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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektromagnetisch betriebene
Ventilvorrichtungen, die mit variabler Funktion schalten zum Testen
und Steuern von Prozess- und Fluidtransportsystemen, und insbesondere
eine elektromagnetisch betriebene Ventilvorrichtung, die mit variabler
Funktion schaltet und luftgetriebene Fail-last Positionsaktuatoren
aufweist, um die Strömung
eines Fluids zu leiten.
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2. Hintergrund der Erfindung
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Modere
Prozess- oder Herstellungsfabriken bestehen aus unzählbaren
individuellen Komponenten. Diese Komponenten sind integriert um
funktionsfähige
Systeme zu bilden, die durch Mess- und Steuerungssysteme gesteuert
werden, die aus einer Vielzahl von Sensoren und Steuerungen bestehen.
Die Betriebs- und Steuerungssysteme dienen nicht nur dazu die gewünschten
Prozessbedingungen und Parameter zu erreichen, sondern sie erlauben
auch ein Überwachen
(zum Beispiel durch einen Bediener oder einen Rechner), um sicher
das gesamte System der Fabrik oder Teile des Systems der Fabrik
und der Komponenten falls notwendig zu modifizieren oder zu unterbrechen,
um Umstände
zu vermeiden, die eine Sicherheitsbedingung definieren.
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Ein
zuvor bekanntes Sicherheitssystem funktioniert durch ein Isolieren
oder Ablassen von Prozessfluiden, wenn ein unsicherer Betriebszustand durch
das Sicherheitssystem entdeckt wurde. Abhängig von den bestimmten Betriebsparametern kann
die Isolierung und/oder das Ablassen von Prozessfluid durch Betätigen von
einem oder mehreren elektromagnetisch betriebenen Prozessventilen durchgeführt werden.
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Elektromagnetisch
betriebene Ventile sind im Wesentlichen elektromechanische Vorrichtungen, die
einen Elektromagneten (Solenoid) verwenden, um die Ventilbetätigung zu
steuern. Zuvor bekannte elektrornagnetisch betriebene Prozessventile
umfassen im Allgemeinen eine Drahtspule und einen beweglichen Kolben,
der gegen die Spule ruht; und wenn der Spule des Elektromagneten
ein elektrischer Strom zugeführt
wird, wird ein betätigendes Magnetfeld
induziert, dass auf den Kolben einwirkt. Wenn ein befestigter Positionierer
eine Differenz in der Position zwischen der Position des Kolbens
und des Steuerungssignals entdeckt, sendet der Positionierer ein
Signal um den Kolben zu bewegen, so dass die korrekte Position erreicht
wird.
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Der
Fachmann hat derartige Systeme allerdings als unzureichend empfunden,
hauptsächlich aufgrund
ihrer Abhängigkeit
von elektronischen Steuerungssignalen und billigen mechanischen
Teilen. Sollte zum Beispiel eines oder mehrere von Spule, Positionierer
oder dem Kolben versagen besteht keine Möglichkeit exakt zu testen,
ob das Positionssteuerungssignal mit der tatsächlichen Position des Elektromagneten übereinstimmt,
so dass eine Änderung im
Zustand erwartetet werden sollte.
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In
anderen zuvor bekannten Vorrichtungen wird eine pneumatische Fluidzufuhr
zu einem Aktuator eines Prozessventils durch ein elektromagnetisch betriebenes
Ventil zugeführt,
um Prozessdruck abzulassen, wenn ein zuvor definierter Sicherheitszustand
entdeckt wird. Typischerweise wird eine pneumatische Druckquelle
einer Seite des Aktuators zugeführt,
während
angesammelter Druck an der ande ren Seite abgelassen wird. Wenn ein
zugehöriger Elektromagnet
seinen Zustand oder seine Position in einer vorherbestimmten Weise ändert, wenn
zum Beispiel ein Elektromagnet von einem Anwender oder einem zugehörigen Logiksteuerungssystem
abgeschaltet wird, wird das getestete System der Fabrik in einen
Betriebsmodus gesetzt, der als ein „Sicherheitsvorgang" definiert ist.
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Der
Fachmann wird jedoch erkennen, dass ein Testen und die Wartung von
individuellen elektromagnetisch betriebenen Ventilen vorzugsweise
ohne eine Initiierung des Sicherheitsvorgangs erfolgen sollte, so
dass kein Bedarf besteht das überwachte System
während
des Testens und der Wartung vom Netz zu nehmen. Daher haben einzelne
elektromagnetbetriebene Ventilkonfigurationen in der Vergangenheit
für die
Anwender einen Zielkonflikt bedeutet zwischen entweder dem Unterbrechen
der Sicherheitsüberwachung
während
des Testens und der Wartung oder ansonsten dem Riskieren einer falschen
Initiierung des Sicherheitsvorgangs als ein Ergebnis einer begrenzten
oder unvollständigen
Testreihe und Wartung.
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Zum
Beispiel ist eine „1-Aus-1" elektromagnetisch
betriebene Ventilkonfiguration vorbekannt, bei der ein einziges
elektrornagnetisch betriebenes Ventil nach Feststellung eines unsicheren
Zustands den Sicherheitsvorgang des Systems aktiviert, in dem Prozessventile
aktiviert werden. Derartige Konfigurationen können eine hohe Anlagensicherheitsverfügbarkeit
erreichen, wenn der Ventilbetrieb regelmäßig getestet wird, in dem zuerst
das elektrornagnetisch betriebene Ventil ausgeschaltet wird und dann
ein Ablassen des Fluids oder der pneumatischen Zufuhr durch einen
Ablasskörper
oder einen Ausgang überwacht
wird. Da das Prozessventil und letztendlich das Prozess- oder Fluidtransportsystem (oder
einige der Komponenten, die das System ausmachen) negativ durch
ein derartiges Ablassen beeinflusst werden können, kann das Testen des elektromagnetisch
betriebenen Ventils nur unter Bypass-Bedingungen des Systems durchgeführt werden,
wobei es dem Fluid oder der pneumatischen Zufuhr erlaubt ist, direkt
zu einer Seite des Prozessventil-Aktuators zu strömen, während der
Druck an der anderen Seite des Aktuators mittels eines Bypassventils
abgelassen wird. Wenn allerdings das elektromagnetisch betriebene
Ventil zum Testen umgangen („bypassed") wird, kann der
Sicherheitsvorgang (Betätigung
des Prozessventils), der zum Vermeiden eines unsicheren Zustands
gedacht ist, nicht initiiert werden.
