WO1998002685A1 - Einrichtung zum selbsttest pneumatischer antriebe sowie stellungsregler mit einer derartigen einrichtung - Google Patents
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- F16K37/0083—For recording or indicating the functioning of a valve in combination with test equipment by measuring valve parameters
Definitions
- the invention relates to a device for self-testing pneumatic drives according to the preamble of claim 1 and a positioner with such a device.
- a pneumatic drive is known from published patent application DE 36 37 068 AI. It is provided with a drive housing, a diaphragm plate movably mounted in it, rigidly connected to a drive rod, which can be pressurized with compressed air on one side, a spring arranged on the diaphragm plate against the action of the compressed air and arranged inside the drive housing, a position meider, who detects the position of the diaphragm plate, and with a valve for adjusting the air pressure on the diaphragm plate.
- a device for the self-test of the pneumatic drive is not described in the cited publication.
- the SIPART PS electropneumatic positioner from Siemens AG is used to control the position of a connected actuator, such as a valve or flap position, on pneumatic linear or part-turn actuators.
- a process controller or control system specifies a setpoint for the positioner via an interface, for example a digital Profibus connection or an analog 4-20 mA input, and the positioner then forces a corresponding corresponding setpoint on the actuator Position.
- the pressure in one drive chamber or, in the case of double-acting drives, in both drive chambers is changed until the predetermined position of the actuator is reached.
- the current position is detected with a displacement sensor, for example a conductive plastic potentiometer, and an actual value signal generated with the displacement sensor is fed to a microcontroller together with the setpoint.
- One valve is in the supply air branch to increase the air pressure in the chamber, another valve in the exhaust air branch and opens when the chamber is to be vented.
- This positioner has many special functions integrated, for example an alarm message is issued if a control valve is blocked or the air pressure in the supply network is too low. Further information on the SIPART PS positioner can be found, for example, in an information document published by Siemens AG with the order number E80001-V0343-A020.
- Single-acting pneumatic drives generally have several springs, which provide the counterforce to the pneumatic drive force required to reset the drive. If a spring breaks or the force of the springs diminishes over time due to corrosion, the drive will continue to work, but it may not be possible to ensure that a control valve operated with it is sealed. A further disturbance, e.g. B. if a spring breaks or the valve friction high, can lead to a total failure with serious consequences, since the drive may no longer be able to close a valve tightly in an emergency. Such failures have to be avoided through routine, preventive maintenance work, which is very complex.
- the invention has for its object to provide a device for the self-test of pneumatic drives, which enables early detection of damage with little effort, and to provide a positioner with such a device.
- the new device of the type mentioned at the outset has the features specified in the characterizing part of claim 1 and the new positioner has the features specified in the characterizing part of claim 3.
- Advantageous embodiments are described in the dependent claims.
- the invention has the advantage that, in addition to the position indicator and valve required in any case for a positioner for pneumatic drives, no additional sensors or actuators are required to adjust the air pressure.
- the new device takes advantage of the fact that if a spring fails or the spring force is reduced due to corrosion, a lower back pressure in the air pressure chamber is required for a balance of forces. If a setpoint jump for a lower back pressure is specified, a valve for supplying or discharging compressed air to the pressure chamber must also be actuated for a shorter time because due to the reduced spring constant, only a smaller change in pressure has to be generated. This reduces the response time of the drive element to valve actuation, ie the new setpoint is reached more quickly.
- a direct measurement of the spring force to diagnose the spring condition would be complex since it would require special force sensors in the drive housing.
- a poor condition of the springs could also be identified by comparing a measured pressure / displacement characteristic with a reference characteristic.
- a pressure transmitter and an evaluation device with an additional analog input would have to be provided for this diagnostic option.
- a force or pressure transmitter is not necessary in the device according to the invention.
- the start-up time can advantageously be evaluated for the self-test of pneumatic drives, ie the time which elapses in a previously depressurized chamber after opening the supply valve until a drive movement begins.
