WO1994025911A1 - Verfahren und einrichtung zum überwachen einer stellbewegung eines von einem elektrischen stellantrieb angetriebenen stellorganes - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum überwachen einer stellbewegung eines von einem elektrischen stellantrieb angetriebenen stellorganes Download PDF

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WO1994025911A1
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monitoring
actuator
actuating movement
time
torque
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PCT/DE1994/000432
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Karl KÜHLWEIN
Martin Sawitzki
Erwin Laurer
Dieter Förster
Gerhard SCHÖFFEL
Werner Meier
Willi Stecher
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G05B19/4062—Monitoring servoloop, e.g. overload of servomotor, loss of feedback or reference
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    • G05B2219/50197—Signature analysis, store working conditions, compare with actual

Definitions

  • the invention relates to a method and to a device for monitoring an actuating movement of an actuator driven by an electric actuator.
  • an electric actuator for an actuator e.g. a valve, a slide valve or a shut-off valve
  • an actuator e.g. a valve, a slide valve or a shut-off valve
  • mechanical torque switches and mechanical limit switches built into the actuator are provided in the known actuators, from whose switch positions monitoring signals are derived which are used in the drive controls usually used for the actuator to actuate the actuator and from there as status signals to the higher-level control room to get redirected.
  • These mechanical torque and displacement sensors require considerable adjustment effort directly on the valve.
  • these torque and displacement sensors are exposed to the ambient conditions at the location of the valves and must be readjusted and adjusted regularly. Such adjustment and adjustment work should be avoided in particular in plant areas with a high radioactive dose rate.
  • the invention is based on the object of forming the control and diagnostic signals required by the known drive controls without the aid of additional mechanical displacement or torque sensors integrated in the actuator.
  • a travel time that has elapsed since the beginning of the actuating movement and a parameter characterizing the torque of the actuator are detected and compared with stored setpoints and dependent on them Monitoring signals derived from the comparison result.
  • the motor current flowing in a winding of the electric motor of the actuator is particularly suitable as the characteristic variable characterizing the torque of the actuator. No additional mechanical travel and torque transmitters, for example travel limit switches or torque switches, are therefore necessary to monitor the actuating movement of the actuator, so that regular readjustments to malfunction-prone and mechanically sensitive transmitters or switches are no longer necessary.
  • the derived monitoring signals are modeled on the monitoring signals provided by mechanical sensors in the case of displacement and / or torque detection. This ensures compatibility with higher-level monitoring devices and drive controls already present in the system.
  • the torque output by the drive is limited to fixed values via an adjustable current limitation.
  • the current limitation is preferably independently adjustable for the breakaway torque, the running torque and the bracing torque both in the OPEN direction and in the CLOSE direction. This ensures that even with large voltage Fluctuations the set torque limit values are observed.
  • a torque-dependent or path-dependent shutdown can be selected for both the OPEN direction and the CLOSE direction.
  • a total travel time that has elapsed since the start of the actuating movement until the actuator is blocked or, if a blocking position is not reached, until the actuator is switched off is stored and used to monitor the sequence of movements of the subsequent actuating process. This measure ensures that a termination of the actuating movement that has occurred before the end position has been reached is recognized and that the valve can be moved from the intermediate position into the correct end position without a fault message when it is started again.
  • a substitute signal for the distance traveled is derived from the total travel time.
  • At least one parameter characteristic of the operating conditions of the actuator for example the current consumption of the electric motor of the electric actuator, is stored as a function of time for the entire movement sequence of the actuating movement and can therefore also be subsequently used for an error analysis or diagnosis of the operating behavior of the actuator can be used.
  • the Method provided that the total travel time detected when a target value for the torque is reached is then set to a fixed predetermined target value if it corresponds to the target time within predetermined limits.
  • a device for carrying out a method according to the invention contains, for monitoring the actuator, a control device with which the time elapsed since the start of the actuating movement and a characteristic variable characterizing the torque of the actuator are recorded, the control device storing for the associated setpoints and Mit ⁇ for comparison of these setpoints with the respectively measured values, which derive monitoring signals as a function of the comparison results and provide them at an output of the control device, which are simulated by the monitoring signals provided by a mechanical displacement and / or torque detection.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention is illustrated in a block diagram.
  • FIG. 2 shows in a flowchart a preferred embodiment of the process sequence for the formation of the monitoring signals according to the invention, which is based on the data in FIG.
  • Figure 3 is illustrated in a diagram of time sequences for different actuating movements.
  • an electric actuator 2 contains an electric motor 3, which drives an actuator 4 of a fitting, for example a shut-off valve, via a gear (not shown in the figure).
  • An asynchronous three-phase motor in particular a squirrel-cage motor, is preferably provided as the electric motor 3, the starting torque and tilting motor of which essentially match.
  • the electric motor 3 is connected to the supply voltage of a three-phase network 10 via a semiconductor valve arrangement 6 and a reversing contactor 8.
  • a compact drive with a self-switching loose gear is preferably provided as the actuator, as disclosed, for example, in EP-B1-0 193 776.
  • all actuators are suitable that develop a sufficient breakaway torque within adjustable torque limits.
  • a control device 20 is provided for phase control of the semiconductor valve arrangement 6, which provides ignition signals for the semiconductor valves, for example triacs or thyristor circuits. At least one of the three phases is provided with devices for detecting the motor current I flowing in this phase and the effective voltage U applied to the electric motor 3 in this phase.
  • the effective motor voltage U for example, is compared with a predetermined target voltage Ug. Depending on this comparison result, the control device determines a target value for the actual voltage U, which is measured with the device 12 and is present, for example, also effective at the electric motor 3.
  • the ignition angles of the ignition signals provided by the control device 20 for the semiconductor valve arrangement 6 are determined by the Control device 20 is controlled in such a way that the actual voltage U measured with device 12 is controlled in accordance with the target voltage Ug specified by control device 20, as is explained in more detail, for example, in German Offenlegungsschrift 40 08 002.
