WO2007099057A2

WO2007099057A2 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung, diagnose oder justage eines stellglieds zur betätigung einer armatur

Info

Publication number: WO2007099057A2
Application number: PCT/EP2007/051727
Authority: WO
Inventors: Thomas Weber
Original assignee: Auma Riester GmbH and Co KG
Current assignee: Auma Riester GmbH and Co KG
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2007-09-07
Anticipated expiration: 2008-08-28
Also published as: WO2007099057A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung oder Diagnose von zumindest einer Komponente eines Stellglieds (1) zur Betätigung einer Armatur (8) in der Prozess- oder Verfahrenstechnik, wobei zumindest ein aktueller Istwert der Beschleunigung einer beschleunigten Masse in zumindest einer definierten Raumachse (x, y, z) erfasst wird, wobei der ermittelte Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und wobei im Falle einer außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegenden Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert eine Meldung über eine Fehlfunktion einer System- und/oder Prozessgröße generiert wird.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung, Diagnose oder Justage eines Stellglieds zur Betätigung einer Armatur

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung, Diagnose oder Justage eines Stellgliedes oder von zumindest einer Komponente eines Stellgliedes zur Betätigung einer Armatur in der Prozess- oder Verfahrenstechnik.

[0002] Das Stellglied zur Betätigung einer Armatur setzt sich üblicherweise zusammen aus einem Stellantrieb mit ggf. einer elektrischen Steuerung und der Armatur. Bei der Armatur handelt es sich beispielsweise um ein Ventil, einen Schieber, eine Drossel oder eine Klappe. In Abhängigkeit von der Armatur entspricht der von dem Stellantrieb durchgeführte Verstellvorgang einer Dreh-, Schiebe- oder Schwenkbewegung. Darüber hinaus kann es sich bei dem Stellantrieb um einen Stellantrieb ohne Steuerung, um einen Stellantrieb mit integrierter Steuerung, um einen Stellantrieb mit angebauter Steuerung oder um einen Stellantrieb mit einer separaten Steuerung handeln.

[0003] In der Prozess- und Verfahrenstechnik sind Stellantriebe für Armaturen dahingehend ausgelegt, dass sie bei niedrigen Drehzahlen (4 - 180 U/min) hohe Drehmomente (30 - 500.000 Nm) übertragen können, wobei das übertragene Drehmoment auch bei geringen Dreh winkeln eine hohe Konstanz aufweisen muss.

[0004] Elektrische Stellantriebe zur Steuerung und/oder Regelung von Armaturen sind aus der Prozessautomatisierung nicht mehr wegzudenken. Bei bekannten Stellantrieben erfolgt die Drehmomentübertragung zwischen einem Elektromotor und der Armatur über ein Untersetzungsgetriebe, welches je nach Anwendungsfall sehr unterschiedlich ausgestaltet ist. Das Unter-setzungsgetriebe ist notwendig, um die hohe Drehzahl des Elektromotors in die gewünschte Abtriebsdrehzahl zur Betätigung der Armatur umzusetzen. Als Untersetzungsgetriebe können unterschiedliche Getriebe eingesetzt werden. Beispielhaft seien ein Kegelrad- oder Stirnradgetriebe, ein Schneckengetriebe, ein Überlagerungsgetriebe oder ein Hebelgetriebe genannt. Von der Anmelderin werden Stellantriebe angeboten und vertrieben, die auf unterschiedlichste Anforderungen abgestimmt sind. So reicht der Drehmomentbereich bei Drehantrieben bis zu einem Drehmoment von 32.000 Nm; bei Schwenkantrieben lassen sich Drehmomente bis zu 500.000 Nm realisieren.

[0005] Im Folgenden wird beispielhaft das Konstruktionsprinzip eines bekannten

Stellantriebs beschrieben: Zur Untersetzung der Drehzahl des Elektromotors in die Abtriebsdrehzahl, mit der die Armatur betätigt wird, wird in Verbindung mit einem Planetengetriebe ein Schneckengetriebe mit Schneckenwelle, Schnecke und kämmendem Schneckenrad eingesetzt. Um sicherzustellen, dass das Schneckengetriebe bei Stillstand des Elektromotors in der gewünschten Ruheposition verbleibt, weist das Schneckengetriebe eine Selbsthemmung auf. Schneckenwelle und Abtriebshohl welle mit Schneckenrad laufen üblicherweise in Kugel- bzw. Trockengleitlagern. Der Getrieberaum ist mit Schmierstoff gefüllt, so dass ein wartungsfreier Betrieb des Getriebes über einen längeren Zeitraum sichergestellt ist.

