteren Wirkleistungmessungen mit der Meßanord­ nung (19) als Referenzkurven. Danach kann die Drehmomentenmeß­ einrichtung (24) wieder demontiert werden.

In Fig. 2 sind nun die Kurvenverläufe der Meßfunktion (28) P = P(t) am Ausgang (14) des Verstärkers (13), der Kontrollfunktion (29) S = S(t) am Ausgang (15) des Signalpegelmessers (9) und der Span­ nungsfunktion (30) U = U (t) am Ausgang (16) des Spannungsmessers (8) für ein Ventil mit Drehmomentenabsteuerung des Stellan­ triebsmotors aufgezeichnet.

Vom Lastspiel der Armatur ist der Übersichtlichkeit halber nur der Abschaltvorgang dargestellt.

Zur Zeit t₁ berührt der Ventilteller den Ventilsitz bei einer Wirkleistung von P = P1. Danach wird die Armatur bei sich ver­ größernder Wirkstromleistung bis zum Zeitpunkt t₂ bei P = P2 zunehmend verspannt.

Zur Zeit t₂ ist das eingestellte Abschaltdrehmoment Mo er­ reicht, und der Signalpegel (29) der Absteuerungsleitung (10) ändert sich. Damit wird das Trennen des Motors vom Netz einge­ leitet. Zur Zeit t₃ ist der Trennvorgang beendet und die Wirk­ leistung hat den Wert P = P3 erreicht.

Zur Zeit t₄ ist der Motor zum Stillstand gekommen, wobei bei gradliniger Extrapolation der Wirkleistungskurve eine fiktive Wirkleistung P = P4 berechnet wird.

Mit Hilfe der gespeicherten Referenzkurven (26, 27) kann nun die Wirkleistungskurve (28) in die Drehmomentenkurve (31) überführt werden.

Der anhand von Fig. 2 dargestellte Kurvenverlauf entspricht einer einwandfrei funktionierenden beispielsweise fabrikneuen Armatur mit elektrischem Stellantrieb. Der Momentenverlauf ist abhängig von den Dreh-Steifigkeiten der Armatur und des Stell­ antriebes sowie der kinetischen Energie der umlaufenden Teile. Das max. auftretende Drehmoment zur Zeit t₄ zeigt an, ob die im Kraftfluß der Antriebskette Stellantrieb/Armatur liegenden Teile überbeansprucht werden.

In Fig. 3 ist der Endbereich der Wirkleistungskurve (28) des Lastspiels einer mit Wegendschalter abgesteuerten Armatur dargestellt. Diese Kurve wird ebenfalls mit Hilfe der gespei­ cherten Referenzkurven (26, 27) in eine Drehmomentenkurve (31) überführt.

Im vorliegenden Beispiel zeigt die Drehmomentenkurve einen ausreichend eingestellten Wegendschalter an. Der Wegend­ schalter trennt den Motor zu Zeit t₂ vom Netz, ohne daß die Armaturenspindel den Endanschlag erreicht hat. Das Drehmo­ ment erhöht sich in der Endlage der Armatur nicht.

Bei der Abnahme einer Anlage bzw. beim Einbau einer neuen Arma­ tur wird diese in der vorstehend beschriebenen Weise durchge­ messen und der entsprechend von Fig. 2 registrierte Kurvenver­ lauf als "SOLL-Kurve" archiviert. Mit dieser "SOLL-Kurve", wird nun die bei allen nachfolgenden Überprüfungen gemessene "IST-Kurve", verglichen, so daß aus etwaigen Abweichungen Rückschlüsse über den mechanischen und/oder elektrischen Zustand der betreffenden Armatur mit elektrischem Stellantrieb gezogen werden können.

Eine derartige "IST-Kurve" einer zu einem späteren Zeitpunkt überprüften Armatur ist in Fig. 4 schematisch dargestellt.

Das max. Drehmoment zu Zeit t₄ ist hierbei gegenüber dem der "SOLL-Kurve" gem. Fig. 2 erheblich größer. Der Grund dafür ist die längere Signallaufzeit t₃-t₂.

Damit kann schon zum Prüfzeitpunkt die Entscheidung getrof­ fen werden, ob diese Armatur repariert werden muß, was insbesondere für Störfallsysteme von entscheidender Bedeu­ tung ist, da hier sichergestellt sein muß, daß jede der im Störfallsystem verwendete Armatur zuverlässig und voll­ ständig öffnet bzw. schließt.

Claims (11)

1. Verfahren zur sicherheitstechnischen Überprüfung von Arma­ turen mit elektrischem Stellantrieb, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während eines Lastspieles der Armatur mit max. Belastung entsprechend dem Anforderungsfall die Wirkleistung des Motors im Bereich der Schaltanlage des Motors über der Zeit als Meßfunktion P = P(t) erfaßt wird, und diese durch eine gleichzeitig erfaßte Drehmomentenmes­ sung M = M(t) mittels zeitlich begrenzt am Armatureneingang in der Antriebskette Armatur/Stellantrieb installierten Dreh­ momenten-Meßeinrichtung kalibriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollfunktionen P = P (t) und M = M (t) zum Vergleich mit Folgemessungen an der gleichen Armatur gespeichert und/oder angezeigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalpegel des Koppelrelais zur Steuerung des Leistungs­ schützes, das den Antriebsmotor abschaltet, über der Zeit als Meßfunktion S = S(t) erfaßt sowie abgespeichert und/oder angezeigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung im Bereich der Schaltanlage des Antriebs­ motors über der Zeit als Meßfunktion U = U(t) erfaßt sowie abgespeichert und/oder angezeigt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wirkleistung P = P(t), der Signalpegel S = S(t) und die elektrische Spannung U = U(t) während eines Lastspiels in kurzen Zeitabständen gemessen, ver­ stärkt und die einzelnen Meßsignale als Kontrollfunktionen abgespeichert und/oder angezeigt werden.

6. Meßanordnung zur sicherheitstechnischen Überprüfung von Armaturen mit elektrischem Stellantrieb zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Meßwertaufnehmer wenigstens ein einen Leiter der elektrischen Zuleitung umschließender aus weich­ magnetischem Werkstoff bestehender Körper vorgesehen ist, in den wenigstens 1 Hallgenerator eingeführt wird, dessen Steuerstrom Netzfrequenz hat und dessen Hallspannung über einen Verstärker mit der Datenspeicher- und/oder Anzeigeein­ richtung verbunden ist.

7. Meßanordnung zur sicherheitstechnischen Überprüfung von Armaturen mit elektrischen Stellantrieb zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des den Signalpegel des Koppelrelais anzeigenden Gerätes mit der Datenspeicher- und/oder Anzeigeeinrichtung verbunden ist.

8. Meßanordnung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Spannungsmeßgerätes mit der Datenspeicher- und/oder Anzeigeeinrichtung verbunden ist.

9. Meßanordnung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß sie fest im Bereich der Schaltanlage des Antriebsmotors installiert ist.

10. Meßanordnung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch eine ferromagnetische Hülle gegen magnetische Störeinflüsse geschützt ist.

11. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalausgänge (14, 15, 16) des Verstärkers (13), Signalpegelgebers (9) und Spannungsmeß­ gerätes (8) auf einen Mikrorechner mit Analog/Digitalwandler und Datenspeicher als Datenspeichereinrichtung (18) aufge­ schaltet wird.