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Daher
ist in der Praxis die Gesamtsicherheitsverfügbarkeitsleistung eines „1-Aus-1" elektrornagnetisch betriebenen Ventils
durch den Prozentsatz der Betriebszeit begrenzt, die in einem Bypasszustand
zum Testen und zur Wartung benötigt
wird. Darüber
hinaus können
derartige Konfigurationen nur eine relativ geringe Anlagensystemzuverlässigkeit
außerhalb
des Testens und der Routinewartung erreichen, da ein unerwartetes
Versagen einer Komponente innerhalb des elektromagnetisch betriebenen
Ventils, wie zum Beispiel ein Spulenfehler oder ähnliches, notwendigerweise
ein unbeabsichtigtes Ablassen oder Isolieren des Fluids oder der
pneumatischen Zufuhr verursachen wird, d.h. eine Betätigung des
Prozessventils und eine Initiierung des Sicherheitsvorgangs.
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Es
ist auch eine „1
aus 2” elektromagnetisch betriebene
Ventilkonfiguration vorbekannt, wobei die korrekte Funktion von
einem aus einem Paar von elektromagnetisch betriebenen Ventilen,
die operativ miteinander verbunden sind, benötigt wird, um das Prozessventil
zu betätigen
und den Sicherheitsvorgang zu initiieren. Da nur eines der elektromagnetisch
betriebenen Ventile benötigt
wird, um das Prozessventil zu betätigen wird inhärent eine
relativ hohe Anlagensicherheitsverfügbarkeit bereitgestellt.
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Darüber hinaus
benötigen
derartige Konfigurationen nicht die hohe Testhäufigkeit der 1 aus 1 elektrornagnetisch
betriebenen Ventilssysteme. Allerdings werden immer noch Routinetests
und Wartungen der Vorrichtung für
normale Sicherheitsanwendungen benötigt. Ähnlich wie das 1 aus 1 Elektromagnetventil
benötigt
auch die 1 aus 2 Konfiguration typischerweise während des Testens ein Umgehen des
Sicherheitsvorgangs des Systems. Dementsprechend ist die Vorrichtung
in der Lage in Antwort auf einen unsicheren Zustand das Prozessventil
zu betätigen,
und die Prozessfluidzufuhr zu isolieren oder abzulassen, während das
System im By passmodus ist. Somit wird die Sicherheitsverfügbarkeitsleistung des
1 aus 2 Magnetventils durch den Prozentsatz der Betriebszeit begrenzt,
die zum Umgehen und Testen benötigt
wird. Darüber
hinaus kann, da zwei unabhängige
Elektromagneten in der Lage sind den Sicherheitsvorgang zu initiieren,
ein Fehler in einer einzigen elektromagnetisch betriebenen Ventilspule
zu der unbeabsichtigten Betätigung
des Prozessventils führen
und zu einer Isolierung oder einem Ablassen des Prozessfluids.
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Eine „2 aus
2" Konfiguration
wurde ebenfalls verwendet, wobei beide elektromagnetisch betriebenen
Ventile korrekt funktionieren müssen
um das Prozessventil zu betätigen
und den Sicherheitsvorgang zu initiieren. Da beide elektromagnetisch
betriebenen Ventile richtig funktionieren müssen, wird einfach eine hohe
Anlagensystemzuverlässigkeit
erreicht. Da allerdings die Wahrscheinlichkeit eines individuellen
Komponentenfehlers innerhalb des elektromagnetisch betriebenen Ventilsystems
effektiv verdoppelt wird (da z. B. beide elektromagnetisch betriebenen
Ventile immer korrekt funktionieren müssen) leidet die Konfiguration
unter einer relativ geringen Sicherheitsverfügbarkeit, wenn sie nicht häufig auf
ihre Funktion getestet wird. Außerdem
wird die Initiierung des Sicherheitsvorgangs während des Testens und der Wartung
verhindert, da das Anlagensystem für derartige Funktionen umgegangen
werden muss, wobei es der Fluid- oder Pneumatikzufuhr erlaubt wird,
mittels eines Bypassventils direkt zu dem Prozessventil geführt zu werden
oder zu den Komponenten, aus denen dieses besteht. Wenn die elektrornagnetisch
betriebenen Ventile zum Testen umgangen werden, kann der Sicherheitsvorgang
(d. h. die Betätigung
des Prozessventils), der zum Vermeiden des unsicheren Zustandes
vorgesehen ist, nicht initiiert werden. Darüber hinaus sind die Test- und
Wartungszyklen im allgemeinen Zeit- und Personalintensiv, da die
meisten der bekannten 2 aus 2 Konfigurationen immer noch manuell
getestet werden. Wie mit dem zuvor diskutierten elektromagnetisch
betriebenen Ventilsystem ist daher die Sicherheitsverfügbarkeitsleistung
der Vorrichtung auf Grund des Prozentsatzes der Betriebszeit begrenzt,
die zum Umgehen und Testen oder Warten benötigt wird.