[0006] Die Schneckenwelle ist verschiebbar zwischen zwei Messfederpaketen auf der Schneckenwelle angeordnet, so dass die Schnecke bei einem zu übertragenden Drehmoment eine translatorische Bewegung relativ zu der Schneckenwelle erfährt. Diese Verschiebung, die ein Maß für das übertragende Drehmoment ist, wird an eine Steuerung weitergeleitet.

[0007] Je nach Konstruktionsart der Armatur muss der Stellantrieb in den Endlagen weg- oder drehmomentabhängig abgeschaltet werden. Hierfür sind im Stellantrieb üblicherweise zwei unabhängige Messsysteme, nämlich eine Weg- und eine Drehmomenterfassung vorgesehen, die den durchfahrenen Stellweg bzw. das an der Abtriebswelle anliegende Drehmoment messen. Das Erreichen einer gewünschten Position oder eines bestimmten Drehmoments wird an die Steuerung signalisiert, die in Folge den Elektromotor ausschaltet.

[0008] Um einen in der Prozessautomatisierung vorgegebenen Sicherheitsstandard zu erfüllen, muss der Stellantrieb im Notfall über ein separat betätigbares Stellrad betrieben werden können. Dieses Stellrad kommt darüber hinaus auch beispielsweise bei der Inbetriebnahme des Stellantriebs zum Einsatz. Bei dem Stellrad handelt es sich üblicherweise um ein Handrad, das manuell vom Bedienpersonal betätigt wird, wodurch die Armatur in eine gewünschte Position gebracht wird.

[0009] Zwecks Trennung von Handbetrieb und Motorbetrieb ist ein Kupplungsmechanismus vorgesehen. Der Kupplungsmechanismus ist üblicherweise so ausgestaltet und/oder angeordnet, dass im Motorbetrieb der Rotor mit der Abtriebswelle direkt gekuppelt und das Stellrad ausgekuppelt ist, während im Handbetrieb die Abtriebswelle mit dem Stellrad gekuppelt und der Rotor ausgekuppelt ist. Hierdurch ist eine Trennung zwischen Motorbetrieb und Handbetrieb möglich. Insbesondere ist der Kupplungsmechanismus derart ausgestaltet, dass das Stellrad auch automatisch von der Rotorwelle ausgekuppelt wird, sobald der Stellantrieb im Motorbetrieb arbeitet - der Motorbetrieb hat also Vorrang vor dem Handbetrieb. Entsprechende Stellantriebe werden von der Anmelderin angeboten und vertrieben.

[0010] Darüber hinaus ist aus der DE 10 2004 048 366 Al ein Direktantrieb bekannt geworden, bei dem auf das Untersetzungsgetriebe gänzlich verzichtet werden kann. Hier sind der Stator und der Rotor des Elektromotors unmittelbar - also ohne zwischengeschaltetes Untersetzungsgetriebe - in vorgegebenen Bereichen der Abtriebswelle, die mit der Armatur verbunden ist, zugeordnet.

[0011] Stellglieder sind während ihres bestimmungsgemäßen Einsatzes einer Vielzahl von Störeinflüssen ausgesetzt. Insbesondere mechanische Störeinflüsse führen dazu, dass das Stellglied bzw. einzelne Komponenten des Stellgliedes in Schwingungen versetzt werden und Vibrationen auftreten. Dadurch kann das Stellglied in seiner Funktion eingeschränkt werden. Erfahrungsgemäß sind Vibrationen im Bereich von 90-180 Hz besonders gefährlich, da hier Resonanzeffekte auftreten können. Im schlimmsten Fall führen derartige Störeinflüsse zu einer Zerstörung des Stellglieds bzw. einer Komponente des Stellgliedes. Ausgelöst werden die Vibrationen durch Erschütterungen in der näheren oder weiteren Umgebung des Stellglieds. Beispielhaft sei der Störeinfluß einer Pumpe genannt, die ebenso wie das Stellglied in der Prozessanlage eingebaut ist.