- the start and end pressure in the chamber are low and thus the difference between the air pressure in the supply network and the air pressure in the pressure chamber of the drive housing is maximum, so that fluctuations in the air pressure in the supply network have relatively little effect on the time measurement and this diagnostic method is almost independent of the supply pressure. Since the pressure difference changes only slightly during the time during which a gas stream flows from the supply network into the chamber, and the ratio of network pressure to chamber pressure is greater than the critical pressure ratio required for Air is about 2, the gas flow is also largely constant.
- the drive element is still stationary, the pressure and thus the resulting force on the springs increase linearly over time with a constant chamber volume.
- the start-up time until a movement of the drive element begins is therefore approximately proportional to the spring preload and almost independent of the pressure in the supply lines of the compressed air network.
- the device for the self-test can be implemented both with a hardware circuit and with software in a digital, microprocessor-controlled positioner.
- the implementation with a positioner has the advantage that no additional circuit parts are required, since time measuring devices are usually present as so-called timers in microprocessors.
- time measuring devices are usually present as so-called timers in microprocessors.
- a reaction time can be measured and saved as a reference value for a later self-test.
- This has the advantage that a positioner automatically adapts to different actuators, which may have different start-up times, without an operator having to enter these start-up times.
- FIG. 1 shows a block diagram of a drive with positioner and FIG. 2 shows a time diagram to explain the start-up time.
- a pneumatic drive has a drive housing 1 in which a drive element, here a diaphragm plate 2, is movably mounted.
- the drive element 2 is connected to a push rod 3, which is used to actuate, for example, a control valve not shown in FIG. 1.
- the underside of the diaphragm plate 2 forms, together with the lower part of the drive housing 1, a pressure chamber 7, which can be aerated via a feed line 8 and vented via a discharge line 15.
- a force Fu acts on the underside of the diaphragm plate 2.
- a position indicator 9 is provided, which is coupled to the push rod 3 via a position tap and supplies an electrically evaluable position signal 10 to a positioner 11.
- the positioner 11 opens or closes a piezo valve 12, which on one side has a line 13 of a compressed air supply network and the other side of which is connected to the feed line 8. If necessary, a further valve 14 can be provided for quick ventilation, which opens or closes the discharge line 15 to the surroundings.
- a display 16 is connected to the positioner 11 and serves to output current position values and error messages in the event of an error. In addition, test results can be displayed to a higher-level process control system via a bus interface, which is not shown in FIG. 1.
- the pneumatic drive Since the pneumatic drive is pressed into its end position due to the prestressing of the springs 4, 5 and 6, it remains there until the moment tl there is a balance of forces between the forces Fo on the upper side and the force Fu on the lower side of the diaphragm plate 2. With further supply of compressed air, the diaphragm plate 2 begins to move away from its end position, since the force Fu on the underside is greater than the preload Fv of the springs 4, 5 and 6. This beginning movement is detected by the position indicator 9 and the positioner 11 , which stops an internally running time measurement at the start of a movement. The time between opening the valve 12 at the time tO and the onset of movement of the push rod 3 at the time t1 is evaluated as the starting time ta.
- the measured value of the start-up time ta is stored in a memory within the positioner 11. Start-up times measured during later operation of the pneumatic actuator are compared with this stored reference value and monitored for impermissible deviations. If the start-up time has decreased considerably compared to the reference value, this is an indication of corroded or broken springs in the drive.
- the positioner 11 can similarly monitor the positional speed of the pneumatic drive and compare it with a speed / position characteristic curve stored as a reference. If the effect of the springs 4, 5 and 6 declines over time due to wear, then a predetermined change in position is achieved after a shorter opening time of the valve 12 or the valve 14, i. that is, the positioning speed increases.
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Abstract
Bei einer erfindungsgemässen Einrichtung wird die Reaktionszeit (ta) eines Antriebselements (2) auf eine Ventilbetätigung gemessen, mit einem abgespeicherten Referenzwert verglichen und von der Abweichung ein Testergebnis abgeleitet. Aus dem Ergebnis können Rückschlüsse über den Zustand von Federn (4, 5, 6) im Antriebsgehäuse (1) gewonnen werden. Die Erfindung wird angewandt bei pneumatischen Stellantrieben.