  • the time t since the beginning of the current actuating movement and the current motor current I are recorded in the control device 20 and stored in a non-volatile memory direction 24 saved.
  • the control device also contains a likewise permanent memory 28, in which a target current Ig and a target travel time tg which is characteristic of the actuator 4 and which corresponds to the total time required for the movement of the actuator 4 from one end position to the opposite end position is stored.
  • the total travel time t ⁇ of the previous actuating movement is also stored in this memory 28 and is set to defined values, for example tg or 0, when the actuating process has ended correctly.
  • the total travel time tg of the previous actuation movement is to be understood as the travel time which has elapsed since the start of an actuation movement starting from a defined end position of the actuating member until the end of the previous actuation movement.
  • This total travel time tg can be composed of several time segments, each of which belongs to successive, prematurely terminated actuating movements.
  • Time window T stored, which characterizes permissible tolerances in the timing of the actuating movements.
  • This current total travel time tg is composed of the total travel time g of the previous actuating movement and the time t that has elapsed since the start of the start of the current, still occurring movement section of the actuating movement.
  • monitoring signals S1 to S4 are then formed in this comparison device 22, which are present at the output of the control device 20 and are forwarded to a drive control 30 present in the system.
  • monitoring signals Sl - S4 correspond to a limit switch signal “valve CLOSED” (Sl), a limit switch Signal “valve OPEN” (S2), a torque signal “valve CLOSED” (S3) or a torque signal “valve OPEN” (S4).
  • the electric motor 3 is provided, for example, on one of its windings with a device for temperature measurement, which forwards an electrical signal corresponding to the motor temperature or the winding temperature to the control device 20.
  • the winding temperature of the electric motor 3 is detected by the control device measuring the resistance of a winding before the electric motor 3 is switched on by applying a measuring voltage J ⁇ _ to the winding and the flowing current Ii is measured.
  • the measured variable which is derived from these two variables and corresponds to the winding resistance, is then used as a disturbance variable for correcting the target voltage Ug for the effective motor voltage U.
  • a correction device 26 is provided in the control device 20, in which the respective current target voltage Ug is stored.
  • the drive controller 30 is connected via signal and control lines 32 to a control room (not shown in the figure) and switches on the actuator 2 either on request from the control room or depending on the results of a status diagnosis directly without interposing the control room via the reversing contactor 8 the network 10 or away from the network 10.
  • signals S5-S7 are also formed which contain additional information about the operating state of the actuator 2. These are, for example, an analog signal S5 for the route covered, a monitoring signal S6, which indicates faults diagnosed in the control device 20, for example an overtemperature of the motor winding, and a monitoring signal S7, which, as a higher-level collective fault message, indicates several in the control device 20 detected errors in the course of the actuating movement, for example disturbances in the supply voltage such as Phase failure, undervoltage or faults in the control device 20 itself are indicated.
  • statements about the sluggishness of the actuator can be derived by comparison with stored target values and output as a corresponding digital fault message.
  • a stiffness of the actuator is determined, for example, by the fact that the motor current I exceeds a predetermined setpoint value during the travel movement.
  • a large number of other signals for example the current motor current I and the current motor voltage U.
  • the entire measurement data relevant for the actuating movement in particular the motor current I and the motor voltage U, are stored in the control device as a function of time. This allows a subsequent analysis of the movement sequence of the actuator in the event of detected faults and in many cases enables a quick diagnosis of the cause of the fault, which can then be remedied on site.
  • a program stored in the control device asks whether the currently measured motor current I is greater or less than the target current Ig determined in the correction device 26.
  • the current total travel time tg when this target current Ig is exceeded which results from the stored total travel time tg of a possibly previous movement of the
  • Actuator and the travel time t that has elapsed since the start of the current actuating movement is compared with a target time tg that would result under normal operating conditions for a complete open-close movement of the actuator. If the current total travel time tg is within a time window 2T in the range of this target time tg, the end of the route has been reached and a corresponding monitoring
  • the control signal S3 is passed on to the drive control 30.
  • the total travel time tg is reset to zero or set to tg, depending on the direction of movement of the actuator, in order to prevent the tolerances which are permissible within the time window 2T after repeated opening-closing and closing-open movements of the actuator add and can lead to erroneous messages about the operating state of the actuator.
  • the actuator has not reached the end of the path and a corresponding monitoring signal S3 "end of path not reached, WE NO" is activated output the drive control.
  • a monitoring signal S1 is output which indicates that the target value of the torque has not yet been exceeded (torque limit value not reached, DE NO). Only after the humming time A has elapsed is the monitoring signal S1 set to a level which corresponds to the "torque limit value reached, DE YES" state.
  • the signal S1 always indicates that the torque has not yet exceeded the predetermined setpoint if the motor current I is lower than the target current Ig or if the predetermined ripple time A has not been exceeded after this target current Ig has been exceeded.
  • the flowchart also shows that, regardless of whether the target current Ig has been exceeded, a monitoring signal S3 is always generated for the end-of-travel monitoring, which indicates whether the end of the trip has already been reached or not.
  • the current total travel time tg + t is always recorded and stored as a new total travel time tg in a higher-order shutdown command in a non-volatile memory, so that the previous total travel time is also known in this case when the actuator is started again and erroneous displays of the operating state of the actuator due to the remaining shorter distance are excluded.
  • the monitoring signals S1 and S3 are reserved for a specific direction of movement of the actuator.
  • monitoring signals S2 and S4 are generated in a corresponding manner.
  • the information about the current direction of rotation of the actuator required for the correct assignment of the signals is derived in the control device, for example by monitoring the mutual phase relationship of two phase voltages.
  • the monitoring signals S1-S4 are present on separate lines in accordance with the specifications of the higher-level drive control.
  • the motor current I is plotted against the time t for three different actuating movements a, b and c.
  • This diagram also includes the travel path s resulting for the respective actuating movement a, b or c.
