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VERWANDTE
ANMELDUNG
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Dies
ist eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung Aktenzeichen 08/549,998,
angemeldet am 30. Oktober 1995.
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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ventilpositionierer und
insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines
Parameters einer Prozeßsteuerungseinrichtung,
die online mit einer Prozeßumgebung
verbunden ist.
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STAND DER
TECHNIK
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Großtechnische
Fertigungs- und Raffinationsprozesse verwenden typischerweise eine
Prozeßsteuereinheit
zur Steuerung des Betriebs von einer oder mehreren Prozeßsteuerungseinrichtungen wie
etwa von Ventileinrichtungen, die ihrerseits eine oder mehrere Prozeßvariablen
steuern, die z. B. den Fluiddurchfluß, die Temperatur, den Druck
usw. innerhalb des Prozesses umfassen. Im allgemeinen hat jede Prozeßsteuerungseinrichtung
einen Betätiger,
der von einem Positionierer gesteuert wird, der ein zugeordnetes
Stellelement wie etwa einen Ventilstopfen, einen Schieber oder irgendein
anderes veränderliches Öffnungselement
in Abhängigkeit
von einem Befehlssignal bewegt, das von der Prozeßsteuereinheit
erzeugt wird. Das Stellelement einer Prozeßsteuerungseinrichtung kann
sich beispielsweise in Abhängigkeit
von einem sich ändernden
Fluiddruck an einer mittels einer Feder vorgespannten Membran oder
einem Kolben oder in Abhängigkeit von
der Rotation einer Achse bewegen, wobei jedes davon durch eine Änderung
des Befehlssignals verursacht sein kann. Bei einer Standard-Ventileinrichtung
veranlaßt
ein Befehlssignal mit einer Größe, die in
dem Bereich von 4 bis 20 mA (Milliampere) veränderlich ist, einen Positionierer,
die Fluidmenge und damit den Fluiddruck innerhalb einer Druckkammer proportional
zu der Größe des Befehlssignals
zu ändern.
Der sich ändernde
Fluiddruck in der Druckkammer veranlaßt eine Membran, sich gegen
eine Vorspannfeder zu bewegen, was wiederum eine Bewegung eines
Ventilstopfens bewirkt, der mit der Membran verbunden ist.
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Prozeßsteuerungseinrichtungen
entwickeln oder erzeugen gewöhnlich
ein Rückkopplungssignal, welches
das Ansprechen der Einrichtung auf das Befehlssignal bezeichnet,
und liefern dieses Rückkopplungssignal
(oder die Ansprechanzeige) an die Prozeßsteuereinheit zur Nutzung
bei der Steuerung eines Prozesses. Beispielsweise erzeugen Ventileinrichtungen
typischerweise ein Rückkopplungssignal, das
die Position (z. B. den Weg) eines Ventilstopfens, den Druck innerhalb
einer Fluidkammer oder den Wert irgendeiner anderen Erscheinung
bezeichnet, die auf die tatsächliche
Position des Ventilstopfens bezogen ist.
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Eine
Prozeßsteuereinheit
nutzt zwar im allgemeinen diese Rückkopplungssignale gemeinsam mit
anderen Signalen als Eingänge
zu einem feinstabgestimmten zentralen Steueralgorithmus, der die Gesamtsteuerung
eines Prozesses bewirkt, es ist jedoch entdeckt worden, daß eine nicht-optimale Schleifenleistung
dennoch durch schlechte Betriebsbedingungen der einzelnen Steuereinrichtungen,
die mit der Steuerschleife verbunden sind, verursacht werden kann.
In vielen Fällen
können
Probleme, die mit einer oder mehreren der einzelnen Prozeßsteuerungseinrichtungen
verbunden sind, von der Prozeßsteuereinheit
nicht aus der Steuerschleife ausgeblendet werden, und infolgedessen
werden die schlecht funktionierenden Steuerschleifen in manuellen
Betrieb gebracht oder bis zu dem Punkt verstimmt, an dem sie effektiv
manuell arbeiten. Die diesen Steuerschleifen zugeordneten Prozesse
erfordern eine ständige Überwachung
durch einen oder mehrere erfahrene Bedienpersonen, was unerwünscht ist.
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Eine
schlechte Steuerschleifenleistung kann gewöhnlich dadurch überwunden
werden, daß der Betriebszustand
oder die "Gesundheit" von jeder der innerhalb
der Schleife verbundenen Prozeßsteuerungseinrichtungen überwacht
wird oder mindestens die kritischsten Prozeßsteuerungseinrichtungen, die in
der Schleife verbunden sind, überwacht
werden und die schlecht funktionierenden Prozeßsteuerungseinrichtungen repariert
oder ausgewechselt werden. Die Gesundheit einer Prozeßsteuerungseinrichtung kann
bestimmt werden durch Messen von einem oder mehreren Parametern,
die der Prozeßsteuerungseinrichtung
zugeordnet sind, und Bestimmen, ob der eine oder die mehreren Parameter
aus einem akzeptablen Bereich herausfallen.