Description
Beschreibung
Einrichtung zum Selbsttest pneumatischer Antriebe sowie Stellungsregier mit einer derartigen Einrichtung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Selbsttest pneumatischer Antriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Stellungsregler mit einer derartigen Einrichtung.
Aus der Offenlegungsschrift DE 36 37 068 AI ist ein pneumatischer Antrieb bekannt. Er ist versehen mit einem Antriebs- gehäuse, einem darin beweglich gelagerten, mit einer An- triebsstange starr verbundenen Membranteller, der einseitig mit Druckluft beaufschlagbar ist, einer an dem Membranteller entgegen der Einwirkung der Druckluft angreifenden, innerhalb des Antriebsgehäuses angeordneten Feder, einem Stellungs- meider, der die Stellung des Membrantellers erfaßt, und mit einem Ventil zur Einstellung des Luftdrucks am Membranteller. Eine Einrichtung zum Selbsttest des pneumatischen Antriebs ist in der genannten Offenlegungsschrift nicht beschrieben.
Der elektropneumatische Stellungsregler SIPART PS der Siemens AG wird eingesetzt, um an pneumatischen Schub- oder Schwenkantrieben die Position eines angeschlossenen Stell- gliedes, beispielsweise eine Ventil- oder Klappenstellung, zu regeln. Von einem Prozeßregler- oder -leitsystem wird dem Stellungsregler über eine Schnittstelle, beispielsweise eine digitale Profibus-Anschaltung oder einen analogen 4 - 20 mA- Eingang, ein Sollwert vorgegeben, und der Stellungsregler er- zwingt am Antrieb dann eine diesem Sollwert entsprechende
Stellung. Der Druck in einer Antriebskammer oder bei doppeltwirkenden Antrieben in beiden Antriebskammern wird so lange verändert, bis die vorgegebene Position des Stellglieds erreicht ist . Dazu wird die aktuelle Position mit einem Weg- geber, beispielsweise einem Leitplastik-Potentiometer, erfaßt und ein mit dem Weggeber erzeugtes Istwertsignal zusammen mit dem Sollwert einem Mikrocontroller zugeführt. Dieser vergleicht beide Signale, bildet eine Regelabweichung und berechnet unter Berücksichtigung der Dynamik des pneumatischen Antriebs die erforderlichen Schaltreaktionen nachgeschalteter pneumatischer Ventile. Ein Ventil liegt im Zuluftzweig für eine Erhöhung des Luftdrucks der Kammer, ein anderes Ventil im Abluftzweig und öffnet, wenn die Kammer entlüftet werden soll . Dieser Stellungsregler hat viele Sonderfunktionen inte- griert, beispielsweise wird eine Alarmmeldung ausgegeben, wenn ein Stellventil blockiert oder der Luftdruck des Versorgungsnetzes zu gering ist . Weitere Informationen zum Stellungsregler SIPART PS können beispielsweise einer durch die Siemens AG veröffentlichten Informationsschrif mit der Bestellnummer E80001-V0343-A020 entnommen werden.