  • the motor current I initially rises steeply and begins to decrease from the point in time at which the actuator is released from its end position. Falling below a predetermined target current Ig indicates the start of the travel movement. At the time when Ig fell below the current time t is set to zero and accordingly the current total travel time tg is set to tg, which is stored as the total travel time at the end of the previous movement sequence.
  • the motor current I and the torque developed by the motor continue to decrease, since only the braking torques caused by internal frictional forces in the transmission and in the actuator can be overcome during the subsequent movement phase of the actuating movement.
  • the travel path s increases linearly with time.
  • the motor current I begins to increase again because of the increased torque requirement.
  • the motor current again exceeds the target current Ig. This indicates that the positioning movement has ended.
  • the engine is switched off.
  • Target current Ig determined total travel time tg a is within the time window 2T spanned by a target time tg.
  • the target time tg is saved as the total travel time
  • the actuator moves into a blocking position before the actual end position is reached.
  • the motor current I exceeds the target current Ig. After a humming time A, this leads to the actuator being switched off.
  • This operating state leads to a state signal S1 "Torque limit reached, DE YES” and to a state signal S3 "End of travel not reached, WE NO".
  • the time tg c at which the blocking position is reached is stored as the total travel time tg at the end of the actuating movement, and for a correct start-up when the start-up voltage is reached again, for example by increasing the actual voltage applied to the motor Actuating movement used.
  • the actuating movement can be subsequently analyzed and possible errors in the course of the actuating movement, for example a stiffness of the actuating member, can be recognized and remedied in good time before the entire valve fails.
  • the actuating process beginning in the figure at time tg can, for example, take place from an end position of the actuating element corresponding to the "CLOSED" position. Then tg is zero. After a blocking position before the "OPEN" position corresponding to the end position of the valve according to the actuating movement according to curve c, the actuator can be moved back to the starting position, for example by reversing the direction of rotation. Since the control device recognizes the direction of rotation, the travel time can be based on the stored value tg c are successively reduced so that the end position corresponding to the "CLOSED" position is reached at a point in time between + T and -T.
  • the travel paths s a , s ⁇ and s c are linearly correlated with the respective travel times, so that signals S5 can be derived from the total travel time tg or the current total travel time tg, which switch off the actuator until it is switched off Indicate the total travel distance covered or the current travel distance covered so far during the actuating movement.
  • the breakaway torque developed by the actuator in the start-up phase and the final torque match, as can be seen from the same amount of motor current I at the beginning and end of the actuating movement.
  • the motor voltage U is controlled in such a way that the actuator can develop a higher torque when starting than when moving to the end position.

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Abstract

Zum Überwachen einer Stellbewegung eines von einem elektrischen Stellantrieb (2) angetriebenen Stellorganes (4) werden die seit Beginn der Stellbewegung vergangene Zeit (t) sowie eine das Drehmoment des Stellantriebes (2) charakterisierende Kenngröße (I) erfaßt und jeweils mit gespeicherten Sollwerten (tS bzw. IG) verglichen. In Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis werden daraus Überwachungssignale (S1, S2, S3, S4) abgeleitet, die insbesondere den bei einer Weg- und Drehmomenterfassung durch mechanische Geber bereitgestellten Überwachungssignalen nachgebildet sind.

Description

Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zum Überwachen einer Stellbewegung eines von einem elektrischen Stellantrieb angetriebenen Stellorganes
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Einrichtung zum Überwachen einer Stellbewegung eines von ei¬ nem elektrischen Stellantrieb angetriebenen Stellorganes.
In Kraftwerksanlagen und in Anlagen der technischen Chemie muß die korrekte Funktion eines elektrischen Stellantriebes für ein Stellorgan, beispielsweise ein Ventil, ein Schieber oder ein Absperrhahn, bei einer Fernbetätigung von einer Steuerwarte aus überwacht werden können, um möglicherweise auftretende Störungen rechtzeitig erkennen und auf sie rea¬ gieren zu können zu können. Hierzu sind bei den bekannten Stellantrieben in den Stellantrieb eingebaute mechanische Drehmomentschalter und mechanische Wegendschalter vorgesehen, aus deren Schalterstellungen UberwachungsSignale abgeleitet werden, die in den üblicherweise für den Stellantrieb verwen¬ deten Antriebsteuerungen zum Betätigen des Stellantriebes verwendet werden und von dort als Zustandssignale an die übergeordnete Steuerwarte weitergeleitet werden. Diese mecha- nischen Drehmoment- und Weggeber erfordern jedoch einen er¬ heblichen Einstellungsaufwand direkt an der Armatur. Außerdem sind diese Drehmoment- und Weggeber den Umgebungsbedingungen am Einsatzort der Armaturen ausgesetzt und müssen regelmäßig nachgestellt und justiert werden. Solche Nachstell- und Ju- stierarbeiten sind dabei insbesondere in Anlagenbereichen mit hoher radioaktiver Ortsdosisleistung zu vermeiden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die von den be¬ kannten Antriebssteuerungen benötigten Steuer- und Diagnose- signale ohne die Zuhilfenahme zusätzlicher in den Stellan¬ trieb integrierter mechanischer Weg- oder Drehmomentgeber zu bilden. Die genannten Aufgaben werden gemäß der Erfindung jeweils ge¬ löst mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 8.