[0012] Vibrationen am Stellglied - und hier insbesondere an der Armatur - können weiterhin durch das Auftreten von sog. Kavitationen ausgelöst werden. Unter Kavitation ist die Bildung und Auflösung von Hohlräumen in Flüssigkeiten zu verstehen, die durch Druckunterschiede - hauptsächlich auf Grund von Querschnittsveränderungen in der Armatur - entstehen. Erklären lässt sich der Effekt mit Hilfe des Gesetzes von Bernoulli, nach dem der Druck in einer Flüssigkeit um so geringer ist, je höher ihre Geschwindigkeit ist. Wird die Geschwindigkeit der Flüssigkeit so hoch, dass der statische Druck unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit fällt, so bilden sich Dampf- oder Gasblasen in der Flüssigkeit. Mit dem Ansteigen des statischen Drucks kondensiert der Dampf in den Hohlräumen schlagartig. Damit einher gehen extreme Druckspitzen, wobei diese in der Umgebung angeordnete Komponenten des Stellgliedes oder das Stellglied selbst in mechanischen Schwingungen versetzen. An Teilen der Armatur kann es zu einer Erosion der Oberfläche kommen, was über kurz oder lang zu einer Fehlfunktion oder zu einem Ausfall der betroffenen Komponente führt.

[0013] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auftreten einer Fehlfunktion an einem Stellglied bzw. an einer Komponente des Stellgliedes frühzeitig zu erkennen.

[0014] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Istwert der Beschleunigung bzw. der Beschleunigungskraft einer beschleunigten Masse in einer Raumachse oder in mehreren Raumachsen erfasst wird, dass der Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und dass im Falle einer außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegenden Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert eine Meldung über eine Fehlfunktion des Stellgliedes oder der betroffenen Komponente des Stellgliedes (Systemgröße) oder ein sonstigen Prozessgröße generiert wird.

[0015] Als typische Fehlfunktion ist eine Vibrations Schwingung in der Umgebung des

Stellgliedes oder im Stellglied zu nennen. Hervorgerufen werden kann eine derartige Schwingung beispielsweise durch eine Pumpe, die eine periodische Pumpbewegung durchführt. Erfahrungsgemäß reagieren Stellglieder im Bereich von 90-180 Hz sehr empfindlich auf Vibrationen in Ihrer Umgebung, da hier die Steuerung mechanisch sehr belastet wird.

[0016] Eine typische prozessbedingte Fehlfunktion wird hervorgerufen durch

Kavitationen, wie sie u.U. in Armaturen auftreten. Kavitationen führen gleichfalls zu Vibrationen des Stellgliedes, bzw. hier der Armatur. Zudem bewirken sie innerhalb kürzester Zeit eine Erosion an der betroffenen Komponente.

[0017] Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung oder Diagnose eines Stellglieds in der Prozess- und Verfahrenstechnik, wobei in einem vorgegebenen Zeitintervall sukzessive in vorgegebenen Zeitschritten die Istwerte der Beschleunigung einer beschleunigten Masse in zumindest einer Raumachse erfasst werden und wobei eine Warnmeldung generiert wird, wenn sich die Istwerte der Beschleunigung innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls derart ändern, dass sie außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen. Anhand dieser Verfahrens schritte lässt sich über einen ausgedehnten Zeitraum das Auftreten und ggf. das sich ändernde Auftreten von Vibrationen an dem Stellglied bzw. an einzelnen Komponenten des Stellglieds erkennen; anschließend lassen sich Rückschlüsse auf die Ursache für die unerwünschten Vibrationen ziehen.

[0018] Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der

Einbauposition von zumindest einer Komponente eines Stellgliedes, wobei die Beschleunigung der Komponente des Stellgliedes in zumindest einer Raumachse bestimmt wird und wobei die Komponente des Stellgliedes so ausgerichtet wird, dass sie in einer vorgegebenen Raumachse eine vorgegebene Beschleunigung erfährt. Bei einer korrekten, vom Hersteller angegebenen Einbauposition ist die Lebensdauer des Stellgliedes maximal. Ist die Einbauposition verändert bzw. ändert sich die Einbauposition über die Zeit, so geht dies üblicherweise einher mit einer heruntergesetzten Lebensdauer des Stellgliedes.