Einfach wirkende pneumatische Antriebe verfügen in der Regel über mehrere Federn, welche die für die Rückstellung des Antriebs erforderliche Gegenkraft zur pneumatischen Antriebs- kraft liefern. Bricht eine Feder oder läßt die Kraft der Federn durch Korrosion im Laufe der Zeit nach, so funktioniert der Antrieb zwar weiterhin, unter Umständen kann das Dicht- schließen eines damit betriebenen Stellventils aber nicht mehr sichergestellt werden. Eine weitergehende Störung, z. B. wenn noch eine Feder bricht oder sich die Ventilreibung er-
höht, kann zum Totalausfall mit schwerwiegenden Folgen führen, da der Antrieb ein Ventil möglicherweise in einer Notsituation nicht mehr dicht schließen kann. Derartige Ausfälle müssen durch routinemäßige, vorsorgliche Wartungsarbeiten, die sehr aufwendig sind, vermieden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Selbsttest pneumatischer Antriebe zu schaffen, die bei geringem Aufwand eine Schadenfrüherkennung ermöglicht, sowie einen Stellungsregler mit einer derartigen Einrichtung zu versehen.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Einrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An- spruchs 1 bzw. der neue Stellungsregler die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 3 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß neben dem ohnehin bei einem Stellungsregler für pneumatische Antriebe erforderlichen Stellungsmelder und Ventil zur Einstellung des Luftdrucks keine zusätzlichen Geber oder Stellglieder erforderlich sind. Bei der neuen Einrichtung wird die Tatsache aus- genutzt, daß bei Ausfall einer Feder oder Verringerung der Federkraft durch Korrosion ein geringerer Gegendruck in der Luftdruckkammer für ein Kräftegleichgewicht erforderlich ist. Bei Vorgabe eines Sollwertsprungs für einen geringeren Gegendruck muß ein Ventil zur Zu- oder Ableitung von Druckluft der Druckkammer auch eine kürzere Zeit betätigt werden, da auf-
grund der verringerten Federkonstante nur eine geringere Druckänderung erzeugt werden muß. Damit sinkt die Reaktionszeit des Antriebselements auf eine Ventilbetätigung, d. h. , der neue Sollwert wird schneller erreicht.
Eine direkte Messung der Federkraft zur Diagnose des Federzustands wäre aufwendig, da sie besondere Kraftsensoren im Antriebsgehäuse erfordern würde . Auch durch einen Vergleich einer gemessenen Druck/Weg-Kennlinie mit einer Referenz- Kennlinie könnte ein schlechter Zustand der Federn erkannt werden. Allerdings müßte für diese Diagnosemöglichkeit zusätzlich ein Druckgeber und eine Auswerteeinrichtung mit einem zusätzlichen Analogeingang vorgesehen werden. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist dagegen ein Kraft- oder Druckgeber nicht nötig.
In vorteilhafter Weise kann zum Selbsttest pneumatischer Antriebe die Anlaufzeit ausgewertet werden, d. h. die Zeit, die bei zuvor druckloser Kammer nach dem Öffnen des Zulei- tungsventils bis zum Einsetzen einer Antriebsbewegung vergeht . Bei dieser Messung sind Anfang- und Enddruck in der Kammer gering und somit die Differenz zwischen dem Luftdruck im Versorgungsnetz und dem Luftdruck in der Druckkammer des Antriebsgehäuses maximal, so daß sich Schwankungen des Luft- druckes im Versorgungsnetz relativ wenig auf die Zeitmessung auswirken und diese Diagnosemethode nahezu unabhängig vom Versorgungsdruck ist. Da sich die Druckdifferenz in der Zeit, während der ein Gasstrom vom Versorgungsnetz in die Kammer fließt, nur wenig ändert und das Verhältnis von Netz- zu Kammerdruck größer als das kritische Druckverhältnis, das für
Luft etwa 2 beträgt, ist, ist auch der Gasstrom weitgehend konstant . Während der Anlaufzeit steht das Antriebselement noch still, der Druck und damit auch die resultierende Kraft auf die Federn steigen bei konstantem Kammervolumen mit der Zeit linear an. Die Anlaufzeit bis zum Einsetzen einer Bewegung des Antriebselements ist daher etwa proportional zur Federvorspannung und nahezu unabhängig vom Druck in den Versorgungsleitungen des Preßluftnetzes.