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Ein
Parameter einer Prozeßsteuerungseinrichtung,
der genutzt werden kann, um die Gesundheit einer Prozeßsteuerungseinrichtung
zu bestimmen, und der diese bezeichnet, ist die Totzone. Allgemein
gesagt ist die Totzone in Prozeßinstrumenten der
Bereich, durch den ein Eingangssignal bei Richtungsumkehr geändert werden
kann, ohne daß eine merkliche Änderung
in einem Ausgangssignal ausgelöst
wird. Die Totzone, die durch das Spiel zwischen mechanisch miteinander
verbundenen Komponenten, durch Reibung und/oder andere bekannte physische
Erscheinungen hervorgerufen werden kann, wird am besten beobachtet,
wenn ein Befehlssignal eine Richtungsumkehr der Bewegung eines beweglichen
Elements einer Prozeßsteuerungseinrichtung
verursacht: Während
dieser Umkehr erfährt das
Befehlssignal eine diskrete Änderung
(Totzone), bevor das bewegbare Element der Prozeßsteuerungseinrichtung tatsächlich eine
Bewegung in der neuen Richtung zeigt. Anders ausgedrückt ist
die Differenz zwischen dem Wert des Befehlssignals (oder eines anderen
Steuersignals), bei dem eine Bewegung des Elements der Prozeßsteuerungseinrichtung
in einer ersten Richtung zuletzt erfolgt ist, und dem Wert des Befehlssignals
(oder anderen Steuersignals), bei dem die Bewegung des Elements
der Prozeßsteuerungseinrichtung
in einer zweiten und von der ersten verschiedenen Richtung erstmals
erfolgt, ein Maß für die Totzone
der Prozeßsteuerungseinrichtung.
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Andere
Einrichtungsparameter, die zur Bestimmung der Gesundheit einer Prozeßsteuerungseinrichtung
genutzt werden können,
sind Totzeit und Ansprechzeit. Totzeit ist dem Zeitraum zugeordnet und
kann als ein Maß für den Zeitraum
angesehen werden, der benötigt
wird, bis die Prozeßsteuerungseinrichtung
tatsächlich
beginnt, ein bewegbares Element als Reaktion auf eine Änderung
in einem Steuersignal zu bewegen. Ansprechzeit ist die Zeitdauer, die
das bewegbare Element einer Prozeßsteuerungseinrichtung benötigt, um
einen bestimmten Prozentsatz, beispielsweise 63 %, ihre Endwerts
als Reaktion auf eine Änderung
in einem Steuersignal zu erreichen.
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Wenn
die Totzone, die Totzeit, die Ansprechzeit oder andere Parameter
einer Prozeßsteuerungseinrichtung
um einen signifikanten Wert über
ihre kalibrierten Werte ansteigen, kann es erforderlich sein, die
Prozeßsteuerungseinrichtung
zu reparieren oder auszuwechseln, um eine adäquate Steuerung innerhalb der
Prozeßsteuerschleife
herzustellen. Es ist aber gewöhnlich
nicht besonders einfach, Parameter einer Prozeßsteuerungseinrichtung wie
etwa Totzone, Totzeit und Ansprechzeit zu messen, um die Gesundheit
von funktionierenden Prozeßsteuerungseinrichtungen
zu überwachen,
wenn diese Einrichtungen online in eine Steuerschleife eingefügt sind.
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In
der Vergangenheit mußten
Bedienpersonen eine Prozeßsteuerungseinrichtung
aus einer Steuerschleife herausnehmen, um die Einrichtung auf dem
Prüfstand
zu überprüfen, oder
alternativ weisen Steuerschleifen Bypaßventile und redundante Prozeßsteuerungseinrichtungen
auf, um die Umgehung einer bestimmten Prozeßsteuerungseinrichtung zu ermöglichen,
damit diese Einrichtung überprüft werden
kann, während
der Prozeß aktiv
ist. Alternativ mußten
Bedienpersonen warten, bis ein Prozeß angehalten oder planmäßig abgeschaltet
wird, um die einzelnen Prozeßsteuerungseinrichtungen
in dem Prozeß zu überprüfen. Jede
dieser Optionen ist zeitaufwendig und teuer und liefert dennoch
nur eine intermittierende Messung der Parameter der einzelnen Prozeßsteuerungseinrichtungen,
die notwendig sind, um die Gesundheit dieser Steuerungseinrichtungen
zu bestimmen.
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US 5 329 465 erörtert ein
Ventildiagnoseüberwachungssystem,
bei dem Sensorsignale einer zu prüfenden Einrichtung mit einer
gespeicherten Grundlinie von Sensorsignalen für eine solche Einrichtung verglichen
werden. Die Einrichtung überwacht
die Reaktion der Einrichtung auf ein bekanntes Steuersignal zur
Erzeugung des für
den Vergleich verwendeten Ansprechsignals. Ferner wird diese Messung
ausgeführt,
während
sich die Einrichtung in- einem "Offline"-Modus befindet,
da das verwendete Steuersignal keines ist, das für die eigentliche Prozeßsteuerung
verwendet wird. Es wird nichts über eine
Vorrichtung zur Überwachung
der Einrichtung, während
diese unter Normalbedingungen in Betrieb ist, gesagt, und ferner
wird nichts über
die Bestimmung der Leistungsfähigkeit
ohne die Verwendung eines Vorhersagemodells erwähnt.
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GB 2 196 445 A zeigt
ein System und ein Verfahren, wobei die Leistungsparameter einer
Einrichtung während
des Online-Betriebs der Einrichtung gemessen werden. Das System überwacht
die Reaktion der Einrichtung auf Steuersignale und entscheidet dann
aufgrund eines Gütemaßes der
Reaktion. Dieses Gütemaß dient
dazu zu entscheiden, wie effektiv die Einrichtung funktioniert,
ohne daß unbedingt
ein Vorhersagemodell der Einrichtung verwendet werden muß. In diesem
Dokument findet sich jedoch keine Erörterung der Notwendigkeit einer
minimalen Betriebsstufe vor Nutzung der Ergebnisse der Überprüfung, um
dadurch die Genauigkeit der Ergebnisse durch Vernachlässigung
von Übergangseffekten
zu verbessern.