Bei einem Verfahren zum Überwachen einer Stellbewegung eines von einem elektrischen Stellantrieb angetriebenen Stellorga¬ nes gemäß der Erfindung werden eine seit Beginn der Stellbe¬ wegung vergangene Fahrzeit sowie eine das Drehmoment des Stellantriebes charakterisierende Kenngröße erfaßt und je- weils mit gespeicherten Sollwerten verglichen und daraus in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis Überwachungssignale ab¬ geleitet. Als das Drehmoment des Stellantriebes charakteri¬ sierende Kenngröße ist insbesondere der in einer Wicklung des Elektromotors des Stellantriebes fließende Motorstrom geeig- net. Zur Überwachung der Stellbewegung des Stellantriebes sind somit keine zusätzlichen mechanischen Weg- und Drehmo¬ mentgeber, beispielsweise Wegendschalter oder Drehmoment¬ schalter, notwendig, so daß regelmäßige Nachstellarbeiten an störanfälligen und mechanisch empfindlichen Gebern oder Schaltern nicht mehr erforderlich sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die ab¬ geleiteten Überwachungssignale den bei einer Weg- und/oder Drehmomenterfassung durch mechanische Geber bereitgestellten Überwachungssignalen nachgebildet. Dadurch wird eine Kompati¬ bilität mit in der Anlage bereits vorhandenen übergeordneten Überwachungseinrichtungen und Antriebssteuerungen gewährlei¬ stet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird über eine einstellbare Strombegrenzung das vom Antrieb abgegebene Drehmoment auf festgelegte Werte begrenzt. Vor¬ zugsweise ist die Strombegrenzung jeweils unabhängig für das Losbrechmoment, das Laufmoment und das Verspannmoment sowohl in AUF-Richtung als auch in ZU-Richtung einstellbar. Dadurch ist sichergestellt, daß selbst bei großen Ne zspannungs- Schwankungen die jeweils eingestellten Drehmomentgrenzwerte eingehalten werden.
Außerdem können sowohl für die AUF-Richtung als auch für die ZU-Richtung jeweils unabhängig voneinander eine drehmoment - oder wegabhängige AbSteuerung gewählt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine seit Beginn der Stellbewegung bis zum Blockieren des Stellan- triebes oder bei Nichterreichen einer Blockierstellung bis zum Abschalten des Stellantriebes vergangene Gesamtfahrzeit gespeichert und zur Überwachung des Bewegungsablaufes des darauf folgenden Stellvorganges herangezogen. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß ein vor Erreichen der Endlage erfolgter Abbruch der Stellbewegung erkannt wird und die Ar¬ matur bei erneutem Anfahren aus der Zwischenposition ohne Störmeldung in die richtige Endposition gefahren werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus der Gesamtfahrzeit ein Ersatzsignal für den zurück¬ gelegten Weg abgeleitet. Dadurch kann in der Steuerwarte der vom Stellorgan einer Armatur zurückgelegte Weg jederzeit ab¬ gefragt oder angezeigt werden.
Vorzugsweise wird für den gesamten Bewegungsablauf der Stell¬ bewegung wenigstens eine für die Betriebsbedingungen des Stellantriebs charakteristische Kenngröße, beispielsweise die Stromaufnahme des Elektromotors des elektrischen Stellantrie¬ bes, als Funktion der Zeit gespeichert und kann somit auch nachträglich für eine Fehleranalyse oder Diagnose des Be¬ triebsverhaltens des Stellantriebes verwendet werden.
Um bei der Ermittlung der für die Steuerung des Bewegungsab¬ laufes erforderlichen Fahrzeit der vorangegangenen Bewegungs- abschnitte die Kumulation unvermeidbarer und zulässiger Tole¬ ranzen beim zeitlichen Ablauf der Stellbewegung zu verhin¬ dern, ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, die beim Erreichen eines Sollwertes für das Drehmoment erfaßte Gesamtfahrzeit dann auf einen fest vorgegebenen Sollwert festzusetzen, wenn sie innerhalb vorge¬ gebener Grenzen mit der Sollzeit übereinstimmt.
Eine Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung enthält zur Überwachung des Stellantriebes eine Steuereinrichtung, mit der die seit Beginn der Stellbewegung vergangene Zeit sowie eine das Drehmoment des Stellantriebes charakterisierende Kenngröße erfaßt werden, wobei die Steuer¬ einrichtung Speicher für die zugehörigen Sollwerte sowie Mit¬ tel zum Vergleich dieser Sollwerte mit den jeweils gemessenen Werten umfaßt, die in Abhängigkeit von den Vergleichsergeb¬ nissen Überwachungssignale ableiten und an einem Ausgang der Steuereinrichtung bereitstellen, die den durch eine mechani¬ sche Weg- und/oder Drehmomenterfassung bereitgestellten Über- wachungssignalen nachgebildet sind.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die das Aus- führungsbeispiel verwiesen, in deren
Figur 1 eine Einrichtung gemäß der Erfindung in einem Block¬ schaltbild veranschaulicht ist.
Figur 2 zeigt in einem Flußdiagramm eine bevorzugte Ausge¬ staltung des Verfahrensablaufs bei der Bildung der erfin¬ dungsgemäßen Überwachungssignale, das anhand der in
Figur 3 in einem Diagramm dargestellten Zeitabläufe für un- terschiedliche Stellbewegungen näher erläutert wird.
Gemäß Figur 1 enthält ein elektrischer Stellantrieb 2 einen Elektromotor 3, der über ein in der Figur nicht näher darge¬ stelltes Getriebe ein Stellorgan 4 einer Armatur, beispiels- weise ein Absperrventil, antreibt. Als Elektromotor 3 ist vorzugsweise ein Asynchron-Drehstrommotor, insbesondere ein Käfigläufermotor, vorgesehen, dessen Anlaufmoment und Kippmo- ment im wesentlichen übereinstimmen. Der Elektromotor 3 ist über eine Halbleiterventilanordnung 6 und einen Wendeschütz 8 an die Versorgungsspannung eines Drehstromnetzes 10 ange¬ schlossen.
Als Stellantrieb ist vorzugsweise ein Kompaktantrieb mit selbstschaltendem Losreiß-Getriebe vorgesehen, wie es bei¬ spielsweise in der EP-B1-0 193 776 offenbart ist. Generell sind jedoch alle Stellantriebe geeignet, die innerhalb ein- stellbarer Drehmomentbegrenzungen ein ausreichendes Losreiß- Moment entwickeln.