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In
einem intelligenteren Ansatz wurde ein „2 aus 3" schaltendes elektromagnetisch betriebenes Ventilsystem
entwickelt, wobei zwei von drei elektromagnetisch betriebenen Ventilen
korrekt funktionieren müssen,
um das Prozessventil zu betätigen
und das Prozessfluid zu isolieren oder abzupassen. Die Konfiguration
erreicht eine hohe Sicherheitsverfügbarkeit, da nur zwei der drei
elektromagnetisch betriebenen Ventile funktionieren müssen um
einen Sicherheitsvorgang zu initiieren, und eine hohe Anlagensystemzuverlässigkeit,
da zwei der drei elektromagnetisch betriebenen Ventile einen Spulenfehler o. Ä. erfahren
müssen,
damit eine unbeabsichtigte Betätigung
des Prozessventils und eine Isolierung oder ein Ablassen der Prozessfluidzufuhr
auftritt. Die Sicherheitsverfügbarkeit
ist ebenfalls besser als bei den zuvor diskutierten Elekromagnetsystemen,
da die Vorrichtung getestet oder gewartet werden kann, ohne den
Sicherheitsvorgang umgehen zu müssen.
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In
der Praxis haben die Fachleute jedoch festgestellt, dass die Verwendung
von drei elektromagnetisch betriebenen Ventilen die Gesamtkosten und
die Komplexität
des Systems erheblich erhöht. Außerdem sind
zusätzliche
Logik-Steuerungssystemeingangs-
und Ausgangspunkte nötig
im Vergleich zu einfacheren Konfigurationen und daher sind die Installations-
und Betriebsausgaben dementsprechend erhöht. Kurz gesagt haben die hohen
Kosten und die relative Komplexität der 2 aus 3 Elektromagnetkonfigurationen
deren industrielle Anwendung erheblich begrenzt.
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Schließlich wurden
außerdem
ausgeklügelte „vierfach
schaltende" Konfigurationen
versucht, wobei sowohl eine hohe Sicherheitsverfübarkeit als auch eine hohe
Anlagensystemzuverlässigkeit
erreicht wurden. Allerdings wurde festgestellt, dass die Verwendung
von vier elektrornagnetisch betriebenen Ventilen in einer Konfiguration
mit variabler Schaltung eine ungewöhnlich große Menge an Raum benötigt um
die komplexen pneumatischen Leitungssysteme und die Logiksteuerungssysteme
unterzubringen und eine derartige Komplexität erhöht natürlich die zuge hörigen Installations-
und Wartungsausgaben. Darüber
hinaus wurde festgestellt, dass viele kommerzielle Anwender von
schaltbaren elektromagnetisch betriebenen Ventilsystemen die komplexe vierfach
schaltende Konfiguration ablehnen, auf Grund der erhöhten Gefahr
für Test-
und Wartungsfehler die damit einhergeht.
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Im
Hinblick auf das Vorhergesagte ist es klar, dass es einen weit verbreiteten
Bedarf für
eine elektromagnetisch betriebene Ventilvorrichtung, die mit doppelt
wirkender variabler Funktion schaltet existiert, und die sowohl
hohe Sicherheitsverfügbarkeit bietet
als auch eine hohe Anlagensystemzuverlässigkeit, die nicht voraussetzt,
dass ein Anlagensystem während
des Testens und der Wartung umgangen wird und insbesondere für elektromagnetisch
betriebene Ventile, die ein redundantes Steuerungssystem haben,
das sicher und genau ein Sicherheitssystem testen und überwachen
kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine elektrornagnetisch betriebene Ventilvorrichtung bereit
gestellt, die mit variabler Funktion schaltet, wobei die Vorrichtung
aufweist: ein erstes, durch einen Elektromagnet angetriebenes Ventil,
ein zweites, durch einen Elektromagnet angetriebenes Ventil und ein
Bypassventil, die in gegenseitiger Fluidkommunikation angeordnet
sind, wobei eines oder mehrere von dem ersten durch einen Elektromagnet
angetriebenen Ventil, dem zweiten durch einen Elektromagnet angetriebenen
Ventil und dem Bypassventil weiterhin einen oder mehrere luftbetriebene
Ventilaktuatoren aufweisen; eine Luftzufuhr zum Bereitstellen eines
Vorrates von Druckluft an den einen oder die mehreren luftbetriebenen
Ventilaktuatoren; eine Mehrzahl von Drucksensoren, umfassend einen
ersten Drucksensor, der in Fluidkommunikation mit dem ersten, durch
einen Elektromagnet angetriebenen Ventil angeordnet ist, einen zweiten
Drucksensor, der in Fluidkommunikation mit dem zweiten, durch einen Elektromagneten
angetriebenen Ventil steht, und einen dritten Drucksensor, der in
Fluidkommunikation mit dem Bypassventil angeordnet ist; und einen
Abgasauslass zum Ablassen von Druck in eine externe Umgebung, der
sich innerhalb des ersten, durch einen Elektromagnet angetriebenen
Ventils, dem zweiten durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventils und
dem Bypassventil angesammelt hat.
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Gemäß weiterer
Aspekte der Erfindung wird eine elektromagnetisch betriebene Ventilvorrichtung bereitgestellt,
die mit variabler Funktion schaltet und zum Testen und Steuern von
Industrieprozesssystemen geeignet ist, wobei die Vorrichtung aufweist:
ein erstes, durch einen Elektromagnet angetriebenes Ventil, ein
zweites, durch einen Elektromagnet angetriebenes Ventil und ein
Bypassventil, die in gegenseitiger Fluidkommunikation angeordnet
sind, wobei eines oder mehrere von dem ersten, durch einen Elektromagnet
angetriebenen Ventil, dem zweiten, durch einen Elektromagnet angetriebenen
Ventil und dem Bypassventil weiter einen oder mehrere luftbetriebene
Ventilaktuatoren aufweisen; und eine Mehrzahl von Drucksensoren,
aufweisend einen ersten Drucksensor, der in Fluidkommunikation mit
dem ersten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil angeordnet
ist, einen zweiten Drucksensor, der in Fluidkommunikation mit dem
zweiten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil steht, und
einen dritten Drucksensor, der in Fluidkommunikation mit dem Bypassventil
angeordnet ist; und ein Logiksteuerungssystem, wobei das Logiksteuerungssystem
es einem Bediener der Vorrichtung erlaubt, selektiv einen von zumindest
zwei diskreten Betriebsmoden auszuwählen, wobei die zumindest zwei
diskreten Betriebsmoden einen 1 aus 1 mit Hot-Standby Modus und
einen 2 aus 2 mit hoher Diagnose Modus aufweisen.