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EP 0 275 629 beschreibt
eine Einrichtung zur Verringerung oder Korrektur des Positionierfehlers zwischen
einer Soll-Ventilposition und einer Ist-Ventilposition. Über eine
Messung der Einrichtungsparameter in Abhängigkeit von einem Steuersignal,
um zu bestimmen, wie effizient die Einrichtung arbeitet, ist hier
nichts gesagt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bestimmen eines Einrichtungsparameters einer Prozeßsteuerungseinrichtung
gerichtet, während
der Prozeß in
einer Steuerschleife online arbeitet. Die Vorrichtung weist einen Detektiersensor
auf, der ausgebildet ist, um eine Änderung in einem Steuersignal
beeinträchtigungsfrei zu
detektieren und zu erkennen, ob die Änderung in dem Steuersignal
größer als
ein vorgegebener Wert ist, während
die Prozeßsteuerungseinrichtung
in dem Prozeß online
arbeitet.
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Ein
Meßsensor
wird verwendet, um ein Einrichtungsansprechverhalten, das durch
die Prozeßsteuerungseinrichtung
in Abhängigkeit
von der Änderung
in dem Steuersignal erzeugt wird, beeinträchtigungsfrei zu messen. Auch
dies erfolgt, während
die Prozeßsteuerungseinrichtung
in dem Prozeß online arbeitet.
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Eine
Meßeinheit
ist vorgesehen zum Berechnen des Einrichtungsparameters auf der
Basis der erkannten Änderung
in dem Steuersignal, die größer als
der vorgegebene Wert ist, und des Einrichtungsansprechverhaltens
zu berechnen. Das wird ohne Nutzung eines Vorhersagemodells der
Prozeßsteuerungseinrichtung
durchgeführt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockbild einer Steuerschleife und Vorrichtung zum beeinträchtigungsfreien
Bestimmen eines Parameters einer Prozeßsteuerungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2A und 2B zeigen
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum beeinträchtigungsfreien Bestimmen der
Totzone oder des Ansprechverhaltens einer Online-Prozeßsteuerungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum beeinträchtigungsfreien Bestimmen der Totzeit
oder des Ansprechverhaltens einer Online-Prozeßsteuerungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Gemäß 1 weist
eine typische Prozeßsteuerschleife 10 mit
einem einzigen Eingang und einem einzigen Ausgang eine Prozeßsteuereinheit 12 auf,
die beispielsweise ein Befehlssignal von 4 bis 20 mA an eine Prozeßsteuerungseinrichtung 13 sendet, die
in der Zeichnung einen Strom-Druck-Meßumformer (I/F) 14 aufweist,
der (typischerweise) ein Drucksignal von 3 bis 15 psig an einen
Ventilpositionierer 15 sendet, der seinerseits ein Ventil 18 mit
einem Drucksignal (Luft) pneumatisch steuert. Die Betätigung des
Ventils 18 steuert die Gelenkbewegung eines bewegbaren
Ventilelements, das darin angeordnet ist (nicht gezeigt) und seinerseits
eine Prozeßvariable
in einem Prozeß 20 steuert.
Die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 kann
jedoch jede andere Art von Ventileinrichtung oder Elementen anstelle
der oder zusätzlich
zu den in 1 gezeigten Einrichtung sein,
was beispielsweise einen elektronischen Positionierer einschließt, in den
eine I/P-Einheit integriert ist. Ferner versteht es sich, daß die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 jede
andere Art von Einrichtung (anstelle einer Ventilsteuerungseinrichtung)
sein kann, die eine Prozeßvariable
auf eine andere gewünschte
oder bekannte Weise steuert und beispielsweise ein Schieber usw.
sein kann.
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Wie 1 zeigt,
mißt ein
Meßwertumformer 22 die
Prozeßvariable
des Prozesses 20 und übermittelt
eine Anzeige der gemessenen Prozeßvariablen an einen Summenpunkt 26.
Der Summenpunkt 26 vergleicht den Meßwert der Prozeßvariablen
(der in einen normalisierten Prozentsatz umgewandelt wird) mit einem
Sollwert, um ein die Differenz zwischen beiden bezeichnendes Fehlersignal
zu erzeugen, und übermittelt
dieses Fehlersignal an die Prozeßsteuereinheit 12.
Der Sollwert, der von einem Anwender, einem Bediener oder einem
anderen Controller erzeugt werden kann, ist typischerweise so normalisiert,
daß er
zwischen 0 und 100 % liegt, und bezeichnet den gewünschten
Wert der Prozeßvariablen.
Die Prozeßsteuereinheit 12 nutzt
das Fehlersignal zum Erzeugen des Befehlssignals entsprechend einer
gewünschten
Technik und liefert das Befehlssignal an die Prozeßsteuerungseinrichtung 13,
um dadurch die Steuerung der Prozeßvariablen zu bewirken.
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Eine
Einrichtungsparametermeßeinheit 30, die
in dem Positionierer 15 oder außerhalb desselben vorgesehen
ist, mißt
oder detektiert ein Steuersignal, das der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 zugeführt oder
zu deren Steuerung genutzt wird, und detektiert eine Anzeige des
Ansprechverhaltens der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 auf
das Steuersignal (eine Ansprechanzeige), das beispielsweise von
einem Positionssensor 31 entwickelt werden kann, der in der
Prozeßsteuerungseinrichtung 13 oder
außerhalb davon
vorgesehen ist. Wie 1 zeigt, kann die Meßeinheit 30 das
Befehlssignal detektieren, das der I/P-Einheit 14 (die
mit dem Positionierer integral sein kann) über einen Stromsensor 32 als
das Steuersignal zugeführt
wird, und kann die Ventilposition am Ausgang des Ventils 18 (über den
Positionssensor 31) als die Ansprechanzeige detektieren.