Zur Phasenanschnittsteuerung der Halbleiterventilanordnung 6 ist eine Steuereinrichtung 20 vorgesehen, die Zündsignale für die Halbleiterventile, beispielsweise Triacs oder Thyristor¬ schaltungen, bereitstellt. Wenigstens eine der drei Phasen ist mit Einrichtungen zur Erfassung des in dieser Phase fließenden Motorstromes I und der in dieser Phase am Elektro¬ motor 3 anliegenden effektiven Spannung U versehen.
In der Steuereinrichtung 20 wird die beispielsweise effek¬ tive Motorspannung U mit einer vorgegebenen Sollspannung Ug verglichen. In Abhängigkeit von diesem Vergleichsergebnis er¬ mittelt die Steuereinrichtung einen Sollwert für die mit der Einrichtung 12 gemessene und am Elektromotor 3 anliegende beispielsweise ebenfalls effektive Istspannung U. Die Zünd¬ winkel der von der Steuereinrichtung 20 für die Halbleiter¬ ventilanordnung 6 bereitgestellten Zündsignale werden von der Steuereinrichtung 20 so gesteuert, daß die mit der Einrich- tung 12 gemessene Istspannung U entsprechend der von der Steuereinrichtung 20 vorgegebenen Sollspannung Ug gesteuert wird, wie dies beispielsweise in der deutschen Offenlegungs- schrift 40 08 002 näher erläutert ist.
In der Steuereinrichtung 20 werden die seit Beginn der aktu¬ ellen Stellbewegung vergangene Zeit t sowie der aktuelle Mo- torstrom I erfaßt und in einer nichtflüchtigen Speicherein- richtung 24 gespeichert. Die Steuereinrichtung enthält außer¬ dem einen ebenfalls permanenten Speicher 28, in dem ein Soll¬ strom Ig und eine für das Stellorgan 4 charakteristische Sollfahrzeit tg gespeichert ist, die dem Gesamtzeitbedarf für die Bewegung des Stellorgans 4 von einer Endlage zur gegen¬ überliegenden Endlage entspricht. In diesem Speicher 28 ist außerdem die Gesamtfahrzeit t^ der vorangegangenen Stellbewe¬ gung gespeichert, die bei korrekt beendetem Stellvorgang auf definierte Werte, beispielsweise tg oder 0 gesetzt wird. Als Gesamtfahrzeit tg der vorangegangenen Stellbewegung ist die Fahrzeit zu verstehen, die seit Beginn einer von einer defi¬ nierten Endlage des Stellorgans ausgehenden Stellbewegung bis zum Ende der vorangegangenen Stellbewegung verstrichen ist. Diese Gesamtfahrzeit t-g kann sich aus mehreren Zeitabschnit- ten zusammensetzen, die jeweils zu aufeinander folgenden, vorzeitig beendeten Stellbewegungen gehören.
Im Speicher 28 sind noch weitere für die Überwachung des kor¬ rekten Ablaufs der Stellbewegung erforderliche Parameter, wie beispielsweise die zulässige Brummzeit A des Motors 3 und ein
Zeitfenster T gespeichert, das zulässige Toleranzen im Zeit¬ ablauf der Stellbewegungen charakterisiert.
.Die Steuereinrichtung 20 umfaßt außerdem eine Vergleichsein- richtung 22, in der die aktuellen Meßwerte für den Strom I sowie eine aktuelle Gesamtfahrzeit tg = tg + t, mit den ge¬ speicherten Sollwerten Ig bzw. tg verglichen werden. Diese aktuelle Gesamtfahrzeit tg setzt sich aus der Gesamtfahrzeit g der vorangegangenen Stellbewegung und der seit Beginn des Anfahrens des aktuellen, noch stattfindenden Bewegungsab- schnittes der Stellbewegung vergangenen Zeit t zusammen. In dieser Vergleichseinrichtung 22 werden dann in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis Überwachunssignale Sl bis S4 gebildet, die am Ausgang der Steuereinrichtung 20 anstehen und an eine in der Anlage vorhandene Antriebssteuerung 30 weitergeleitet werden. Diese Überwachunssignale Sl - S4 entsprechen einem Wegendschaltersignal "Armatur ZU" (Sl) , einem Wegendschalter- Signal "Armatur AUF" (S2), einem DrehmomentSignal "Armatur ZU" (S3) bzw. einem Drehmomentsignal "Armatur AUF" (S4) .
Der Elektromotor 3 ist beispielsweise an einer seiner Wick- lungen mit einer Einrichtung zur Temperaturmessung versehen, die ein der Motortemperatur bzw. der Wicklungstemperatur ent¬ sprechendes elektrisches Signal an die Steuereinrichtung 20 weiterleitet. In der bevorzugten Ausführungsform gemäß der Figur wird die Wicklungstemperatur des Elektromotors 3 da- durch erfaßt, daß von der Steuereinrichtung vor dem Zuschal¬ ten des Elektromotors 3 der Widerstand einer Wicklung dadurch gemessen wird, daß an die Wicklung eine Meßspannung J<_ ange¬ legt und der fließende Strom Ii gemessen wird. Die aus diesen beiden Größen abgeleitete, dem Wicklungswiderstand entspre- chende Meßgröße wird dann als Störgröße zur Korrektur der Sollspannung Ug für die effektive Motorspannung U verwendet. Hierzu ist in der Steuereinrichtung 20 eine Korrektureinrich¬ tung 26 vorgesehen, in der die jeweils aktuelle Sollspannung Ug gespeichert ist.
Die Antriebssteuerung 30 ist über Signal- und Steuerleitungen 32 mit einer in der Figur nicht dargestellten Warte verbunden und schaltet entweder nach Anforderung von der Warte oder in Abhängigkeit von den Ergebnissen einer Zustandsdiagnose di- rekt ohne Zwischenschaltung der Warte über den Wendeschütz 8 den Stellantrieb 2 an das Netz 10 oder vom Netz 10 weg.