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In
noch weiteren Aspekten der Erfindung werden Verfahren zum Testen
einer mit einem Elektromagnet betriebenen Ventilvorrichtung bereitgestellt,
die mit einer variablen Funktion schaltet und die entweder in einem
doppelt wirkenden Energize-To-Trip Diagnose Modus oder einem doppelt
wirkenden de-Energize-To-Trip Diagnose Modus arbeitet, wobei die
Verfahren die folgenden Schritte umfassen: Anordnen eines ersten,
durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventils, eines zweiten,
durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventils und eines Bypassventils
in gegenseitiger Fluidkommunikation; Anordnung eines oder mehrerer
luftbe triebener Ventilaktuatoren innerhalb eines oder mehrerer von dem
ersten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil, dem zweiten,
durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil und dem Bypassventil;
Anordnen einer Luftzufuhr in Fluidkommunikation mit dem einen oder
mehreren luftbetriebenen Ventilaktuatoren; Anordnen eines ersten
Drucksensors in Fluidkommunikation mit dem ersten, durch einen Elektromagnet
angetriebenen Ventil, eines zweiten Drucksensors in Fluidkommunikation
mit dem zweiten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil,
und eines dritten Drucksensors in Fluidkommunikation mit dem Bypassventil;
und Anordnen eines Abgasauslasses in Fluidkommunikation mit einem
oder mehreren von dem ersten, durch einen Elektromagnet angetriebenen
Ventils, dem zweiten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventils
und dem Bypassventil. Abhängig
von dem bestimmten Diagnosemodus, in dem der Test durchgeführt wird,
werden außerdem
verschiedene Verfahren des Einschaltens und Ausschaltens der Ventile
und des Überwachens der
zugehörigen
Drucksensoren bereitgestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer elektromagnetisch betriebenen
Ventilvorrichtung, die mit variabler Funktion schaltet, gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der elektromagnetisch betriebenen Ventilvorrichtung, die mit variabler
Funktion schaltet, gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3 zeigt
eine Tabelle der Ergebnisse des Testverfahrens der Einheit.
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4 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der elektromagnetisch betriebenen Ventilvorrichtung, die mit variabler
Funktion schaltet, gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5 zeigt
eine Tabelle von weiteren Ergebnissen der Testverfahren der Einheit.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Das
US Patent mit der Nummer 6,722,383 offenbart
eine elektromagnetisch betriebene Ventilvorrichtung die mit variabler
Funktion schaltet und zwei diskrete Betriebsmoden hat, nämlich einen
1 aus 1 mit hoher Sicherheit Modus („1 aus 1-HS”)
und einen 2 aus 2 mit hoher Diagnose Modus („2 aus 2-D"). Die Vorrichtung verwendet zwei elektronisch betätigte, elektromagnetisch
betriebene Ventile, die in Kooperation mit einem Bypassventil und
einer Mehrzahl von Druckschaltern arbeiten.
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird beispielsweise eine schematische
Darstellung einer elektromagnetisch betriebenen Ventilvorrichtung
die mit variabler Funktion schaltet bereitgestellt, wobei ein Gehäuseelement
ein erstes elektromagnetisches Ventil 1 enthält und ein
zweites elektromagnetisch betriebenes Ventil 2; ein Bypassventil 3,
dass über
einen Schalter betätigt
wird und eine Mehrzahl von Druckschaltern PS1, PS2 und PS3, umfassend
einen ersten Druckschalter PS1 in Fluidkommunikation mit dem ersten,
durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 1, einen
zweiten Druckschalter PS2 in Fluidkommunikation mit dem zweiten,
durch einen Elektromagneten betriebenen Ventil 2, und einen
dritten Druckschalter PS3 in Fluidkommunikation mit dem Bypassventil 3,
das durch einen Schalter aktiviert wird. Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung wird die elektromagnetisch betriebene Ventileinheit unter
Verwendung eines Logiksteuerungssystems gesteuert, das es einem
Bediener erlaubt, selektiv einen von zumindest zwei Betriebsmoden
auszuwählen,
umfassend einen 2 aus 2-D Modus und einen 1 aus 1-HS Modus.
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In
dem 2 aus 2-D Betriebsmodus kann eine Anlage die Vorteile der standardmäßigen 2
aus 2 Elektromagnetkonfigurationen beibehalten, die zuvor beschrieben wurden,
aber außerdem
eine verbesserte Sicherheitsverfügbarkeit
realisieren, da die Einheit getestet oder gewartet werden kann,
ohne dass sie vor der Initiierung des Testens umgangen werden muss.
Während
normalen Betriebszuständen,
wenn jedes der elektromagnetisch betriebenen Ventile 1 und 2 durch
eine ektromotorische Kraft betätigt
wird, die mittels des Logiksteuerungssystems oder eines Rechners
bereitgestellt wird, werden die Kontakte für die Druckschalter PS1 und
PS2 geöffnet
und der Kontakt für
den Druckschalter PS3 wird geschlossen. Wenn ein unsicherer Zustand
entdeckt wird und ein Sicherheitsvorgang initiiert wird, wie z.
B. das Ablassen oder Isolieren des Fluids, wird das Prozessventil betätigt wenn
beide elektromagnetisch betriebenen. Ventile 1 und 2 augenblicklich
abgeschaltet werden, wobei die pneumatische Zufuhr zu einem Abgasauslass
zugeführt
wird. Auf Grund des Verlustes an pneumatischem Druck in jeden der
elektromagnetisch betriebenen Ventile 1 und 2 entdecken
die Druckschalter PS1 und PS2 einen Abfall des Drucks und schließen ihre
jeweiligen Kontakte.
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Während in
einem 2 aus 2-D Modus gearbeitet wird, wird die Fähigkeit
einen Sicherheitsvorgang zu initiieren (d. h. ein Ablassen oder
Isolieren des Prozessfluids) nie durch ein Testen beeinträchtigt,
da jedes der elektromagnetisch betriebenen Ventile 1 und 2 sofort
zu jedem Zeitpunkt während
des Zyklus abgeschaltet werden könnte.