Alternativ oder zusätzlich
kann die Meßeinheit 30 das
Sollwertsignal, das Fehlersignal am Ausgang des Summenpunkts 26,
das Druckbefehlssignal, das von der I/P-Einheit 14 entwickelt
wird (über
einen Drucksensor 34), das Betätigerbefehlssignal, das von
dem Positionierer 15 (über
einen Drucksensor 36) entwickelt wird, und/oder jedes andere
Signal, das die Steuerung der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 bezeichnet
oder darauf bezogen ist, als das Steuersignal detektieren. Ebenso
kann die Meßeinheit 30 das
Druckbefehlssignal von dem Positionierer 15, die Prozeßvariable,
den Ausgang des Meßwertumformers 22 oder
jedes andere Signal oder jede andere Erscheinung als die Ansprechanzeige
messen, welche die Bewegung oder die Aktion der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 in
Abhängigkeit
von einer Änderung
eines Steuersignals bezeichnet. Ferner ist zu beachten, daß anderen
Arten von Prozeßsteuerungseinrichtungen
andere Signale oder Erscheinungen zugeordnet sein können, die
ein Ansprechen auf eine Änderung in
einem Steuersignal bezeichnen und von der Meßeinheit 30 als die
Ansprechanzeige genutzt werden können.
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Es
ist ersichtlich, daß die
Meßeinheit 30 eine Anzeige
des Befehlssignals, des Drucksignals, des Betätigerbefehlssignals oder der
Ventilposition, die bereits von dem Positionierer 15 abgegeben
wird, wenn der Positionierer 15 diese Messung kommunizieren
kann, lesen kann und/oder daß die
Meßeinheit 30 die
von dem Drucksensor 36 oder dem Positionssensor 31 bezeichnete
Ventilposition detektieren kann. Der Positionssensor 31 kann
jede gewünschte Bewegungs-
oder Positionsmeßeinrichtung
aufweisen, was beispielsweise ein Potentiometer, einen linear verstellbaren
Differentialtransformator (LVDT), einen drehverstellbaren Differentialtransformator (RVDT),
einen Hall-Effekt-Bewegungssensor,
einen magnetostriktiven Bewegungssensor, einen kapazitiven Bewegungssensor
usw. umfaßt.
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Es
versteht sich, daß die
Meßeinrichtung 30 die
Totzone, die Totzeit oder Ansprechzeit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 online
auf eine beeinträchtigungsfreie
Weise messen kann, weil sie diese Parameter auf der Basis von sehr
kleinen Bewegungen der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 detektieren kann,
die während
der Steuerung des Betriebs des Prozesses 20 normalerweise
auftreten. Anders ausgedrückt,
ist es für
die Meßeinheit 30 nicht
erforderlich, daß die
Prozeßsteuerungseinrichtung 13 eine volle
Hubsequenz oder Testhubsequenz durchläuft, um Totzone, Totzeit oder
Ansprechzeit zu bestimmen. Da ferner die Meßeinheit 30 mit der
Prozeßsteuerschleife 10 verbunden
ist und das Steuersignal und die Ansprechanzeige während des
Normalbetriebs der Prozeßsteuerschleife 10 mißt, bestimmt die
Meßeinheit 30 die
Parameter der Prozeßsteuerungseinrichtung
kontinuierlich, ohne den Ablauf des Prozesses 20 zu beeinträchtigen.
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Falls
gewünscht,
kann die Meßeinheit 30 die festgestellten
Parameter der Prozeßsteuerungseinrichtung
mit einem oder mehreren gespeicherten Werten vergleichen, um zu
bestimmen, ob die gemessenen Parameter akzeptabel oder innerhalb
eines vorgegebenen Bereichs sind. Wenn die bestimmten Parameter
nicht innerhalb des vorgegebenen Bereichs sind, kann die Meßeinheit 30 einen
Anwender über
ein Display 38, das beispielsweise ein Bildschirm, ein
Drucker, ein Sprachgenerator, ein Alarm oder irgendeine andere gewünschte Kommunikationseinrichtung
ist, darauf aufmerksam machen, daß die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 eventuell repariert
oder ausgetauscht werden muß.
Falls gewünscht,
kann die Meßeinheit 30 auch
eine Liste der gemessenen Einrichtungsparameter über das Display 38 für den Anwender
bereitstellen.
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Zur
Online-Messung der Totzone der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 detektiert
oder mißt
die Meßeinrichtung 30 zuerst
Steuersignale, welche die Einrichtung 13 steuern, und die
Reaktion bzw. das Ansprechen der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 auf diese
Menge oder Gruppe von Steuersignalen. Die Meßeinheit 30 sucht
dann nach Umkehrungen in den Steuersignalen, d. h. nach Punkten,
an denen die Steuersignale eine Änderung
in der Bewegungsrichtung des bewegbaren Elements der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 bezeichnen.