In der Steuereinrichtung 20 werden außerdem noch Signale S5 - S7 gebildet, die zusätzliche Informationen über den Betriebs- zustand des Stellantriebes 2 beinhalten. Dies sind beispiels¬ weise ein analoges Signal S5 für den zurückgelegten Fahrweg, ein Uberwachungssignal S6, das in der Steuereinrichtung 20 diagnostizierte Störungen, beispielsweise eine Übertemperatur der Motorwicklung, anzeigt, und ein Uberwachungssignal S7, das als übergeordnete Sammelstörmeldung mehrere in der Steu¬ ereinrichtung 20 erkannte Fehler beim Ablauf der Stellbewe¬ gung, beispielsweise Störungen in der VersorgungsSpannung wie Phasenausfall, Unterspannung oder Störungen in der Steuerein¬ richtung 20 selbst, indiziert.
Aus den in der Steuereinrichtung 20 verarbeiteten Meßdaten der aktuellen Motorspannung U und des aktuellen Motorstromes I können durch Vergleich mit gespeicherten Sollwerten auch Aussagen über die Schwergängigkeit des Stellorgans abgeleitet und als entsprechende digitale Störmeldung ausgegeben werden. Eine Schwergängigkeit des Stellorganes wird beispielsweise dadurch festgestellt, daß während der Fahrbewegung der Motor¬ strom I einen vorgegeben Sollwert überschreitet.
Daneben werden in einer erweiterten Ausgestaltung noch eine Vielzahl anderer Signale, beispielsweise der aktuelle Motor- ström I und die aktuelle Motorspannung U bereitgestellt. Ins¬ besondere werden die gesamten für die Stellbewegung relevan¬ ten Meßdaten, insbesondere der Motorstro I und die Motor¬ spannung U, in der Steuereinrichtung als Funktion der Zeit gespeichert. Dies erlaubt eine nachträgliche Analyse des Be- wegungsablaufes des Stel-lantriebes bei festgestellten Fehlern und ermöglicht in vielen Fällen eine schnelle Diagnose der Fehlerursache, die dann vor Ort gezielt behoben werden kann.
Gemäß Figur 2 wird in einem in der Steuereinrichtung gespei- cherten Programm bei laufendem Drehantrieb abgefragt, ob der aktuell gemessene Motorstrom I größer oder kleiner als der in der Korrektureinrichtung 26 ermittelte Sollstrom Ig ist. Die aktuelle Gesamtfahrzeit tg bei Überschreitung dieses Soll¬ stromes Ig, die sich aus der gespeicherten Gesamtfahrzeit tg einer möglicherweise stattgefundenen vorherigen Bewegung des
Stellantriebes und der seit Beginn der aktuellen Stellbewe¬ gung vergangenen Fahrzeit t ergibt, wird mit einer Sollzeit tg verglichen, die sich unter normalen Betriebsbedingungen für eine vollständige Auf-Zu-Bewegung des Stellantriebes er- geben würde. Befindet sich die aktuelle Gesamtfahrzeit tg in¬ nerhalb eines Zeitfensters 2T im Bereich dieser Sollzeit tg, so ist das Wegende erreicht und ein entsprechendes Überwa- chungssignal S3 wird an die Antriebssteuerung 30 weitergelei¬ tet. In diesem Fall wird die Gesamtfahrzeit tg je nach Bewe¬ gungsrichtung des Stellantriebs auf Null zurückgesetzt oder auf tg gesetzt, um zu vermeiden, daß die innerhalb des Zeit- fensters 2T zulässigen Toleranzen nach mehrmaligem Auf-Zu und Zu-Auf-Bewegungen des Stellantriebs sich addieren und zu feh¬ lerhaften Meldungen über den Betriebszustand des Stellantrie¬ bes führen können.
Befindet sich die Fahrzeit bei Überschreitung des Sollstromes Ig nicht innerhalb des um die Sollzeit tg zulässigen Zeitfen¬ sters +/-T, so hat der Stellantrieb das Wegende nicht er¬ reicht und ein entsprechendes Uberwachungssignal S3 "Wegende nicht erreicht, WE NEIN" wird an die Antriebssteuerung ausge- geben. Zugleich wird als neue Gesamtfahrzeit t_ für die ge¬ samte bisherige Stellbewegung der aktuelle Wert der Gesamt- fahrzeit tg = tg + t bei Überschreiten des Grenzwertes Ig als Ausgangsfahrzeit für den nächsten Bewegungsablauf gespei¬ chert.
Solange die nach Überschreiten des Sollstromes Ig gemessene Zeitspanne die Brummzeit A nicht überschreitet, wird ein Uberwachungssignal Sl ausgegeben, das angibt, daß der Soll¬ wert des Drehmomentes noch nicht überschritten ist (Drehmomentgrenzwert nicht erreicht, DE NEIN) . Erst nach Ab¬ lauf der Brummzeit A wird das Überwachungssignal Sl auf einen Pegel gesetzt, der dem Zustand " Drehmomentgrenzwert er¬ reicht, DE JA" entspricht.
Dem Flußdiagramm ist auch zu entnehmen, daß das Signals Sl stets anzeigt, daß das Drehmoment den vorgegebenen Sollwert noch nicht überschritten hat, wenn der Motorstrom I niedriger ist als der Sollstrom Ig oder wenn nach Überschreiten dieses Sollstroms Ig die vorgegebene Brummzeit A nicht überschritten ist. Dem Flußdiagramm ist auch zu entnehmen, daß unabhängig vom Überschreiten des Sollstromes Ig stets ein Überwachungssignal S3 für die Wegendüberwachung erzeugt wird, das anzeigt, ob das Wegende bereits oder noch nicht erreicht ist.
Außerdem wird auch bei NichtÜberschreiten des Sollstromes Ig die aktuelle Gesamtfahrzeit tg +t stets erfaßt und bei einem übergeordneten Abschaltbefehl als neue Gesamtfahrzeit tg in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt, so daß auch in die- sem Falle beim erneuten Anfahren des Stellantriebes die bis¬ herige Gesamtfahrzeit bekannt ist und fehlerhafte Anzeigen des Betriebszustandes des Stellantriebes wegen des verblei¬ benden kürzeren Weges ausgeschlossen sind.
