Erst die Hardware, dann die Software

Dipl.-Ing. Guido König, Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer

Ein Stellgerät soll den Stoffstrom eines Prozesses beeinflussen. Dafür muss es den vom Prozessleitsystem vorgegebenen Sollwert für die gerade benötigte Öffnungsstellung des Drosselkörpers umsetzen, und dies möglichst

• schnell und exakt,

• zuverlässig und störungsfrei,

• ohne starke Lärmentwicklung und ohne Verschleiß,

• ohne großen Wartungsaufwand bei langen Revisionsabständen und

• für den Notfall mit zuverlässiger Sicherheitsfunktion und gegebenenfalls hoher innerer Dichtigkeit.

Die Optimierung dieser Stellgerätperformance minimiert die Summe der Lebenszykluskosten bzw. die Betreiberkosten. Bei schlechtem Stellgerätverhalten können diese ein Vielfaches der Anschaffungskosten betragen. Daraus ergibt sich ein gesamtheitlicher Asset-Management-Ansatz mit zuverlässigen und funktionsoptimierten Stellgerätkonstruktionen, sorgfältiger Auslegung und Auswahl, Performanceüberwachung mit Online-Fehlererkennung und Wartungsinformation.

Die strömungstechnische und strömungsakustische Stellgerätperformance wird im Wesentlichen von der Ausnutzung der maximalen Durchflusskapazität und der Qualität des Drosselelementes bestimmt. Grundsätzlich besteht die Tendenz, dass sich alle auslegungsrelevanten Ventilkennwerte wie FL, xT, xFz etc. zunehmend verschlechtern, je mehr kv-Wert bei der vorgegebenen Ventilnennweite ausgenutzt wird. Dem steht gegenüber, dass manche Hersteller großvolumige Ventilgehäuse mit großen Nennhüben verwenden und die hydraulischen Eigenschaften des Ventils bis an die maximale Grenze ausreizen.

Letztendlich kommt es aber auf wirtschaftliche und optimal funktionierende Gesamtkonstruktionen an. Eine Voraussetzung ist dafür, dass die eingesetzten Drosselelemente mechanisch vibrationsfrei und möglichst ohne Strömungslärm arbeiten. Vorteilhaft sind hier besonders V-Port-Kegel mit einer soliden Führung im Sitzbereich (Abb. 1). Oft bevorzugen Anwender deswegen auch bei kleineren Nennweiten schon Vierflanschgehäuse, die dann dem Parabolkegel im unteren Gehäuseteil zu einer zweiten Führung verhelfen. Wirtschaftlicher und besser ist es, diese zweite Führung im Sitz zu realisieren. Ein Beispiel ist hier die Entwicklung eines Drosselsystems zur Vermeidung von starker Kavitation und zur Reduzierung von Kavitationsschall (Abb. 2). Die Basis ist ein sitzgeführter, strömungstechnisch optimierter Parabolkegel. Zusätzliche Festdrosseln im Sitz können den xFz-Wert auch bei größeren Öffnungsgraden verbessern.

Bei Flüssigkeitsströmungen und höheren Druckdifferenzen >40 bar sollten Ventile mit tatsächlich mehrstufigen Drosselstufen mit Doppelführung eingesetzt werden (Abb. 2). Parabolkegelstufen ermöglichen hier höhere xFz-Werte als radiale oder axiale Lochkegelsysteme, und dies bei deutlich höherer Betriebszuverlässigkeit (z. B. wegen Schmutzunempflindlichkeit) als bei Lochkegeln.

Bei kompressiblen Medien sind jedoch ganz andere Schallreduzierungsmaßnahmen zu ergreifen. Im Ventil integrierte Strömungsteiler (Abb. 2) in Kombination mit dem V-Port-Kegel reduzieren den Schall bis zu 30 dB. Einzeltöne, wie sie bei Parabolkegeln häufig auftreten, sind hier praktisch nicht wahrnehmbar.

Kommt es zu einer bleibenden Flüssigkeitsausdampfung hinter dem Stellventil (Flashing), sind mehrstufige Stellventile fehl am Platz, da der Entspannungsraum hinter der Drosselstelle zur Vermeidung von Erosionsproblemen möglichst groß sein sollte. Diese Eigenschaft haben beispielsweise Eckventile mit Anströmung in Schließrichtung oder Durchgangsventile mit reduzierter Sitzgröße.