[0019] Bei der korrekten Einbauposition des Stellantriebs ist beispielsweise stets genügend Schmiermittel im Getriebe, und der Stellantrieb kann z.B. 15 Millionen Schaltspiele erbringen. Ist der Stellantrieb hingegen über Kopf eingebaut, so erfolgt die Schmierung des Getriebes eingeschränkt und die Anzahl der möglichen Schaltspiele bzw. die Lebensdauer des Stellantriebs ist mitunter reduziert. Eine alternative Lösung besteht darin, dem Bedienpersonal anstelle der verkürzten Lebenszeit einen verkürzten Zeitabstand zwischen zwei Wartungsintervallen anzuzeigen.

[0020] Eine vorteilhafte Weiterbildung der zuvor genannten Erfindung schlägt vor, dass zumindest die eine Komponente des Stellglieds so ausgerichtet wird, dass sie in der einen Raumachse die Beschleunigung der Erdanziehungskraft erfährt, während die Beschleunigungen in den beiden dazu senkrechten Raumachsen im wesentlichen Null sind.

[0021] Vorteilhafte Weiterbildungen der zuvor genannten Varianten der Erfindung sehen vor, dass die Information - also die Warnmeldung und die vorhandene Resonanzfrequenz der Vibration - dem Bedienpersonal optisch und/oder akustisch angezeigt wird. Alternativ wird die Information an eine Leitwarte weitergeleitet. Vorgesehen ist weiterhin, dass die Information in Abhängigkeit von der Zeit gespeichert wird. Da die Leitwarte auch anderweitige Information aus dem Prozess und aus dem System 'Stellglied' zur Verfügung hat, ist es beispielsweise möglich zu erkennen, ob die Vibrationen durch die zeitweise Betätigung einer Pumpe oder durch das Auf- und Zufahren eines Schiebers verursacht werden. Sind die Korrelationen bekannt, so können geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden, die die Vibrationen nachfolgend weitgehend unterdrücken oder ausschließen. Durch das Erkennen von Vibrationen im Prozess, die Einfluss auf das Stellglied nehmen, und das frühzeitige Ergreifen geeigneter Gegen- oder Vorsorgemaßnahmen lassen sich die Funktion und die Lebensdauer des Stellglieds bzw. einer betroffenen Komponente erhöhen.

[0022] Als besonders vorteilhaft wird es im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Varianten der Erfindung angesehen, wenn die Beschleunigung mittels eines Beschleunigungssensors oder mittels mehrerer Beschleunigungssensoren gemessen wird. Die Kraft- bzw. Beschleunigungs-sensoren sind im oder am Stellglied befestigt. Sie erfassen die Beschleunigung bzw. die wirkende Kraft in einer oder mehreren Raumachsen.

[0023] Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei dem Beschleunigungssensor um einen Beschleunigungssensor handelt, der simultan Information über die Beschleunigungen in den drei senkrecht aufeinander stehenden Raumachsen liefert. Hierdurch lässt sich lokalisieren, aus welcher Raumrichtung die Anregung im wesentlichen erfolgt. Insbesondere handelt es sich bei dem Beschleunigungssensor um einen im wesentlichen planaren Vibrations-resonator, wie er beispielsweise aus der EP 1 062.480 B 1 bekannt geworden ist. Selbstverständlich kann auch ein Beschleunigungssensor eingesetzt werden, bei dem es sich um ein integriertes, aus Halbleitermaterial gefertigtes Gyroskop handelt, wie es beispielsweise aus der EP 1 365 211 Al bekannt geworden ist. Es versteht sich von selbst, dass die Varianten der Erfindung prinzipiell mit jedem beliebigen Beschleunigungssensor arbeiten.