Eine Umkehrung erfolgt, wenn beispielsweise die Prozeßsteuereinheit 12 die
Prozeßsteuerungseinrichtung 13 veranlaßt, die
Ventilposition zu vergrößern, ein
konstantes Signal während
eines diskreten Zeitraums sendet und dann ein Signal sendet, das
die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 veranlaßt, die
Ventilposition zu verkleinern. Bei Detektierung einer Umkehrung
in dem Steuersignal wartet die Meßeinheit 30, bis die
Ventilbewegung in der umgekehrten Richtung (z. B. in der Verkleinerungsrichtung)
tatsächlich
eintritt, und bestimmt die Totzone als die Differenz zwischen dem Steuersignal,
bei dem die Ventilbewegung in der ersten (z. B. der Vergrößerungsrichtung)
Richtung zuletzt erfolgt ist, und dem Steuersignal, bei dem die Ventilbewegung
in der umgekehrten Richtung (der Verkleinerungsrichtung) erstmals
erfolgt ist.
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Falls
gewünscht,
kann die Meßeinheit 30 jede
Umkehrung des Steuersignals erkennen, die zu dieser Umkehrung gehörige Totzone
bestimmen und jede der detektierten Umkehrungen und Totzonen als separate
Messungen der Totzone der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 speichern,
um dem Bediener einen ständigen
Verlauf der Totzone der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 zu
liefern. Falls gewünscht,
kann die Meßeinheit 30 auch
die separaten Messungen der Totzone zu einer Totzonengesamtmessung
kombinieren, indem beispielsweise einer oder mehrere der Totzonenmeßwerte gemeinsam
gemittelt werden. Ferner kann die Meßeinheit 30 jeden
der Totzonenmeßwerte
mit einem oder mehreren Grenzwerten vergleichen, die einen gültigen Bereich
für die
Totzone bezeichnen, und kann dann, wenn die gemessene Totzone aus
dem Gültigkeitsbereich
fällt, einen
Bediener darauf aufmerksam machen, daß die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 repariert
oder ausgewechselt werden muß,
um einen effizienten Ablauf der Prozeßsteuerschleife 10 zu
gewährleisten.
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Ebenso
kann die Meßeinheit 30 die
Totzeit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 bestimmen durch
Detektieren einer Änderung
in dem Befehlssignal, das von der Prozeßsteuereinheit 12 zugeführt wird,
und anschließendes
Messen der Zeitdauer, die abläuft,
bevor als Reaktion auf diese Änderung
in dem Befehlssignal eine Ventilbewegung stattfindet. Ferner kann
die Meßeinheit 30 die
Ansprechzeit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 messen
durch Detektieren einer Änderung
in dem von der Prozeßsteuereinheit 12 zugeführten Befehlssignal
und anschließendes
Messen der Zeitdauer, bis das Ventil 18 einen vorbestimmten
Prozentsatz, beispielsweise 63 %, des Endwerts der vollständigen Änderung
der Ventilposition erreicht, die als Ergebnis der Änderung des
Befehlssignals eintritt. Der vorbestimmte Prozentsatz kann beispielsweise
von einem Bediener oder einem Designer der Steuerschleife angegeben werden.
Selbstverständlich
kann die Meßeinheit 30 die
Totzeit oder Ansprechzeit messen, wenn sich die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 aufwärts oder
abwärts
durch eine Totzone bewegt oder wenn die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 sich
nicht durch eine Totzone bewegt. Falls gewünscht, kann die Meßeinheit 30 diese
verschiedenen Meßwerte
auf jede beliebige Weise kombinieren, um einen statistischen Meßwert der
Totzeit oder der Ansprechzeit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 zu
liefern. Es ist ersichtlich, daß die
Meßeinheit 30 einen
Taktgeber oder eine andere Zeitsteuereinrichtung aufweist, um die Totzeit
oder die Ansprechzeit zu messen.
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Ebenso
wie bei der Messung der Totzone kann die Meßeinheit 30 Mengen
von Daten verwerfen, wenn beispielsweise die Größe oder Rate der Änderung
des Befehlssignals zu klein oder zu groß ist, wenn die gemessene Zeitdauer
zu kurz oder zu lang ist (was potentiell anzeigt, daß entweder
in der Prozeßsteuerschleife 10 oder
der Meßeinheit 30 irgendein
anderes Problem vorliegt), usw. Ebenso kann ähnlich wie im Fall der Totzone
die Totzeit oder die Ansprechzeit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 in
bezug auf Änderungen
in dem Sollwert, dem Ausgang des Summenpunkts 26 oder der
Prozeßvariablen
oder in bezug auf ein anderes Steuersignal oder eine Ansprechanzeige
in Verbindung mit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 gemessen
werden.
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Außerdem kann
die Meßeinheit 30 irgendwelche
anderen gewünschten
Parameter der Prozeßsteuerungseinrichtung
online messen, solange solche anderen Prozeßsteuerungseinrichtungsparameter
aus einem oder mehreren Werten eines Steuersignals oder einem oder
mehreren Werten eines Signals bestimmt werden können, das ein Ansprechen der
Prozeßsteuerungseinrichtung
auf ein Steuersignal bezeichnet.
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Die
Meßeinheit 30 kann
als jede gewünschte festverdrahtete
Logikeinrichtung oder softwaregesteuerte Verarbeitungseinrichtung
wie etwa als Mikroprozessor implementiert werden, die imstande ist, ein
Steuersignal und eine Ansprechanzeige zu detektieren und zu speichern
und einen oder mehrere Einrichtungsparameter wie etwa Totzone, Totzeit
und Ansprechzeit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 daraus
zu bestimmen. Die 2A, 2B und 3 sind
Ablaufdiagramme, welche die Funktionsweise der Meßeinheit 30 veranschaulichen,
wenn die Meßeinheit 30 verwendet
wird, um Totzone, Totzeit oder Ansprechzeit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 zu
bestimmen, und es versteht sich, daß die Schritte in den Ablaufdiagrammen
der 2A, 2B und 3 in Software,
Hardware, Firmware oder jeder Kombination davon auf jede gewünschte Weise
implementiert werden können.
