Überwachung von Regelventilen mit elektrischen Antrieben

Betriebssicherheit garantiert

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Bisher erfolgte die Überwachung von Regelventilen mit elektrischen Antrieben mit Hilfe von Wegabschaltungen, Kraftbegrenzungen oder Laufrichtungswächtern. Eine Alternative zu den genannten Methoden ist das Digital-Actuator-Control-Modul (DAC), das zwischen dem Stellventil und dem Regler bzw. der Leittechnik installiert wird.

Zur Überwachung von Regelventilen nutzte man Drehmo-Schaltungen, Blinkrelais, Phasenfolgerelais oder die Motorstromüberwachung. Heute entscheidet ein Prozessor, ob und wohin sich ein Ventil bewegen soll. Vor diesem Hintergrund ist es naheliegend, diesen auch die Ausführung seines Befehles überwachen zu lassen. Nach der Ausgabe eines Stellbefehles prüft der Prozessor die Richtung und Geschwindigkeit und kontrolliert damit auch alle anderen an der Ventilbewegung beteiligten Komponenten. Voraussetzung ist allerdings, daß er bei der Initialisierung entsprechende Werte erfaßt bzw. hinterlegt hat (Abb. 1).

Überwachung mit dem DAC-Modul
Der Antrieb, reduziert auf reine Bewegungsfunktionen, wird vom Regler indirekt über das DAC-Modul angesteuert.
Beim DAC-Modul handelt es sich einerseits um einen Softwarebaustein, der vom Prozessor abgearbeitet wird. Es kann aber auch als selbstständige Intelligenz, d. h. als Gerät zwischen Prozessor und Ventil, liegen. Das DAC-Modul erkennt Verklemmungen im Regelventil zuverlässig, die durch Fremdkörper in der Regelgarnitur und Ablagerungen an der Spindel verursacht werden. Undichtigkeiten an der Spindeldurchführung und Leckagen an der Regelgarnitur werden nicht erkannt, jedoch können Strategien zur Vermeidung implementiert werden.
Funktionsstörungen an Antrieben erkennt das DAC-System vollständig. Dazu zählen bei elektromotorischen Antrieben:
• defekter Motor,
• falsche Phasenfolge,
• defekter Motorkondensator führt zu invertierter Drehrichtung,
• defekte Kraftübertragung an Spindel oder Getriebe,
• übergroßes Spiel durch Verschleiß,
• sonstige Störungen an der elektrischen Antriebssteuerung.
Das DAC-Modul übermittelt dem Antrieb die Befehle des Reglers und überprüft die korrekte Ausführung anhand der Hubmessung. Letztere liefert, wenn sie sich auf den zurückgelegten Weg bezieht, die Geschwindigkeit. Liegt diese bei der Ausgabe eines Stellbefehles im erwarteten Bereich, arbeitet jedes Element zwischen Prozessor und Ventil ordnungsgemäß. Alle Verbindungen, die Hubrückmeldung, die für die Bewegung erforderlichen Bauteile sowie alle dem Prozessor nachgeschalteten elektronischen Komponenten liegen in der Prüfschleife. Nicht stichhaltig ist in diesem Zusammenhang das Argument, daß zwar die Geschwindigkeit überprüft werden kann, nicht aber der wirkliche Hub. Dafür bräuchte man einen zweiten Vergleichshubgeber. Für die ordnungsgemäße Funktion des Reglers ist der wirkliche Hub in keiner Weise interessant. Von Bedeutung – und vom DAC-Modul detektierbar – ist die Auswirkung der Stellbefehle auf die Regelgröße, gleichgültig bei welchem Hub.
Schließkrafteinstellung
Abbildung 2 zeigt zwei Lösungen für die Hubmessung. Das elastische Teil zwischen Antrieb und Ventil kann in unterschiedlicher Weise realisiert werden, beispielsweise mit Federn, Motorkennlinie, Membrandruck usw. Wichtig für die Beurteilung des Systems sind folgende zwei Fragestellungen:
• ändern sich die Hubmeßwerte, solange der Antrieb läuft (Lösung 1) oder
• ändern sich die Hubmeßwerte, solange das Ventil läuft (Lösung 2)?
Viele elektrische Antriebe lassen sich nach Lösungsweg 1 beurteilen. Lösungsweg 2 ist für pneumatische Antriebe und einen Teil der elektrischen Antriebe interessant. Beim Lösungsweg 1 sind die Meßwerte für den Hub proportional dem Weg des Antriebs. Bleibt der Kegel stehen, ist der Überhub ein Maß für die Schließkraft. Das bedeutet, daß sich mit dem Hub auch die Schließkraft einstellen läßt. Solche Antriebe sind besonders einfach zu adaptieren.
Anders ist die Situation beim Lösungsweg 2. Hier sind die gemessenen Hubwerte proportional zu dem Weg des Kegels. Sie nehmen den Wert 0 an, wenn der Kegel stehen bleibt. Um eine Schließkraft zu erzeugen, muß der Antrieb einen weiteren Schließbefehl bekommen. Bei einem analogen Stellungsregler ist hierfür eine „gewisse Falscheinstellung“ erforderlich.
Über die Schließimpulslänge läßt sich die Schließkraft einstellen. Wurden die Werte für Hub 0 und Hub 100 bei der Initialisierung eingelesen, treten bei Hub 0 keine Schließimpulse und bei Hub 100 keine Öffnungsimpulse mehr auf.
Fehler im Ventil
Wie bereits erwähnt, führt die Blockierung der Regelgarnitur oder der Spindel durch Fremdkörper oder Ablagerungen zu Fehlfunktionen. Bei den Antrieben, die nach Lösungsweg 2 zu behandeln sind, entsteht die gleiche Kraft wie beim Schließvorgang. Da dies nicht bei Hub 0 stattfindet, erkennt das DAC-Modul die Blockierung und reagiert entsprechend.
Antriebe, die nach Lösungsweg 1 kontrolliert werden, müssen kurzzeitig blockierfest sein, weil man die Blockierung erst nach Stillstand oder deutlicher Verlangsamung des Antriebs erkennt.
Leckagen an der Spindeldurchführung können mit Hilfe des DAC-Moduls nicht erkannt werden. Es hilft jedoch, solche Undichtigkeiten zu verhindern, indem es anhand der Laufrichtungswendepunkte Instabilitäten diagnostiziert und anschließend stabilisierend eingreift. Diese Vorgehensweise ist für herkömmliche Rechner recht aufwendig. Deshalb wird in Zukunft hierfür ein DAC-Hardware-Modul lieferbar sein.
Installation von DAC
Der einfachste Weg ist eine Softwareerweiterung der Steuerung. Für SPS stehen fertige Programmbausteine zur automatischen Initialisierung und Überwachung zur Verfügung. Diese wurden in erster Linie für beheizte Maschinen mit mehreren Regelventilen an einer SPS konzipiert.
Besonders einfach läßt sich das DAC-Modul in die vom gleichen Hersteller angebotenen Motorventile MV 52, MV 53 und MV 54 installieren (Abb. 4). Die Antriebe dieser Ventile lassen sich gemäß Lösungsweg 1 behandeln. Sie bleiben bei genau definierter maximaler Stellkraft stehen. Zudem verfügen diese Antriebe über ein Hub-Schließkraft-Diagramm, so daß sich mit dem Hub auch die Schließkraft genau eingestellen läßt.
Weitere Informationen cav-243
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