Die Überwachungssignale Sl und S3 sind im Ausführungsbeispiel der Figur für eine bestimmte Bewegungsrichtung des Stellor¬ gans reserviert. Bei einer Bewegung in umgekehrter Richtung werden in entsprechender Weise Überwachungssignale S2 bzw. S4 erzeugt. Die zur korrekten Zuordnung der Signale erforderli- ehe Information über die aktuelle Drehrichtung des Stellan¬ triebs wird in der Steuereinrichtung beispielsweise durch Überwachung der gegenseitigen Phasenbeziehung zweier Phasen¬ spannungen abgleitet. Die UberwachungsSignale Sl - S4 stehen dabei entsprechend der Spezifikationen der übergeordneten An- triebssteuerung an getrennten Leitungen an.
In Figur 3 ist der Motorstrom I für drei unterschiedliche Stellbewegungen a, b und c in einem Diagramm gegen die Zeit t aufgetragen. In dieses Diagramm ist auch der für die jewei- lige Stellbewegung a, b bzw. c sich ergebende Fahrweg s auf¬ genommen.
Nach dem Einschaltbefehl steigt der Motorstrom I zunächst steil an und beginnt ab dem Zeitpunkt, zu dem sich das Stell- organ aus seiner Endstellung löst, abzusinken. Das Unter¬ schreiten eines vorgegebenen Sollstromes Ig zeigt den Beginn der Fahrbewegung an. Im Zeitpunkt, in dem Ig unterschritten wird, wird die aktuelle Zeit t auf Null und entsprechend die aktuelle Gesamtfahrzeit tg auf tg gesetzt, das am Ende des vorangegangenen Bewegungsablaufes als Gesamtfahrzeit gespei¬ chert ist.
Der Motorstrom I und das vom Motor entwickelte Drehmoment sinken weiter ab, da während der darauffolgenden Bewegungs¬ phase der Stellbewegung nur die durch innere Reibungskräfte im Getriebe und im Stellorgan hervorgerufene Bremsmomente zu überwinden sind. Der Stellweg s nimmt dabei linear mit der Zeit zu. Beim Hineinfahren in eine Blockierstellung, für den in der Kurve a wiedergegebenen Bewegungsablauf beispielsweise der Endanschlag des Stellorgans, beginnt der Motorstrom I we¬ gen des erhöhten Drehmomentbedarfs erneut zu steigen. Zu ei- nem Zeitpunkt tga überschreitet der Motorstrom erneut den Sollstrom Ig. Dies zeigt an, daß die Stellbewegung beendet ist. Nach einer Brummzeit A wird dann der Motor abgeschaltet.
Der in Kurve a wiedergegebene Verlauf läßt erkennen, daß der Stellantrieb ausgehend von einer definierten Ausgangspositi¬ on, die beispielsweise dem Sitz des Stellorgans entspricht { t_ = 0), den gegenüberliegenden Endanschlag, beispielsweise der Rücksitz des Stellorgans, d. h. das Wegende erreicht hat und mit einem definierten Solldrehmoment in der Endstellung verspannt ist.
Das Wegende ist erreicht, wenn die beim Überschreiten des
Sollstromes Ig ermittelte Gesamtfahrzeit tga innerhalb des um eine Sollzeit tg aufgespannten Zeitfensters 2T liegt. In die- sem Fall wird die Sollzeit tg als Gesamtfahrzeit gespeichert
(tE = tg) .
Bei einem Bewegungsablauf gemäß Kurve b erfolgt zum Zeitpunkt tEb e^-n Abschalten des Stellantriebes. Dieser Abschaltzeit- punkt tg]-, wird als Gesamtfahrzeit tg gespeichert und wird als Zeitnullpunkt für den darauffolgenden Bewegungsablauf bei er¬ neutem Anfahren der Armatur verwendet. Da beim Abschalten des Stellantriebes zum Zeitpunkt tg]-, weder der Sollstrom Ig über¬ schritten war noch die Fahrzeit innerhalb des Zeitfensters 2T die Sollzeit tg erreicht hat, werden als Zustandssignale Sl und S3 "Drehmomentgrenzwert nicht erreicht, DE NEIN" bzw. "Wegende nicht erreicht, WE NEIN" ausgegeben.
Bei dem in Kurve c dargestellten Bewegungsablauf fährt das Stellorgan vor Erreichen der eigentlichen Endlage in eine Blockierstellung. Der Motorstrom I überschreitet den Soll- ström Ig. Dies führt nach einer Brummzeit A zu einem Abschal¬ ten des Stellantriebes. Dieser Betriebszustand führt zu einem Zustandssignal Sl "Drehmomentgrenzwert erreicht, DE JA" und zu einem Zustandssignal S3 "Wegende nicht erreicht, WE NEIN". Als Gesamtfahrzeit tg am Ende der Stellbewegung wird der Zeitpunkt tgc, in dem die Blockierstellung erreicht wird, ge¬ speichert und bei einem erneuten Anfahrversuch, beispielswei¬ se durch eine Erhöhung der am Mo or anliegenden Istspannung, für die korrekte Überwachung bei einer Vervollständigung der Stellbewegung verwendet.
Durch eine Speicherung des gesamten Zeitverlaufs des Motor- stro eε kann die Stellbewegung nachträglich analysiert werden und mögliche Fehler im Ablauf der Stellbewegung, beispiels¬ weise eine Schwergängigkeit des Stellorgans, können vor einem Versagen der gesamten Armatur rechtzeitig erkannt und behoben werden.