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Zur
Messung der Totzone der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 gemäß 2A speichert
ein Block 40 sequentielle Mengen beispielsweise des Befehlssignals,
das von der Prozeßsteuereinheit 12 an
die I/P-Einheit 14 geliefert wird, was in 2A als Eingang
(I) bezeichnet ist. Der Block 40 kann auch Werte der Ventilposition 18,
die den aufgezeichneten Befehlssignalen zugehörig sind, speichern, was in 2A als
Position (Z) angegeben ist. Außerdem setzt
der Block 40 I(hoch) und I(niedrig)-Empfangsflags auf falsch.
Ein Block 42 speichert vorhergehende Werte des Eingangs
(I) und der Position (Z) als I(alt) bzw. Z(alt), die später zum
Vergleich genutzt werden.
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Als
nächstes
detektiert und speichert ein Block 44 die momentanen Werte
des Befehlssignals I und der Ventilposition Z. Falls gewünscht, kann
der Block 44 warten, bis das Befehlssignal oder die Ventilposition
nahezu den stationären
Zustand erreicht haben, bevor diese Werte gespeichert werden.
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Ein
Block 46 prüft,
ob die Änderung
der Position ΔZ
zwischen dem aktuellen Wert und dem vorhergehenden Wert, d. h. Z – Z(alt),
größer als
ein Schwellenwert Epsilon ist (wobei ε größer oder gleich Null ist).
Wenn die Änderung
der Position ΔZ
größer als ε ist, speichert
ein Block 50 das Befehlssignal als I(hoch) und setzt das
I(hoch)-Empfangsflag auf wahr, um anzuzeigen, daß I(hoch) empfangen worden
ist. Alternativ prüft
ein Block 48, ob die Änderung
der Position ΔZ
zwischen dem aktuellen Wert und dem vorhergehenden Wert kleiner
als ein Schwellenwert, minus Epsilon, ist (wobei –ε kleiner
oder gleich Null ist). Wenn die Änderung
der Position ΔZ
kleiner als –ε ist, dann
speichert ein Block 52 das Befehlssignal als I(niedrig)
und setzt ein I(niedrig)-Empfangsflag auf wahr, um anzuzeigen, daß I(niedrig)
empfangen worden ist. Es ist ersichtlich, daß dann, wenn sich das Ventil
weiterhin in einer Richtung bewegt, die Werte für I(hoch) und I(niedrig) erforderlichenfalls
aktualisiert werden.
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Als
nächstes
bestimmt ein Block 54, ob I(hoch) und I(niedrig) empfangen
worden sind. Wenn sowohl I(hoch) als auch I(niedrig) empfangen worden sind,
berechnet ein Block 56 die Totzone als die Differenz zwischen
I(hoch) und I(niedrig), d. h. die Differenz zwischen den Befehlssignalen,
bei denen die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 in
die Totzone gelangt ist und diese verlassen hat. Andernfalls werden in
dem Block 42 neue Befehls- und Positionssignale erfaßt.
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Wenn
in Block 54 ein I(hoch) und ein I(niedrig) erfaßt bzw.
empfangen worden sind, bestimmt ein Block 58, ob sich das
Befehlssignal mit einer Rate ändert,
die größer als
eine vorgegebene Rate ist, die durch eine MaxRate-Variable bezeichnet
ist. Wenn sich das Befehlssignal mit einer Rate ändert, die größer als
diejenige ist, die durch die MaxRate-Variable bezeichnet ist, erfolgt Rücksprung
der Steuerung zu Block 42, und die gerade ablaufende Totzonenberechnung
wird abgebrochen. Die Operation des Blocks 58 verhindert
Messungen der Totzone, wenn sich das Befehlssignal zu rasch ändert, um
eine genaue Anzeige der Totzone liefern zu können. Insbesondere verhindert
der Block 58 eine Messung der Totzone der Prozeßsteuerungseinrichtung 13,
wenn die Prozeßsteuereinheit 12 das
Befehlssignal mit einer Rate ändert,
die größer als
die Rate ist, bei der die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 auf
das Befehlssignal ansprechen kann (d. h. mit einer Rate, die größer als
die natürliche
Eingangs-/Ausgangs-Ansprechcharakteristik der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 ist).
Eine Bestimmung der Totzone während dieser
Zeiträume
würde darin
resultieren, daß die Meßeinheit 30 das
zum Verlassen der Totzone erforderliche Befehlssignal überschätzt. Selbstverständlich kann
der Wert der MaxRate-Variablen
auf jede Weise vorgegeben werden, ist aber bevorzugt auf die Eingangs-/Ausgangs-Ansprechcharakteristik
der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 bezogen.
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Wenn
sich das Befehlssignal nicht mit einer Rate ändert, die größer als
diejenige ist, die von der MaxRate-Variablen vorgegeben ist, bestimmt
ein Block 60, ob die Ventilposition größer als eine Obergrenze oder
niedriger als eine Untergrenze ist, um zu detektieren, ob das bewegbare
Element des Ventils 18 in einer Position ist, in der Totzonenmessungen unzuverlässig sein
können.
Solche unzuverlässigen Berechnungen
der Totzone können
auftreten, wenn sich beispielsweise das bewegbare Element des Ventils 18 an
der Grenze seiner Wegstrecke befindet oder anderweitig abnormal
hohen Reibungskräften ausgesetzt
wird. Wenn die Ventilposition nicht in einen gültigen Bereich fällt, erfolgt
Rücksprung
der Steuerung zu Block 42, und die aktuell ablaufende Berechnung
der Totzone wird abgebrochen.