Bei all diesen schwierigen Anforderungen sollte eines nicht in Vergessenheit geraten: nämlich die Betriebszuverlässigkeit und einfache Wartungsmöglichkeit. Zu bevorzugen sind daher Drosselelemente mit möglichst wenig komplizierten und in hoher Fertigungsqualität hergestellten Einzelteilen: Pfiffige Detaillösungen an der Ventil- und Sitzgeometrie, z. B. zur Kavitationsschallminimierung wie bei dem oben erwähnten AC-Trim (Abb. 2), sind in obigem Sinne besser als aufwändige und komplizierte ineinander gesteckte Lochkegelsysteme oder materialintensive Cagekonstruktionen. Ein besonderer Schwachpunkt ist hier die Verschmutzungsanfälligkeit.

Drosselsysteme in Cageausführung haben auf den ersten Blick einen Vorteil bei Wartungsarbeiten, weil der so genannte Seat-Retainer einfach nach oben herauszuziehen ist. Da aber mehrere Dichtungen (Sitz- und und Flanschabdichtung) im Verspannungskraftfluss liegen, sind Verschleißprobleme durch schlechtes Fluchten der bewegten Teile und Reibung fast zwangsläufig, was die Stellperformance deutlich verschlechtern kann.

Möglichst reibungs- und wartungsarme Stangenabdichtungssysteme wie selbstnachstellende PTFE-Stangenabdichtungen bis zu Einsatztemperaturen von 200 °C lassen ein ruckfreies Verstellen des Kegels zu. Bei höheren Temperaturen wird PTFE zu weich und man muss auf andere Dichtungswerkstoffe, z. B. Graphit, zurückgreifen. Dies ist aber mit deutlich höherer Reibung an der Ventilstange verbunden, was sich nachteilig auf die Stellventilperformance auswirkt. Der Anwender kommt bei vielen Applikationen am Metallbalg (Abb. 1) nicht mehr vorbei, weil hier die höchste Dichtigkeit bei gleichzeitig optimaler Stellperformance ohne Reibungsprobleme verbunden mit einer hohen Lebensdauer (bei 10% Hubampltitude ca. 10 Mio. Lastwechsel unter Nenndruck), erreicht wird. Außerdem lässt er sich auch noch über ein Kontrollvolumen online mit Druckschalter und digitalem Stellungsregler (Binäreingang) sicher überwachen.

Zur Reduzierung der notwendigen Antriebsstellkraft werden auch druckentlastete Kegel propagiert. Die Druckentlastungsdichtringe erhöhen die Reibung aber so signifikant, dass die Stellperformance erheblich darunter leidet. Dies gilt natürlich auch für die innere Dichtigkeit bei geschlossenem Ventil.

Um eine gute Stellgerätperformance bei hoher Betriebssicherheit zu erzielen, sollten bei den Stellantrieben folgende Merkmale beachtet werden:

• Große Wirkflächen reduzieren den negativen Einfluss der Reibkraft auf die Stellgerätperformance (Abb. 1)

• Mehrere am Umfang verteilte Federpakete mit kleineren Federn arbeiten mechanisch stabiler und exakter als wenige zentrische große Federn, außerdem ist die Variabilität des Federbereiches und auch die Steifigkeit des Antriebes größer

Membranantriebe haben deutlich weniger Hysterese als Kolbenantriebe, (durch Kolbendichtringe bis 40% Hysterese), die ein Stellungsregler auf Dauer nur schwer wettmachen kann.

• Optimierte Antriebsmembranen mit Gewebeeinlage und durchdachter Tellerbefestigung ermöglichen lange Einsatzzeiten

• Integrierte Stellantriebe (SAMSON-Anbau (Bild 1), VDI 3847) zur kompakten Stellungsreglermontage minimieren mechanische Hubübertragungs- und Stabilitätsprobleme (Verbiegung, Lose) bei hohen dynamischen Belastungen des gesamten Stellgerätes (z. B. durch Vibration)

Der Stellungsregler hat in den letzten Jahren vornehmlich die direkte Durchsteuerung eines pneumatischen Einheitssignals auf den Stellantrieb und elektropneumatische Signalumformer ersetzt. Gleichzeitig eröffnet der Einsatz von Stellungsreglern eine große Flexibilität bei der Auswahl des Stellantriebs im Hinblick auf Federbereich und Antriebsfläche.