[0024] Der in zumindest einer Raumachse empfindliche Beschleunigungssensor ist an dem Stellglied, bestehend aus Stellantrieb und Armatur, befestigt. Er kann auch in unmittelbarer Umgebung des Stellgliedes montiert sein. Bei dem Stellantrieb kann es sich um einen Stellantrieb ohne Steuerung, um einen Stellantrieb mit integrierter Steuerung, um einen Stellantrieb mit einer angebauten Steuerung oder um einen Stellantrieb mit einer separaten, entfernt angeordneten Steuerung handeln. Bevorzugt ist der zumindest eine Beschleunigungssensor in einem Zusatzmodul angeordnet, wobei das Zusatzmodul im oder an dem Stellglied, bestehend aus Stellantrieb und Armatur, bzw. an einer Komponente des Stellglieds auch nachträglich befestigbar ist.

[0025] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

[0026] Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Stellgliedes bzw. eines Aktors in Seitenansicht,

[0027] Fig. Ia: eine schematische Darstellung einer Elektronikplatine eines Stellglieds mit Vibrationssensor,

[0028] Fig. 2a: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellgliedes,

[0029] Fig. 2b: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellgliedes,

[0030]

[0031] Fig. 2c: eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellgliedes,

[0032] Fig. 2d: eine schematische Darstellung einer vierten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellgliedes und

[0033] Fig. 3: eine graphische Darstellung der Amplituden von drei an unterschiedlichen Bereichen im Stellglied positionierten Vibrationssensoren in Abhängigkeit von einer über einen vorgegebenen Frequenzbereich konstanten Amplitude. [0034] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Aktors 9 in Seitenansicht. Entsprechende Aktoren 9 werden von der Anmelderin in einer Vielzahl von unterschiedlichen, auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmten Ausgestaltungen angeboten und vertrieben. Bekannte Aktoren 9 führen beispielsweise die Bezeichnung AUMA SA. Der in Fig. 1 gezeigte Aktor 1 setzt sich zusammen aus einem elektrischen Stellantrieb 2 und einer elektrischen Steuerung 3. Bei einem Ausfall der Steuerung 3 ist der Stellantrieb 2 über das Stellrad 6 bedienbar. Die Armatur 8 ist über die Abtriebswelle 7 an den Stellantrieb 2 ankoppelbar. Die übliche Funktionsweise eines Stellantriebs 2 ist in dem einleitenden Beschreibungsteil bereits dargelegt, so dass an dieser Stelle auf eine zusätzliche Beschreibung eines Stellantriebs 2 verzichtet wird.

[0035] In Fig. Ia ist eine Elektronikplatine 4, die z.B. in den Stellantrieb 2 eines Stellglieds

I eingebaut werden kann, skizziert. Neben einem Mikroprozessor 13 und einer Speichereinheit 5 ist auf der Elektronik- Platine 4 ein als Halbleiter ausgeführter Vibrations- bzw. Beschleunigungssensor 11 (MEMS = Micro Electrical Mechanical System) angeordnet. Bei dem Beschleunigungssensor 11 handelt es sich um einen im wesentlichen planaren Vibrationsresonator, wie er beispielsweise aus der EP 1 062.480 B 1 bekannt geworden ist. Selbstverständlich kann auch ein Beschleunigungssensor eingesetzt werden, bei dem es sich um ein integriertes, aus Halbleitermaterial gefertigtes Gyroskop handelt, wie es beispielsweise aus der EP 1 365 211 Al beschrieben ist. In Verbindung mit der Erfindung sind jedoch alle bekannten Ausgestaltungen von Sensoren zur Beschleunigungsmessung einsetzbar.

[0036] Fig. 2a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellgliedes 1. Das Stellglied 1 besteht aus der Armatur 8 und dem Stellantrieb 2. Bei dieser Ausgestaltung können Beschleunigungs-sensoren 11 an folgenden Komponenten positioniert sein, wobei durchaus ein Beschleunigungssensor

I 1 -je nach Anwendungsfall - zur Erkennung von Stör- Vibrationen ausreichend sein kann:

- am Stellglied 2 oder in unmittelbarer Umgebung des Stellgliedes 2 - Kennzeichnung A

- in der Armatur 8 - Kennzeichnung B

- an der Armatur 8 - Kennzeichnung C

- im Stellantrieb 2 - Kennzeichnung D

- am Stellantrieb 2 - Kennzeichnung E

[0037] Fig. 2b zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellgliedes 1. Hier besteht das Stellglied 1 aus der Armatur 8 und dem Stellantrieb 2 mit integrierter Steuerung 3. Beschleunigungssensoren 11 können hier an folgenden Stellen angebracht sein:

- am Stellglied 1 oder in unmittelbarer Umgebung zum Stellglied 2 - Kennzeichnung A

- in der Armatur 8 - Kennzeichnung B

- an der Armatur 8 - Kennzeichnung C

- im Stellantrieb 2 mit integrierter Steuerung 3 - Kennzeichnung D

- am Stellantrieb 2 mit integrierter Steuerung 3 - Kennzeichnung E [0038] In Fig. 2c ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellgliedes 1 zu sehen. Hier besteht das Stellglied 1 aus der Armatur 8, einem Stellantrieb 2 und einer angebauten Steuerung 3. Ein oder mehrere Beschleunigungssensoren 11 können an unterschiedlichen Positionen vorgesehen sein:

- am Stellglied 1 oder in unmittelbarer Umgebung zum Stellglied 1 - Kennzeichnung A

- in der Armatur 8 - Kennzeichnung B

- an der Armatur 8 - Kennzeichnung C

- im Stellantrieb 2 - Kennzeichnung D

- am Stellantrieb 2 - Kennzeichnung E

- in der Steuerung 3 - Kennzeichnung F

- an der Steuerung 3 - Kennzeichnung G [0039]

[0040] Fig. 2d zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellgliedes 1. In dieser Figur ist ein Stellglied 1, bestehend aus der Armatur 8, dem Stellantrieb 2 und der abgesetzten Steuerung 3 zu sehen. Die Steuerung 3 kann im Umfeld des Stellglied 1 oder in der Leitwarte 10 montiert sein. Um unerwünschte Vibrationen, die im Prozess oder im Stellglied 1 auftreten, frühzeitig erkennen zu können und daraus Rückschlüsse auf definierte Fehlfunktionen im Prozess oder im Stellglied schließen zu können und entsprechende Abhilfe zu schaffen, ist zumindest ein Beschleunigungssensor an einer der folgenden Positionen vorgesehen:

- am Stellglied 1 oder in unmittelbarer Umgebung des Stellgliedes 1 - Kennzeichnung A

- in der Armatur 8 - Kennzeichnung B

- an der Armatur 8 - Kennzeichnung C

- im Stellantrieb 2 - Kennzeichnung D - am Stellantrieb 2 - Kennzeichnung E

[0041] Die Anbringung von Beschleunigungssensoren 11 an unterschiedlichen Positionen ist deshalb sinnvoll, weil die Belastungstoleranzen der einzelnen Komponenten durchaus unterschiedlich sein können. Üblicherweise ist die Steuerung 3 die Komponente, die am empfindlichsten auf Vibrationen reagiert, insbesondere in der Anordnung nach Fig. 2c, da dort durch Resonanz kleine Vibrationen am Stellglied 1 zu sehr großen Überhöhungen in der Steuerung 3 führen.

[0042] Weiterhin lassen sich durch Vergleich der Messwerte von Beschleunigungssensoren, die an unterschiedlichen Positionen an dem Stellglied 1 befestigt sind, Rückschlüsse darauf ziehen, durch welche System oder Prozessgröße die Störschwingung erregt wird - wo also die Ursache des Störeinflusses liegt. Hilfreich ist in diesem Zusammenhang auch die Erfassung von Messwerten in den drei Raumrichtungen x, y, z.

[0043] In Fig. 3 ist der frequenzabhängige Amplitudenverlauf bei einem Aufbau des Stellgliedes 1 nach Fig. 2c dargestellt. Bei diesem Aufbau sind die Beschleunigungssensoren I Ia (MEMS), I Ib (Sensor 1) an der mit D gekennzeichneten Position befestigt und ein dritter Sensor 11c (Sensor 2) an der Position mit der Kennzeichnung G. Bei dem Aufbau wurde der Aktor 9 mit einer konstanten Amplitude an der Schnittstelle: Armatur 8 zu Stellantrieb 2 in Richtung der x-Achse zur Schwingung angeregt.