Eine Realisierung der Einrichtung zum Selbsttest kann sowohl mit einer Hardwareschaltung als auch durch- Software in einem digitalen, mikroprozessorgesteuerten Stellungsregler erfolgen. Die Realisierung mit einem Stellungsregler hat den Vorteil, daß keinerlei zusätzliche Schaltungsteile benötigt werden, da Zeitmeßeinrichtungen als sogenannte Timer in Mikroprozessoren meist vorhanden sind. Bei der ersten Inbetriebnahme eines Stellungsreglers an einem pneumatischen Stellantrieb kann eine Reaktionszeit gemessen und als Referenzwert für einen späteren Selbsttest abgespeichert werden. Dies hat den Vorteil, daß ein Stellungsregler sich selbsttätig an verschiedene Stellantriebe, die unter Umständen verschiedene Anlaufzeiten aufweisen, anpaßt, ohne daß ein Bediener diese Anlaufzeiten eingeben müßte.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen: Figur l ein Blockschaltbild eines Antriebs mit Stellungs- regier und Figur 2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Anlaufzeit.
Ein pneumatischer Antrieb weist ein Antriebsgehäuse 1 auf, in dem ein Antriebselement, hier ein Membranteller 2, beweglich gelagert ist . Das Antriebselement 2 ist mit einer Schubstange 3 verbunden, die zur Betätigung beispielsweise eines in der Figur 1 nicht dargestellten Stellventils dient. Auf der Oberseite des Membrantellers 2 befinden sich innerhalb des Antriebsgehäuses 1 drei Federn 4, 5 und 6, die auf den Membranteller 2 eine Druckkraft Fo ausüben. Die Unterseite des Membrantellers 2 bildet zusammen mit dem Unterteil des An- triebsgehäuses 1 eine Druckkammer 7, die über eine Zuleitung 8 be- und über eine Ableitung 15 entlüftet werden kann. In Abhängigkeit von dem in der Druckkammer 7 herrschenden Druck wirkt eine Kraft Fu auf die Unterseite des Membrantellers 2. Für statische Zustände befindet sich das Antriebs- element im Kräftegleichgewicht, d. h., die Kraft Fu auf die Unterseite und die Kraft Fo auf die Oberseite des Membrantellers 2 sind gleich groß, wenn man von der durch die Schubstange 3 einwirkenden Kraft einmal absieht. Zur Erfassung der aktuellen Position der Schubstange 3 ist ein Stellungsmelder 9 vorgesehen, der über einen Stellungsabgriff mit der Schubstange 3 gekoppelt ist und ein elektrisch auswertbares Stellungssignal 10 an einen Stellungsregler 11 liefert. Zur Betätigung des pneumatischen Antriebs öffnet oder schließt der Stellungsregler 11 ein Piezoventil 12, das auf der einen Seite mit einer Leitung 13 eines Druckluftversorgungsnetzes
und dessen andere Seite mit der Zuleitung 8 verbunden ist. Gegebenenfalls kann ein weiteres Ventil 14 zur schnellen Entlüftung vorgesehen sein, das die Ableitung 15 zur Umgebung hin öffnet oder schließt. An den Stellungsregler 11 ist eine Anzeige 16 angeschlossen, die zur Ausgabe aktueller Stellungswerte sowie von Fehlermeldungen im Fehlerfall dient . Zusätzlich können Testergebnisse über eine Busschnittstelle, die in Figur 1 nicht dargestellt ist, einem übergeordneten Prozeßleitsystem angezeigt werden.