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Wenn
sich jedoch die Ventilposition in dem Gültigkeitsbereich befindet,
vergleicht ein Block 62 die Totzonenberechnung mit einer
Ober- und einer Untergrenze, um zu bestimmen, ob die berechnete Totzone
in einem annehmbaren oder gültigen
Bereich liegt, damit gewährleistet
ist, daß die
Totzonenberechnung nicht unannehmbar klein oder groß ist. Wenn
die Totzonenberechnung gemäß der Bestimmung
durch vorgegebene Bereichsgrenzen zu klein oder zu groß ist, kann
ein Fehler aufgetreten sein. In einem solchen Fall informiert ein
Block 64 den Bediener über
den potentiellen Fehler, und es erfolgt Rücksprung der Steuerung zu Block 52,
wobei wiederum die gerade ablaufende Totzonenberechnung abgebrochen
oder deaktiviert wird.
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Wenn
der Block 62 bestimmt, daß die Totzone in dem Gültigkeitsbereich
liegt, erhöht
ein Block 66 den Umkehrzählwert, was zeigt, daß eine weitere Umkehrung
stattgefunden hat, und speichert die Totzonenberechnung gemeinsam
mit sonstigen auf die Totzone bezogenen gewünschten Informationen (etwa
die Zeit, die Ventilposition usw., die auf die Totzone bezogen sind)
in einem Speicher. Ein Block 68 bestimmt dann, ob die Totzone
größer als
ein Grenzwert ist, und wenn das der Fall ist, setzt ein Block 70 einen Alarm oder
zeigt auf andere Weise die Anwesenheit des hohen Totzonenmeßwerts für einen
Bediener an. Danach wird der Prozeß wiederholt, um die nächste Totzonenmessung
zu bestimmen.
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Falls
gewünscht,
kann der Block 6G eine oder mehrere der berechneten Totzonen
speichern und einen Mittelwert oder eine andere Kombination dieser
Totzonenmeßwerte
berechnen, um einen statistischen Meßwert der Totzone der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 zu
erzeugen. Selbstverständlich können die
Blöcke 58, 60, 62 oder 68 selektiv
deaktiviert werden, und zwar entweder von einem Bediener oder automatisch
auf der Basis einer Menge von vorbestimmten Bedingungen. Außerdem können andere Prüfungen durchgeführt werden,
um die Totzone zu bestimmen, und andere Methoden zur Kombination bestimmter
Totzonenberechnungen können
in Verbindung mit den hier beschriebenen angewandt werden.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm, das durch die Meßeinheit 30 implementiert
sein kann, um die Totzeit oder die Ansprechzeit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 zu
berechnen oder zu bestimmen. Ein Block 80 wiederholt sich,
bis er eine Änderung
in dem Befehlssignal oder einem anderen Steuersignal detektiert,
das zur Steuerung der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 genützt wird.
Wenn eine Änderung
detektiert wird, bestimmt ein Block 82, ob die Änderung größer als
ein vorgegebener Wert ist, der beispielsweise die zuletzt berechnete
oder beobachtete Totzone plus ein vorbestimmter Prozentsatz davon
wie etwa ein Prozent sein kann. Wenn die Änderung in dem Befehlssignal
nicht größer als
der vorgegebene Wert ist, erfolgt Rücksprung der Steuerung zu Block 80.
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Wenn
jedoch der Block 82 eine Änderung in dem Befehlssignal
detektiert, die größer als
der vorgegebene Wert ist, speichert ein Block 84 die Zeit und
den Wert der Ansprechanzeige (z. B. die Ventilposition). Ein Block 86 bestimmt,
ob eine Änderung
in der Ansprechanzeige aufgetreten ist. Wenn nicht, bestimmt ein
Block 88, ob die abgelaufene Zeit seit der Detektierung
der Änderung
in dem Befehlssignal größer. als
ein vorgegebener Wert ist, der in 3 als die
MaxZeit-Variable gezeigt ist. Wenn die abgelaufene Zeit größer als
die MaxZeit-Variable ist, was bedeutet, daß wahrscheinlich keine Änderung
der Ansprechanzeige eintritt, weil beispielsweise die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 sich
in einer Totzone befindet, erfolgt Rücksprung der Steuerung zu Block 80,
und die aktuell entwickelten Totzeitdaten werden aufgegeben. Wenn
jedoch die abgelaufene Zeit nicht größer als die MaxZeit-Variable
in Block 88 ist, erfolgt Rücksprung der Steuerung zu Block 84,
der eine neue Zeit und Ansprechanzeige speichert. Auf diese Weise
warten die Blöcke 84, 86 und 88 auf
das Auftreten einer Änderung
in der Ansprechanzeige oder warten, bis eine vorbestimmte Zeitdauer
abgelaufen ist, bevor eine Fortsetzung erfolgt. Selbstverständlich kann,
falls gewünscht,
der Block 86 bestimmen, ob die detektierte Änderung
größer als
ein vorgegebener Wert und/oder in der erwarteten Richtung ist, um zu
verhindern, daß Rauschen
in der Ansprechanzeige eine ungenaue Messung der Totzeit oder Ansprechzeit
verursacht.
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Wenn
der Block 86 eine Änderung
in der Ansprechanzeige detektiert, mißt ein Block 90 die
Totzeit als die Zeit, die zwischen dem Empfang der Änderung
in dem Befehlssignal und dem Detektieren der ersten Änderung
in der Ansprechanzeige infolge der Änderung in dem Befehlssignal
abgelaufen ist. Ein Block 92 speichert dann diese Totzeitberechnung.