[0044] Beide Vibrationssensoren I Ia und 1 Ib reagieren nahezu identisch auf die Erregung durch die konstante Störquelle, wie die Antwortkurven der beiden Vibrationssensoren 1 Ia, 1 Ib zeigen. Aus dem Rahmen fällt der Vibrations-sensor 1 Ic (Sensor 3), der an der Steuerung 3 angebracht ist. Die Störung im Bereich der Armatur 8 führt - wie aus den Graphen ersichtlich ist - zu einer sehr starken Belastung der Steuerung 3. Im Resonanzfall wirken hier nahezu 12 g auf die Komponenten der Steuerung 3 ein. Es versteht sich von selbst, dass die Lebensdauer der Komponenten der Steuerung 3 unter dem Einfluss derartiger Belastungen erheblich verringert wird. Um eine Fehlfunktion der Steuerung 3 oder gar ihre Zerstörung zu vermeiden, wird erfindungsgemäß eine Warnmeldung generiert, die das Bedienpersonal von der Störung in Kenntnis setzt. Zur Analyse der möglichen Ursache der Störung kann die Frequenz, bei der die Überhöhung auftritt, angezeigt oder ausgelesen werden.

[0045] Durch entsprechende Vorversuche können geeignete Einbau- oder Anbaupositionen ermittelt werden, um geeignete und kostengünstige Beschleunigungssenoren 11 auswählen zu können. Entsprechend den Versuchserkenntnissen können die Sollwerte festgelegt werden.

[0046] Die Warnmeldung wird vor Ort, z.B. an einem Display, das z.B. in der Steuerung 3 enthalten ist, angezeigt. Alternativ kann die Warnmeldung mit den ermittelten Messwerten von einem oder mehreren Vibrationssensoren 11 an eine übergeordnete Leitwarte 10 weitergegeben werden. Die entsprechende Kommunikation erfolgt z.B. über einen der bekannten Feldbus (z.B. Profibus). Da die Leitwarte 10 auch Information über weitere Komponenten des Systems hat, beispielsweise über den Betrieb einer Pumpe, lässt sich aufgrund von zeitlichen Korrelationen die Ursache für die Störung orten. Anhand der Kenntnis, wie oft eine Komponente des Stellglieds 1 unterschiedlich starken Belastungen ausgesetzt ist, lässt sich eine Aussage über die Lebensdauer des Stellglieds 1 treffen. Bevorzugt wird dem Bedienpersonal frühzeitig vor dem Ausfall der überwachten Komponente angezeigt, dass in Kürze ein Austausch einer definierten Komponente des Stellgliedes 1 erfolgen muss. Hierdurch wird ein unkontrollierter Stillstand der Prozessanlage mit ggf. verlängerten Wartezeiten für die Lieferung von Ersatzteilen effektiv verhindert.

[0047] Durch den Einsatz von einem oder mehreren Beschleunigungssensoren 11 lässt sich die korrekte Einbaulage einer oder mehrerer Komponenten des Stellglieds 1 - also der Armatur 8, des Stellantriebs 2 und der Steuerung 3 - bestimmen. Erfolgt der Einbau nicht entsprechend den Vorgaben des Herstellers, so wird eine Meldung generiert, dass die gemessene Abweichung von der korrekten Einbaulage mit einer entsprechend definierten Verkürzung der Wartungsintervalle oder der Lebensdauer des Stellglieds 1 bzw. einer einzelnen Komponente des Stellglieds 1 einhergeht. Das Bedienpersonal hat dann die Möglichkeit, die Einbaulage zu ändern oder die Wartungsintervalle des Stellglieds 1 bzw. seiner einzelnen Komponenten optimal an die gewählte Einbaulage anzupassen.