Anhand Figur 2 soll nun die Messung einer Anlaufzeit ta verdeutlicht werden. Bei zuvor entlüfteter Druckkammer 7 (Figur 1) , d. h. wenn das Piezoventil 14 geöffnet war, wird das Piezoventil 14 geschlossen und zum Zeitpunkt tO das Piezoventil 12 geöffnet, so daß ein Gasstrom in die Druckkammer 7 zu fließen beginnt. Entsprechend der Kurve 17 in Figur 2 steigt der Druck in der Druckkammer 7 und damit die auf die Unterseite des Membrantellerε 2 wirkende Kraft Fu im wesentlichen linear an. Da der pneumatische Antrieb aufgrund der Vorspannung der Federn 4, 5 und 6 in seine Endlage gedrückt wird, verharrt er dort, bis zum Zeitpunkt tl ein Kräftegleichgewicht zwischen den Kräften Fo auf der Oberseite und der Kraft Fu auf der Unterseite des Membrantellers 2 herrscht . Bei weiterer Zuleitung von Druckluft beginnt der Membranteller 2 sich aus seiner Endlage zu entfernen, da die Kraft Fu auf der Unterseite größer wird als die Vorspannung Fv der Federn 4 , 5 und 6. Diese beginnende Bewegung wird von dem Stellungsmelder 9 erfaßt und dem Stellungsregler 11, der bei Beginn einer Bewegung eine intern laufende Zeitmessung stoppt, angezeigt. Die Zeitdauer zwischen Öffnen des Ventils
12 zum Zeitpunkt tO und einsetzender Bewegung der Schubstange 3 zum Zeitpunkt tl wird als Anlaufzeit ta ausgewertet. Bei der ersten Inbetriebnahme des Stellungsreglers 11 wird der gemessene Wert der Anlaufzeit ta in einem Speicher innerhalb des Stellungsreglers 11 abgelegt. Im späteren Betrieb des pneumatischen Stellantriebs gemessene Anlaufzeiten werden mit diesem abgespeicherten Referenzwert verglichen und auf unzulässige Abweichungen überwacht. Hat sich die Anlaufzeit gegenüber dem Referenzwert erheblich verringert, so ist dies ein Anzeichen für korrodierte oder gebrochene Federn im Antrieb .
Anstelle der Anlaufzeit ta kann durch den Stellungsregler 11 in ähnlicher Weise auch die Stellgeschwindigkeit des pneu- matischen Antriebs überwacht und mit einer als Referenz abgespeicherten Geschwindigkeits/Stellungs-Kennlinie verglichen werden. Fällt die Wirkung der Federn 4, 5 und 6 durch Verschleiß mit der Zeit ab, so wird eine vorgegebene Stellungsänderung bereits nach einer kürzeren Öffnungszeit des Ventils 12 oder des Ventils 14 erreicnt, d. h., die Stellgeschwindigkeit erhöht sich.
Claims
1. Einrichtung zum Selbsttest pneumatischer Antriebe mit einem Antriebsgehäuse (1) , einem darin beweglich gelagerten, mit einem Betätigungsmittel, insbesondere einer Schubstange (3) für ein Stellventil, verbundenen Antriebselement, insbesondere einem Membranteller (2) oder einem Kolben, das zumindest einseitig mit einem einstellbaren Luftdruck beaufschlagbar ist, mit mindestens einer an dem Antriebselement (2) entgegen der Einwirkung des Luftdrucks angreifenden, innerhalb des Antriebsgehäuses (1) angeordneten Feder (4, 5, 6), mit einem Stellungsmelder (9), der direkt oder indirekt die Stellung des Antriebselements (2) erfaßt, und mit zumindest einem Ventil (12, 14) zur Einstellung des Luft- drucks am Antriebselement (2) durch Zu- oder Ableitung von Druckluft, gekennzeichne durch:
- eine Zeitmeßeinrichtung (11) , mit welcher die Reaktionszeit (ta) des Antriebselements auf eine Ventilbetätigung meßbar ist,
- eine Auswerteeinrichtung (11) , mit welcher eine gemessene Reaktionszeit (ta) mit einem Referenzwert zur Ermittlung einer Abweichung vergleichbar und von der Abweichung ein Testergebnis ableitbar ist, und - eine Einrichtung zur Anzeige des Testergebnisses.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Reaktionszeit (ta) die Zeit ist, die vergeht, bis das Antriebselement (2) nach einer Zuleitung von Druckluft beginnt, sich aus einer Endlage, die es bei einem drucklosen Zustand des Antriebs einnimmt, zu entfernen.
3. Stellungsregler mit einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Selbsttest in den Stellungsregler (11) des pneumatischen Antriebs integriert ist .
4. Stellungsregler nach Anspruch 3, dadurch gekenn - zeichnet, daß in einem Inbetriebnahmemodus des Stellungsreglers (11) eine gemessene Reaktionszeit (ta) als Referenz- wert für einen späteren Selbsttest abspeicherbar ist.
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