Anders als bei vorbekannten 2 aus 2 Konfigurationen wird daher kein
Umgehen der Einheit vor der Initiierung des Testens benötigt.
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Die
1 aus 1-HS Konfiguration verwendet dieselbe Einheit wie die 2 aus
2-D Konfiguration, aber der Betriebsmodus ist deutlich unterschiedlich.
In diesem Modus wird ein elektrornagnetisch betriebenes Ventil durch
eine elektromotorische Kraft betätigt,
die mittels des Logiksteuerungssystems oder eines Rechners bereitgestellt
wird, während
normaler Betriebszustände,
während
das andere elektromagnetisch betriebene Ventil ausgeschaltet und
in einem Standbyzustand verbleibt. Jedes der elektromagnetisch betriebenen
Ventile könnte
in dem eingeschalteten Zustand sein, während das andere in einem ausgeschalteten
Standby-Zustand ist. Die Wahl, welcher Elektromagnet eingeschaltet
ist und welcher im Standbymodus ist, kann abwechselnd vorgenommen werden
oder auf andere Weise über
die Zeit variiert werden.
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Wenn
das elektromagnetisch betriebene Ventil 1 fehlerhaft ist
und beispielsweise einen Spulenfehler erfährt, wird das elektrornagnetisch
betriebene Ventil 1 einen Sicherheitsvorgang initiieren
und zu einem Ablasszustand übergehen.
Der Druckschalter PS1 schließt
dann in Antwort auf den Abfall des Drucks die pneumatische Zufuhr.
Das Logiksteuerungssystem oder der Rechner, welcher die Information
des Druckschalters von denn Druckschalter PS empfängt, entdeckt,
dass das elektrornagnetisch betriebene Ventil 1 unbeabsichtigt
in einen Ablasszustand übergegangen
ist (d. h. eine Fehlerentdeckung). Das Logiksteuerungssystem oder
der Rechner schaltet dann das elektrornagnetisch betriebene Ventil 2 ein,
wodurch das Fluid oder die pneumatische Zufuhr dem Anlagensystem
zugeführt
wird, bzw. den Komponenten aus denen dieses besteht. Auf diese Weise
wird eine unbeabsichtigte Initiierung des Sicherheitsvorgangs abgebrochen
und die Anlagensystemzuverlässigkeit
wird daher erhöht.
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In
der Einheit ist auch ein Bypassventil vorgesehen, dass durch einen
Schalter betätigt
wird und welches beispielsweise einen Schlüsselschalter aufweist, für einen
sicheren manuellen Betrieb. Die Bypassfunktion wird bereitgestellt,
um eine Wartung der Einheit ohne ein Unterbrechen des Anlagensystems zu
ermöglichen.
Dieser Aspekt der Erfindung umfasst ein Bypassventil 3,
welches die pneumatische Zufuhr direkt zu dem gewünschten
Anlagensystem oder einer damit verbundenen Komponente leitet. Der
Zustand des Bypassventils 3 wird durch den Druckschalter
PS3 detektiert. Wenn das Bypassventil 3 in die Bypassposition
bewegt oder gesetzt wird, öffnet Druckschalter
PS3 und zeigt dem Rechner oder Logiksteuerungssystem an, dass die
Einheit im Bypassmodus ist. Ein derartiges umgehen wird nur für Wartungsarbeiten
benötigt,
so dass der Zugriffsverlust auf den Sicherheitsvorgang minimiert
wird.
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Wenn
Diagnoseinformationen, die mit der Leistung des Sicherheitsvorgangs
verbunden ist, gewünscht
sind, kann eine teilweise Bewegung des Prozessventils ausgeführt werden,
um nachzuweisen, dass das Prozessventil in der Lage ist, in den
sicheren Zustand betätigt
zu werden. Jeder der Betriebsmoden 2 aus 2-D und 1 aus
1-HS bietet die Möglichkeit
den Test der Leistung des Sicherheitsvorgangs durchzuführen.
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Für eine weiter
erhöhte
Sicherheit und Zuverlässigkeit
wird der Vorrichtung ein redundantes Steuerungssystem hinzugefügt. In einer
momentan bevorzugten Ausführungsform
umfasst das redundante Steuerungssystem eine Mehrzahl von luftbetätigten Ventilaktuatoren,
die in der Lage sind das Ventil selbst im Fall einer versagenden
Spule o. ä.
zu betätigen.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass wenn bekannte Prozessventile luftbetätigte Fail-last
Positions- Aktuatoren verwenden, der Luftdruck an einer Seite des
Aktuators aufgewandt wird, während
gesammelter Druck auf der anderen Seite des Aktuators abgelassen
wird, wodurch das Ventil zu entweder einer offenen oder einer geschlossenen
Position bewegt wird, so dass die Notwendigkeit für eine elektronische
Betätigung
der Ventile vermieden wird. Doppelt wirkende elektromagnetisch betriebene
Ventilvorrichtungen mit luftbetriebenen Fail Last Positions-Aktuatoren
sind allerdings bisher nicht bekannt.
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Nun
Bezug nehmend auf die beispielhaften Ausführungsformen die in 2 gezeigt
sind, wird eine doppelt wirkende elektromagnetisch betriebene Ventilvorrichtung
mit luftbetriebenen Ventilaktuatoren gezeigt, umfassend ein erstes,
durch einen Elektromagnet angetriebenes Ventil 1 und ein
zweites, durch einen Elektromagnet angetriebenes Ventil 2;
ein Bypassventil 3, eine Mehrzahl von Druckschaltern PS1, PS2
und PS3, umfassend einen ersten Druckschalter PS1 in Fluidkommunikation
mit dem ersten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 1 ist,
einen zweiten Druckschalter PS2 in Fluidkombination mit dem zweiten, durch
einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 2 ist, und einen
dritten Druckschalter PS3 in Fluidkommunikation mit dem Bypassventil 3.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind eines oder mehrere der elektromagnetisch betriebenen Ventile 1 und 2 und
das Bypassventil 3 mit luftbetriebenen Positionsaktuatoren
ausgerüstet,
so dass die Ventile mittels Luftdruck von der Luftzufuhr 7 betätigt werden
können,
selbst in dem Fall eines Spulenversagens o. Ä. In anderen Ausführungsformen verlassen
sich die elektromagnetisch betriebenen Ventile ausschließlich auf
die luftbetriebenen Aktuatoren, und Spulen u. ä. sind in dem System nicht
vorgesehen. In noch weiteren Ausführungsformen sind alle oder
einige der oben beschriebenen Komponenten mittels eines Logiksteuerungssystems
gesteuert, dass innerhalb eines redundanten Steuerungssystems 5 oder
sonst wo in der Einheit angeordnet ist.