[0048] Bezugszeichenliste

[0049] 1 Stellglied

[0050] 2 Stellantrieb

[0051] 3 Steuerung

[0052] 4 Steuerplatine

[0053] 5 Speichereinheit

[0054] 6 Stellrad

[0055] 7 Abtriebswelle

[0056] 8 Armatur

[0057] 9 Aktor [0058] 10 Leitwarte

[0059] 11 Beschleunigungssensor

[0060] 12 Zusatzmodul

[0061] 13 Mikroprozessor

[0062] A Vibrationssensor

[0063] B Vibrations sensor

[0064] C Vibrations sensor

[0065] D Vibrationssensor

[0066] E Vibrationssensor

[0067] F Vibrationssensor

[0068] G Vibrationssensor

Claims

Ansprüche

[0001] 1. Verfahren zur Überwachung oder Diagnose von zumindest einer Komponente eines Stellglieds (1) zur Betätigung einer Armatur (8) in der Prozess- oder Verfahrenstechnik, wobei zumindest ein aktueller Istwert der Beschleunigung einer beschleunigten Masse in zumindest einer definierten Raumachse (x, y, z) erfasst wird, wobei der ermittelte Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, und wobei im Falle einer außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegenden Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert eine Meldung über eine Fehlfunktion einer System- und/oder Prozessgröße generiert wird.

[0002] 2. Verfahren zur Überwachung oder Diagnose von zumindest einer Komponente eines Stellglieds (1) zur Betätigung einer Armatur (8) in der Prozess- oder Verfahrenstechnik, wobei in einem vorgegebenen Zeitintervall sukzessive in vorgegebenen Zeitschritten die Istwerte der Beschleunigung einer beschleunigten Masse in zumindest einer definierten Raumachse (x, y, z) erfasst werden und wobei eine Meldung über eine Änderung einer Prozess- oder Systemgröße generiert wird, wenn sich die Istwerte der Beschleunigung innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls derart ändern, dass sie außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen.

[0003] 3. Verfahren zur Bestimmung der Einbauposition von zumindest einer

Komponente eines Stellgliedes (1) zur Betätigung einer Armatur (8) in der Prozess- oder Verfahrenstechnik, wobei die Beschleunigung der Komponente des Stellgliedes (1) in zumindest einer definierten Raumachse (x; y; z) bestimmt wird und wobei die Komponente des Stellgliedes (1) so ausgerichtet wird, dass sie in der definierten Raumachse (x; y; z) eine vorgegebene Beschleunigung erfährt.

[0004] 4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zumindest die eine Komponente des

Stellglieds (1) so ausgerichtet wird, dass sie in der einen Raumachse (x; y; z) die Beschleunigung der Erdanziehungskraft erfährt, während die Beschleunigungen in den beiden dazu senkrechten Raumachsen (y, z; x, z; x, y) im wesentlichen Null sind.

[0005] 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Information dem

Bedienpersonal optisch und/oder akustisch angezeigt wird.

[0006] 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Information an eine Leitwarte (10) weitergeleitet wird.

[0007] 7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Information in Abhängigkeit von der

Zeit in einer Speichereinheit (5) gespeichert wird.

[0008] 8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschleunigung mittels eines Beschleunigungssensors (11) oder mittels mehrerer Beschleunigungssensoren (I Ia, I Ib, ...) gemessen wird.

[0009] 9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand der Zeitdauer und/oder Stärke der Vibrationen an einer oder an mehreren Komponenten des Stellglieds (1) eine Meldung hinsichtlich der zu erwartenden Lebensdauer des Stellglieds (1) bzw. einzelner Komponenten des Stellglieds (1) ermittelt wird und/oder wobei eine Meldung hinsichtlich der verbleibenden Zeitdauer bis zum nächsten Wartungsintervall des Stellglieds (1) bzw. einer Komponenten des Stellglieds (1) ermittelt wird.

[0010] 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der

Ansprüche 1-9, wobei es sich bei dem Beschleunigungssensor (11) um einen in den drei Raumrichtungen (x, y, z) messenden Beschleunigungssensor handelt.

[0011] 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei es sich bei dem

Beschleunigungssensor (11) um einen im wesentlichen planaren Vibrationsresonator handelt.

[0012] 12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei es sich bei dem

Beschleunigungssensor (11) um ein integriertes, aus Halbleitermaterial gefertigtes Gyroskop handelt.

[0013] 13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei der

Beschleunigungssensor (11) bzw. die Beschleunigungssensoren (I Ia, I Ib, ..) in einem Zusatzmodul (12) angeordnet ist bzw. angeordnet sind, wobei das Zusatzmodul (12) an dem Stellglied (1), bestehend aus Stellantrieb (2) und Armatur (8), bzw. an bzw. in unmittelbarer Umgebung einer Komponente des Stellglieds (1) befestigbar ist.