Bewährt haben sich Stellungsregler in Analogtechnik mit pneumatisch realisiertem Stellungsregelkreis, die sehr gute Regeleigenschaften bieten. Zusätzliche Informationen über Zustände des Stellgerätes erfordern jedoch separate oder in den Stellungsregler integrierbare Komponenten wie beispielsweise Grenzkontakte oder Stellungsmelder. Eine relativ hohe Investition steht einem vergleichbar geringen Informationsgehalt gegenüber, da die Genauigkeit der entsprechenden Zustandsmeldung durch die zum Einsatz kommende Analogtechnik begrenzt wird.

Digitale Stellungsregler bieten identische optimale Regeleigenschaften durch ihre automatischen Initialisierungsroutinen mit integrierter Optimierung der Regelkreisparameter. Zusätzlich ermöglicht die Digitaltechnik erweiterte Reglerkonzepte, die die Nachteile von elektropneumatischen Analoggeräten mit Proportionalregler eliminieren.

Eine optimierte Stellungsreglerkonstruktion erfordert jedoch mehr als den Einsatz von Mikroprozessorlösungen, da das Gesamtsystem Einschränkungen wie beispielsweise einer begrenzten elektrischen Leistung unterworfen ist. Am Markt finden sich Konstruktionen digitaler Stellungsregler mit einfachen elektropneumatischen Signalumformern als Ausgangsstufe und einem Regelalgorithmus, der den Signalumformerstrom als Stellgröße so variiert, dass die Regelgröße – also die Ventilstellung – der jeweiligen Führungsgröße entspricht. Es zeigt sich fehlende Dynamik, verursacht durch begrenzte Abtastraten entsprechend der niedrigen zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung und damit eine Begrenzung der Verstärkung zur Reduzierung von Instabilitäten, was letztlich zu großen Regelabweichungen führt.

Pulsweitenmodulierte Ausgangsstufen zeigen sich entsprechend sparsam im Energieverbrauch, besitzen aber je nach Realisierung keine Langzeitkonstanz. Hilfsgesteuerte Magnetventile garantieren hier gleichmäßiges Ansprechverhalten. Die Regelgenauigkeit kann durch die so genannte tote Zone vorgegeben werden, die aufgrund von möglichen Instabilitäten jedoch begrenzt ist, korrespondierend mit Werten von ± 0,1% bis ± 0,5%.

Ein wesentlicher Fortschritt im Hinblick auf eine hohe Regelperformance kann ein Rückgreifen auf die vollständig analoge Realisierung einzelner Baugruppen von digitalen Stellungsreglern sein. So ist ein elektronisch realisierter Stellungsregelkreis (Abb. 3), dessen Regelparameter digital einstellbar sind, anderen auf digitaler Signalverarbeitung aufbauenden überlegen, da Wandlungs- und Rechenzeiten wegfallen. Insbesondere die direkte, unverzögerte Reglerreaktion auf Regelgrößenänderung und Störgrößen ermöglicht bisher nicht gekannte Performancewerte.

Im Planungsprozess kommt es darauf an, das richtige Stellgerät an die richtige Stelle zu bringen. Dabei sind sowohl der Anwender als auch der Hersteller in der Pflicht, hier setzt das Asset Management ein.

Daher spielt die sorgfältige Auslegung eines Stellgerätes anhand von zuverlässigen Prozessdaten eine wichtige Rolle. Der Auslegungsprozess umfasst folgende Schritte:

• Festlegung der Ventilnennweite anhand von maximal zulässigen Strömungsgeschwindigkeiten am Ventilaustritt

• Bestimmung der Betriebs-kv-Werte und die Auswahl des kvs-Wertes bei Betrachtung auch des ganzen Stellbereiches

• Schallberechnung und die Beurteilung eventuell kritischer Betriebszustände wie Kavitation, Flashing etc.

• Werkstoffauswahl

• Festlegung des Stellgerättyps

In dem für Stellgeräte maßgebenden Standard IEC 60534 wurden in den letzten Jahren aufwändigere kv-Wert- und Schallberechnungsverfahren integriert, die eine detaillierte Erfassung von Strömungszuständen in Ventilen ermöglichen. Aus eigener Erfahrung innerhalb der internationalen Arbeitskreise tendiert man dort vor allem bei den Herstellern zu Berechnungsverfahren, die keine gemessenen Ventilkennwerte erfordern. Das ist aber eine nicht ungefährliche Tendenz, weil die höchste Auslegungsgenauigkeit nur mit gemessenen Ventilkennwerten möglich ist.