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Die
Luftzufuhr 7 ist so angeordnet, um dem Bypassventil 3 über einen
Lufteinlass 8 Druck zuzuführen; und da jedes der elektromagnetisch
betriebenen Ventile 1 und 2 in Fluidkommunikation
mit dem Bypassventil 3 ist, wird die Luftzufuhr 7 auch über den
Lufteinlass 8 zu den elektrornagnetisch betriebenen Ventilen
zugeführt,
obwohl in anderen Ausführungsformen
die Luftzufuhr 7 den elektromagnetisch betriebenen Ventilen 1 und 2 mittels
anderer Lufteinlässe
zugeführt
werden kann. Gemäß einer
Ausführungsform
hat die Vorrichtung auch noch ein redundantes Steuerungssystem 5 zum Überwachen
und Steuern von Signalen, die von Verbindern C1 und C2 gesendet
und empfangen werden. In manchen Ausführungsformen umfasst das redundante
Steuerungssystem 5 ein Logiksteuerungssystem, welches die
Signale, die durch die Verbinder C1 und C2 gesendet werden, überwacht
und steuert. Das redundante Steuerungssystem 5 steht außerdem in
Kommunikation mit einem Prozessventil 6 und funktioniert im
Wesentlichen als ein Schalter, so dass ein Sicherheitsvorgang, falls
notwendig, immer noch während des
Testens der elektromagnetisch betriebenen Ventile und des Bypassventils
initiiert werden kann. Außerdem
kann ein teilweiser Sicherheitsvorgang initiiert werden um zu testen
ob Prozessventil 6 in der Lage ist, während eines Sicherheitsvorgangs
zu öffnen
(oder zu schließen).
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Die
in 2 gezeigte Ausführungsform zeigt Prozessventil 6 in
einem geschlossenen Zustand angeordnet, wobei angenommen wird, dass
ein geschlossener Zustand auch der Sicherheitszustand des Prozessventils 6 ist.
In Ausführungsformen
in denen ein Sicherheitszustand des Ventils offen ist, sind die
Verbindungen der Ventilaktuatoren von dem redundanten Steuerungssystem 5 (d.
h., als Verbinder C1 und C2 gezeigt) umgekehrt. Die Ausführungsform von 2 zeigt
außerdem,
das erste, durch einen Elektromagneten angetriebene Ventil 1 und
das zweite, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 2 in
einem eingeschalteten Zustand angeordnet, während das Bypassventil 3 in
einem normalen (d. h. nicht Bypass) Zustand angeordnet ist.
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Nun
Bezug nehmend auf die 3 verbleibt das Bypassventil 3 in
einem normalen Zustand, um einen Test der Einheit in einem doppelt
wirkenden Energize-To-Trip
Diagnose Modus durchzuführen, während jedes
der elektromagnetisch betriebenen Ventile 1 und 2 durch
die Luftzufuhr 7 in Antwort auf ein Steuerungssignal eingeschaltet
verbleibt, wie es z. B. durch ein Logiksteuerungssystem ausgegeben werden
kann, dass in elektrischer Verbindung mit dem redundanten Steuerungssystem 5 angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen
existiert kein Logiksystem oder das Logiksystem ist ausgeschaltet und
das Einschaltsteuerungssignal wird stattdessen von einer externen
Quelle bereitgestellt (z. B. kann das Signal für die Luftzufuhr 7,
um das erste, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 1 und
das zweite, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 2 einzuschalten
manuell von einem Anwender bereitgestellt werden). Der Kontaktstatus
des ersten Druckschalters PS1 und des zweiten Druckschalters PS2
(die dem ersten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 1 und
dem zweiten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 2 jeweils
zugeordnet sind) werden dann überprüft und,
angenommen dass die Vorrichtung korrekt funktioniert, wird jedes
einen geschlossenen Status bestätigen.
Ebenso wird der dritte Druckschalter PS3 (der dem Bypassventil 3 zugeordnet
ist) überprüft und sichergestellt, dass
auch dieser einen geschlossenen Status bestätigt.
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Nach
Ausschalten jedes elektromagnetisch betriebenen Ventils 1 und 2,
während
das Bypassventil 3 in einem normalen Zustand verbleibt
(z. B. in dem die Inhalte des ersten, durch einen Elektromagnet
angetriebenen Ventils 1 und des zweiten, durch einen Elektromagnet
betriebenen Ventils 2 aus der Einheit durch ein Abgas-Auslass 4 ausgelassen
werden) kann der Status der Drucksensoren PS1 und PS2 wiederum überprüft werden,
und sichergestellt werden, dass sie einen offenen Status aufweisen. Der
Druckschalter PS3 wird wiederum überprüft und, da
das Bypassventil 3 immer noch in einem normalen Zustand
gehalten ist, und die Einheit korrekt arbeitet, wird auch der Druckschalter
PS3 einen geschlossenen Status bestätigen. Es ist wichtig zu wissen,
dass durch Ablassen des Luftdrucks, der sich innerhalb des ersten,
durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventils 1 und des
zweiten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventils 2 angesammelt
hat, über
den Abgasauslass 4 an eine externe Umgebung, das Prozessventil 6 verschlossen
bleibt, so dass ein zugehöriges
Anlagensystem o. ä.
online verbleibt, selbst wenn ein Test ausgeführt wird. Allerdings kann das
Bypassventil 3 immer noch jederzeit in einen offenen Zustand
bewegt werden, so dass ein Sicherheitsvorgang erzeugt werden kann,
wenn die Einheit aus irgendeinem Grund versagen sollte oder wenn
ein Test des Sicherheitsvorgangs gewünscht ist.