Der in der Figur zum Zeitpunkt tg beginnende Stellvorgang kann beispielsweise ausgehend von einer der "ZU"-Stellung entsprechenden Endlage des Stellorgans erfolgen. Dann ist tg gleich Null. Nach erreichen einer Blockierstellung vor der "AUF"-Stellung entsprechenden Endlage der Armatur gemäß der Stellbewegung nach Kurve c, kann der Stellantrieb beispiels¬ weise durch Umkehren der Drehrichtung wieder in die Ausgangs- position zurückgefahren werden. Da die Steuereinrichtung die Drehrichtung erkennt, kann beim Zurückfahren in die "Zu¬ stellung die Fahrzeit ausgehend vom gespeicherten Wert tgc sukzessive verringert werden, so daß die der "ZU"-Stellung entsprechende Endlage zu einem zwischen +T und -T befindli¬ chen Zeitpunkt erreicht wird. Dort wird dann in analoger Weise wie bei der Endstellung zum Zeitpunkt tg gemäß Kurve a tg auf Null gesetzt, um die für die Gesamtfahrzeit zulässigen und unvermeidbbaren Toleranzen beim erneuten Anfahren der Ar¬ matur in Richtung "AUF"-Stellung nicht zu kumulieren.
Die zurückgelegten Fahrwege sa, s^ und sc sind mit den jewei- ligen Fahrzeiten linear korreliert, so daß aus der Gesamt-, fahrzeit tg oder der aktuellen Gesamtfahrzeit tg Signale S5 abgeleitet werden können, die den vom Stellorgan bis zum Ab¬ schalten zurückgelegten gesamten Fahrweg bzw. während der noch laufenden Stellbewegung den aktuellen bisher zurückge- legten Fahrweg angeben.
Bei der in der Figur dargestellten Situation stimmen das vom Stellantrieb in der Anfahrphase entwickelte Losbrechmoment und das Endmoment überein, wie dies an derselben Höhe des Mo- torstromes I bei Beginn und Ende der Stellbewegung zu erken¬ nen ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, die Motorspannung U so zu steuern, daß der Stellantrieb beim Anfahren ein höheres Drehmoment entwickeln kann als beim Fahren in die Endlage.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überwachen einer Stellbewegung eines von ei¬ nem elektrischen Stellantrieb (2) angetriebenen Stellorganes (4) , bei dem eine seit Beginn der Stellbewegung vergangene Fahrzeit (t, tg, tg) sowie eine das Drehmoment des Stellan¬ triebes (2) charakterisierende Kenngröße (I) erfaßt und je¬ weils mit gespeicherten Sollwerten (tg bzw. _ Ig) verglichen werden und daraus in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis Überwachungssignale (Sl, S2, S3, S4) abgeleitet werden.
2. Verfahren zum Überwachen einer Stellbewegung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Überwachungssignale (Sl, S2, S3, S4) den bei einer Weg- und/oder Drehmomenterfassung durch mechanische Geber bereit- gestellten UberwachungsSignalen nachgebildet sind.
3. Verfahren zum Überwachen einer Stellbewegung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als eine das Drehmoment des elektrischen Stellantriebes (2) charakte¬ risierende Kenngröße der in einer Wicklung seines Elektromo¬ tors (3) fließende Motorstrom (I) verwendet wird.
4. Verfahren zum Überwachen einer Stellbewegung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine seit Beginn der Ξtellbewegung bis zum Blockieren des Stellan¬ triebes oder bei Nichterreichen einer Blockierstellung bis zum Abschalten des Stellantriebs (2) vergangene Gesamtfahr- zeit (tg) gespeichert und zur Überwachung des Bewegungsablau¬ fes des darauf folgenden Stellvorganges herangezogen wird.
5. Verfahren zum Überwachen einer Stellbewegung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß aus der seit Beginn der Stellbewegung vergangenen Gesamtfahr¬ zeit (tg) oder aus einer seit Beginn der Stellbewegung ver- gangenen aktuellen Gesamtfahrzeit (tg) ein dem zurückgelegten Weg (s) entsprechendes Signal (S5) abgeleitet wird.
6. Verfahren zum Überwachen einer Stellbewegung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für den gesamten Bewegungsablauf der Stellbewegung wenigstens eine für die Betriebsbedingungen des Stellantriebs (2) cha¬ rakteristische Kenngröße (I) als Funktion der Zeit (t) ge- speichert wird.
7. Verfahren zum Überwachen einer Stellbewegung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beim Erreichen eines Sollwertes (Ig) für das Drehmoment erfaßte Gesamtfahrzeit (tg) dann auf einen fest vorgegebenen Sollwert (O oder tg) festgesetzt wird, wenn sie innerhalb vorgegebener Grenzen (T) mit der Sollzeit (tg) übereinstimmt.
8. Einrichtung zur Durchführung eines Verf hrens nach An- spruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Überwachen der Stellbewegung eine Steuereinrichtung (20) vor¬ gesehen ist, mit der die seit Beginn der Stellbewegung ver¬ gangene Fahrzeit (t, tg, tg) sowie eine das Drehmoment des Stellantriebes (2) charakterisierende Kenngröße (I) erfaßt werden, wobei die Steuereinrichtung (20) Speicher (28) für jeweils zugehörige Sollwerte (tg bzw. Ig) sowie Mittel (22) zum Vergleich dieser Sollwerte (tg und Ig) mit den gemessenen Werten (t bzw. I) umfaßt, die in Abhängigkeit von den Ver- gleichsergebnissen UberwachungsSignale (Sl, S2, S3, S4) ab¬ leiten und an einem Ausgang der Steuereinrichtung (20) be¬ reitstellen.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die
Überwachungssignale (Sl, S2, S3 , S4) den bei einer Weg- und/oder Drehmomenterfassung durch mechanische Geber gebilde¬ ten UberwachungsSignalen entsprechen.
PCT/DE1994/000432 1993-04-28 1994-04-20 Verfahren und einrichtung zum überwachen einer stellbewegung eines von einem elektrischen stellantrieb angetriebenen stellorganes WO1994025911A1 (de)

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