Bei Stellgeräten mit mikroprozessorbasiertem Stellungsregler übernimmt dieser mit der digitalen Signal- und Algorithmusverarbeitung – neben der eigentlichen und ursprünglichen Aufgabe der exakten hochperformanten Regelung der durch den Sollwert vorgegebenen Ventilöffnung – zusätzlich die Überwachung, Datensammlung und -auswertung für das gesamte Stellventil. Die bei digitalen Stellungsreglern übliche automatische Inbetriebnahme gibt dem Anwender höchste Sicherheit, die Anlage mit optimiert eingestellten Stellgeräten zu fahren. Während des Initialisierungslaufes werden eindeutige Fehler- und Warnmeldungen generiert. Der Anwender kann vor Ort reagieren (Abb. 4).

Grundsätzlich erscheint die dargestellte Vorgehensweise des Stellungsreglers, mit „Bordmitteln“ Informationen zu gewinnen, diese selbsttätig zu analysieren und entsprechend in Fehlerstatus- und erweiterte Wartungszustandsinformationen respektive -nachrichten umzusetzen, optimal. Sie verzichtet weitestgehend auf Zusatzsensorik, die wiederum selbst fehlerhaft werden kann, und vermeidet spezifische Diagnosesoftware, die mit Einarbeitungs- und Trainingsaufwand verbunden ist.

Trotz der vielfältigen Möglichkeiten, mit digitalen Stellungsreglern umfangreiche Zustands- und Wartungsinformationen über das gesamte Stellgerät zu erhalten, gilt es primär, den Fortbestand des Regelbetriebs auch bei auftretenden Störungen zu garantieren. Als Beispiel sei hier ein so genannter I/P-Umformer-Rückfallmodus genannt, der bei Störung des Wegaufnehmersignals zum einen die Stellventilfunktion im Steuerungsmodus aufrecht erhält und zum anderen eine entsprechende Fehlerinformation liefert. Es liegen verschiedene Signale im Stellungsregler vor, die entsprechend verglichen und in Hinsicht auf Fehlerzustände ausgewertet werden können (Abb. 5). Neben Führungs- (Sollwert) und Regelgröße (Ventilhub) und der daraus direkt erfassbaren Regeldifferenz stehen das Ausgangssignal zum Stellantrieb und die Fahrtstrecke des Stellgeräts zur Verfügung. Der Stellungsregler kann daraus selbsttätig Fehlermeldungen generieren (Tabelle).

Generell erlaubt die intelligente Auswertung der Standardsignale – wie Ventilöffnung X, Sollwert W und innere Stellsignale Y (z. B. i/p-Umformer) – die detaillierte Erkennung und Bewertung solcher Stellgerätparameter wie Reibung, Stellantriebsleckage, Zuluftdruck, Federkraft und Antriebsauslastung im Prozessbetrieb. In Abbildung 6 ist beispielsweise zu erkennen, wie eine deutlich erhöhte Stellantriebsleckage das innere Stellsignal Y in Abhängigkeit der Ventilstellung X gegenüber der ursprünglichen Charakteristik nach rechts verschiebt.

Viele Anbieter konzentrieren sich bei der Fehlerdiagnose vor allem auf den Parameter erhöhte Reibung, weil diese unter Umständen die Stellperformance eines Stellgerätes verschlechtert. Provokativ könnte man an dieser Stelle behaupten, dass die digitale Stellungsreglerintelligenz dazu benutzt wird, die typischen Schwachstellen von reibungsintensiven Konstruktionen wie Druckentlastung, Kolbenantrieb, Graphitpackung etc. in Kombination mit reibungsanfälligen Stellungsreglerausführungen zu detektieren. Im Sinne des Anwenders kann ein solches Vorgehen nicht sein, denn dieser möchte eigentlich von vornherein Stellgerätetechnik mit möglichst guter Performance. Im Hinblick auf Fehlerdiagnose interessieren ihn vor allem die wartungsintensiven Fehler wie Kegel/Sitz-Undichtigkeit und Stangenabdichtungsleckage, die aber ohne spezielle Zusatzsensorik nicht zuverlässig erkannt werden können.