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Wenn
mit dem Testverfahren dann fortgesetzt wird, wird das zweite, durch
einen Elektromagnet angetriebene Ventil 2 eingeschaltet,
während
das erste, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 1 ausgeschaltet
verbleibt. Wie zuvor wird das Bypassventil 3 in einem normalen
Zustand gehalten, es sei denn ein Einheitenfehler liegt vor oder
ein Sicherheitsvorgangstest wird durchgeführt. Eine Überprüfung jedes Drucksensors PS2
und PS3 sollte einen geschlossenen Status bestätigen. Da das erste, durch
einen Elektromagnet angetriebene Ventil 1 nicht eingeschaltet
wurde, sollte eine Uberprüfung des
Drucksensors PS1 einen offenen Statuszustand bestätigen. Durch
Umkehren dieses Zustandes und Einschalten des ersten, durch einen
Elektromagnet angetriebenen Ventils 1, während das
zweite, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 2 ausgeschaltet
wird und unter Beibehalten des Bypassventils 3 in einem
normalen Zustand, wird der Kontaktstatus des ersten Drucksensors
PS und des zweiten Drucksensors PS2 ebenfalls umgekehrt. Insbesondere
sollten sowohl der erste Drucksensor PS1 als auch der dritte Drucksensor
PS3 (die jeweils dem ersten durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 1 bzw.
dem Bypassventil 3 zugeordnet sind) nun einen geschlossenen
Status wiedergeben, während
der zweite Drucksensor PS2 (der dem zweiten, durch einen Elektromagnet
angetriebenen Ventil 2 zugeordnet ist) einen offenen Zustand
anzeigen sollte.
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Letztendlich,
nach dem Wiedereinschalten von sowohl dem ersten, durch einen Elektromagnet betriebenen
Ventil 1 und dem zweiten, durch einen Elektromagnet betriebenen
Ventil 2 und dem anschließenden Ändern des Zustandes des Bypassventils 3 von
einem normalen Zustand zu einem aktiven Zustand, werden sowohl der
zweite Drucksensor PS2 als auch der dritte Drucksensor PS3 (die
jeweils dem zweiten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 2 bzw.
dem Bypassventil 3 zugeordnet sind) einen offenen Status
wiedergeben, während der
erste Drucksensor PS1 (der dem ersten, durch einen Elektromagnet
angetriebenen Ventil 1 zugeordnet ist) einen geschlossenen
Status wiedergeben wird. Auf diese Weise können sowohl das erste, durch
einen Elektromagnet angetriebene Ventil 1, das zweite,
durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 2 und das
Bypassventil 3 sicher und genau getestet oder einer Wartung
unterzogen werden, ohne das Anlagensystem, mit dem die Einheit verbunden ist,
zu unterbrechen.
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Wie
angegeben wird die Bypassfunktion insbesondere bereitgestellt, um
ein Testen und Warten der Einheit ohne ein Unterbrechen des zugehörigen Anlagensystems
zu bieten. Der Zustand des Bypassventils 3 wird durch Druckschalter
PS3 erfasst, und wenn das Bypassventil 3 in die aktive
Position bewegt oder gesetzt wird, öffnet Druckschalter PS3 und zeigt
dem Logiksteuerungssystem oder dem Rechner an, dass die Einheit
im Bypassmodus ist. Allgemein wird ein Umgehen nur während der
Wartung durchgeführt,
so dass ein Verlust des Sicherheitsvorgangszugriffs effektiv minimiert
wird. Allerdings kann die Einheit auch verwendet werden, um die
Leistung der Sicherheitsfunktion zu testen, in dem nur eine kurze
oder teilweise Bewegung des Prozessventils 6 initiiert
wird, um so zu verifizieren, dass das Prozessventil 6 immer
noch in der Lage ist, in den Sicherheitszustand betätigt zu
werden, ohne das getestete Anlagensystem zu unterbrechen, und während Diagnoseinformationen
hinsichtlich des Sicherheitsvorgangs gesammelt werden.
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Nun
Bezug nehmend auf die 4 und 5, verbleibt,
um einen online Test der Einheit in einem doppelt wirkenden de-Energize-To-Trip
Diagnose Modus durchführen
zu können,
das Bypassventil 3 in einem normalen Zustand, während die
elektromagnetisch betriebenen Ventile 1 und 2 durch
die Luftzufuhr 7 in Antwort auf ein Steuerungssignal eingeschaltet
werden. In Ausführungsformen,
in denen kein Logiksystem vorliegt oder in denen das Logiksystem
ausgeschaltet ist, wird das Einschaltsteuerungssignal von einer
externen Quelle bereitgestellt (z. B. kann das Signal für die Luftzufuhr 7,
um das erste, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 1 und
das zweite, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 2 einzuschalten,
manuell durch einen Anwender bereit gestellt werden). Dann werden
der Kontaktstatus des ersten Druckschalters PS1 und des zweiten
Druckschalters PS2 überprüft (die
dem ersten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 1 bzw.
dem zweiten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 2 zugeordnet
sind) und, angenommen dass die Vorrichtung korrekt funktioniert, bestätigt, dass
sie in einem offenen Zustand sind. Der dritte Druckschalter PS3
(der dem Bypassventil 3 zugeordnet ist) würde dann überprüft und bestätigt, dass
er in einem geschlossenen Status ist.
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Nach
dem Ausschalten von jedem elektromagnetisch betriebenen Ventil 1 und 2,
während
das Bypassventil 3 in einem normalen Zustand verbleibt (z.