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Wenn
die Ansprechzeit gemessen wird, speichert der Block 84 aufeinanderfolgende
Werte der Ansprechanzeige, während
diese sich in Abhängigkeit
von einer Änderung
in dem Befehlssignal ändert. Der
Block 86 detektiert, ob die Ansprechanzeige eine vorbestimmte
prozentuale Änderung
des Befehlssignals (etwa 63 %) erreicht hat, und bei NEIN detektiert der
Block 88, ob die abgelaufene Zeit größer als die MaxZeit-Variable
ist (die mit einem anderen Wert vorgegeben sein kann als die gleiche
Variable, die für die
Totzeitmessung genutzt wird). Wenn der Block 88 bestimmt,
daß die
abgelaufene Zeit größer als
die MaxZeit-Variable ist, was anzeigt, daß das Befehlssignal möglicherweise
eine oder mehrere Änderungen seit
der Detektierung der ersten Änderung
in dem Befehlssignal am Block 80 erfahren hat, wird die
Ansprechzeitberechnung abgebrochen, und die Steuerung springt zu
Block 80 zurück.
Wenn jedoch die abgelaufene Zeit nicht größer als die MaxZeit-Variable im
Block 88 ist und die Ansprechanzeige einen vorbestimmten
Prozentsatz der Befehlssignaländerung nicht
erreicht hat, erfolgt Rücksprung
der Steuerung zu Block 84, wo die Ansprechanzeige und die
Zeit erneut aufgezeichnet werden. Die Blöcke 84, 86 und 88 wiederholen
sich, um den Verlauf der Ansprechanzeige aufzuzeichnen, während sie
sich in Abhängigkeit
von der Änderung
in dem Befehlssignal ändert.
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Wenn
die Ansprechanzeige einen stationären Zustand erreicht, bestimmt
der Block 90 die Differenz zwischen dem Zeitpunkt der Änderung
des Befehlssignals und der Zeit, bis die Ansprechanzeige die vorgegebene
prozentuale Änderung
des Befehlssignals erreicht hat. Der Block 92 kann diese
bestimmte Zeit dann als die Ansprechzeit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 speichern.
Falls notwendig, kann der Block 90 selbstverständlich eine
Interpolation zwischen den aufgezeichneten Punkten durchführen, um
die Ansprechzeit zu bestimmen. Ferner kann der Block 90 bestimmen,
ob eine andere Änderung
in dem Befehlssignal (z. B. von dem Block 84 aufgezeichnet)
während
der Operation der Blöcke 84, 86 und 88 aufgetreten
ist, und wenn dies der Fall ist, kann er die berechnete Ansprechzeit
verwerfen, weil sie auf zwei oder mehr Änderungen in dem Befehlssignal
basiert.
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Ein
Block 94 bestimmt, ob die aufgezeichnete Totzeit oder Ansprechzeit
größer als
ein maximal zulässiger
Wert ist, in 3 als die MaxDT- und die MaxRT-Variablen
gezeigt. Wenn die eine oder die beiden von der Totzeit oder der
Ansprechzeit über dem
Wert von MaxDT bzw. MaxRT liegen, setzt ein Block 96 einen
Alarm, der einen Anwender oder Bediener darauf hinweist, daß die Totzeit
oder die Ansprechzeit größer als
der maximal erwünschte
Wert ist und daß deshalb
die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 oder
irgendein Teil davon eventuell repariert oder ausgewechselt werden
muß. Dann
erfolgt Rücksprung
der Steuerung zu Block 80, um die nächste Totzeit- oder Ansprechzeitberechnung
durchzuführen.
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Ebenso
wie bei der Totzonenberechnung können
die speziellen gemessenen Totzeiten oder Ansprechzeiten der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 gemeinsam
gemittelt oder anderweitig statistisch kombiniert werden, um einen
Gesamttotzeit- oder Gesamtansprechzeit-Meßwext für die Prozeßsteuerungseinrichtung 13 zu
jedem gegebenen Augenblick zu bilden. Falls gewünscht, können außerdem die Totzone, die Totzeit
oder die Ansprechzeiten entweder periodisch oder auf Anforderung
eines Bedieners über
einen Displaybildschirm, einen Drucker oder eine andere Ausgabeeinrichtung
an den Bediener geliefert werden. Selbstverständlich können die in den 2A, 2B und 3 gezeigten
Schritte so kombiniert werden, daß der Bediener gewarnt wird, wenn
eine Kombination aus einem oder mehreren der Totzonen-, Totzeit-
und/oder Ansprechzeit-Meßwerte anzeigt,
daß die
Prozeßsteuerungseinrichtung 13 entweder
abnormal anspricht oder aus den Vorgaben herausfällt und eventuell eine Reparatur
oder eine Auswechslung notwendig ist.
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Die 2A, 2B und 3 zeigen
zwar den Fall, in dem die Meßeinheit 30 die
Totzone, die Totzeit und die Ansprechzeit der Prozeßsteuerungseinrichtung 13 unter
Nutzung des Befehlssignals und der Ventilposition mißt oder
bestimmt, aber andere Steuersignale und Ansprechanzeigen können, wie oben
erwähnt,
ebenso verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele
beschrieben, die nur beispielhaft sind und die Erfindung nicht einschränken sollen;
für den
Fachmann ist offensichtlich, daß Änderungen,
Hinzufügungen
oder Weglassungen an den gezeigten Ausführungsbeispielen vorgenommen
werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.