B. in dem die Inhalte des ersten, durch einen Elektromagnet angetriebenen
Ventils 1 und des zweiten, durch einen Elektromagnet angetriebenen
Ventils 2 an eine externe Um gebung durch den Abgasauslass 4 ausgegeben
werden) werden der Zustand der Drucksensoren PS1 und PS2 überprüft und sichergestellt,
dass sie in einem geschlossenen Zustand sind. Solange wie das Bypassventil 3 in
einem normalen Zustand ist und die Einheit korrekt arbeitet, wird
der dritte Drucksensor PS3 einen geschlossenen Status bestätigen.
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Durch
Ablassen des Drucks, der sich innerhalb des ersten, durch einen
Elektromagnet angetriebenen Ventils 1 und des zweiten,
durch einen Elektromagneten angetriebenen Ventils 2 angesammelt hat
an eine externe Umgebung verbleibt das Prozessventil 6 in
einem geschlossenen Zustand, so dass ein zugehöriges Anlagensystem o. ä. online
verbleibt, selbst wenn Tests durchgeführt werden. Allerdings kann
das Bypassventil 3 immer noch zu jeder Zeit in einen aktiven
(Bypass) Zustand versetzt werden, so dass immer noch ein Sicherheitsvorgang
erzeugt werden kann, falls die Einheit aus irgendeinen Grund versagen
sollte, oder wenn ein Test des Sicherheitsvorgangs gewünscht ist.
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Weiter
wird dann das zweite, durch einen Elektromagneten angetriebene Ventil 2 wieder
eingeschaltet während
das erste, durch einen Elektromagneten angetriebene Ventil 1 ausgeschaltet
verbleibt. Wie zuvor wird das Bypassventil 3 in einem normalen Zustand
gehalten, es sei denn, ein Einheitenfehler läge vor oder ein Sicherheitsvorgangstest
würde durchgeführt. Eine Überprüfung der
ersten und dritten Drucksensoren PS1 und PS3 sollte einen geschlossenen
Kontaktstatus bestätigen,
wohin gegen der zweite Drucksensor PS2 einen offenen Kontaktzustand
haben sollte.
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Durch
Umkehren dieses Zustandes und Einschalten des ersten, durch einen
Elektromagneten angetriebenen Ventils 1, während das
zweite, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 2 ausgeschaltet
wird und unter Beibehaltung des Bypassventils 3 in einem
normalen Zustand, werden der Kontaktstatus des ersten Drucksensors
PS1 und des zweiten Drucksensors PS2 ebenfalls umgekehrt. Insbesondere
sollten sowohl der zweite Drucksensor PS2 als auch der dritte Drucksen sor
PS3 (die dem zweiten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 2 bzw.
dem Bypassventil 3 zugeordnet sind) nun einen geschlossenen
Kontaktstatus haben, während
der erste Drucksensor PS1 (der dem ersten, durch einen Elektromagnet
angetriebenen Ventil 1 zugeordnet ist) einen offenen Kontaktstatus
anzeigen sollte.
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Schließlich, nachdem
sowohl das erste, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 1 als auch
das zweite, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 2 wieder
eingeschaltet wurden und dann der Zustand des Bypassventils 3 von
einem normalen Zustand zu einem aktiven Zustand geändert wurde,
wodurch die Einheit zeitweise umgangen wird, werden sowohl der zweite
Drucksensor PS2 als auch der dritte Drucksensor PS3 (die dem zweiten, durch
einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 2 bzw. dem Bypassventil 3 zugeordnet
sind) einen offenen Kontaktstatus anzeigen, während der erste Drucksensor
PS1 (der dem ersten, durch einen Elektromagnet angetriebenen Ventil 1 zugeordnet
ist) einen geschlossenen Kontaktstatus hat.
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Auf
diese Weise können
sowohl das erste, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 1, das
zweite, durch einen Elektromagnet angetriebene Ventil 2 und
das Bypassventil 3, sicher und genau getestet oder einer
Wartung unterzogen werden, ohne dass eine Unterbrechung des Anlagensystems,
mit dem die Einheit verbunden ist, nötig wäre. Wie schon erwähnt wird
der Zustand des Bypassventils 3 durch den Druckschalter
PS3 festgestellt; wobei, wenn das Bypassventil 3 in die
aktive Position bewegt oder gesetzt wird, der Druckschalter PS3 öffnet und
dem Prozessor oder dem Logiksteuerungssystem anzeigt, dass die Einheit
im Bypassmodus ist. Um die Leistung des Sicherheitsvorgangs zu testen,
wird eine kurze oder teilweise Bewegung des Prozessventils 6 initiiert,
und es wird verifiziert, dass das Prozessventil 6 in der
Lage ist, in den Sicherheitszustand betätigt zu werden, ohne das getestete
Anlagensystem zu unterbrechen und während Diagnoseinformationen
hinsichtlich des Sicherheitsvorgangs gesammelt werden.
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Die
doppelt wirkenden Testmoden, die oben beschrieben wurden, bieten
einmalige, verbesserte variable Funktionalität und eine größere Bedienerflexibilität für luftbetätigte Fail-last
Positionsventile, als irgendwelche anderen bekannten elektromagnetisch betriebenen
Ventilkonfigurationen. Die überragenden Test-
und Wartungseigenschaften und die Fehlerentdeckungsfähigkeiten
der Einheit bieten eine maximale Sicherheitsverfügbarkeit während eine hohe Anlagensystemzuverlässigkeit
beibehalten wird.
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Die
vorhergehende detaillierte Beschreibung der Erfindung ist hauptsächlich für illustrative
Zwecke gedacht und soll nicht alle möglichen Aspekte der vorliegenden
Erfindung umfassen. Darüber
hinaus, wälzend
die Erfindung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform
gezeigt und beschrieben wurde, sollte es dem Fachmann klar sein,
dass die vorhergehende detaillierte Beschreibung und verschiedene
andere Modifikationen, Weglassungen und Hinzufügungen, solange die allgemeine
Form und die Details der Ausführungsform
beibehalten werden, vorgenommen werden können, ohne von entweder dem
Geist oder dem Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.