Schlüsselkomponenten für die Anlagenverfügbarkeit

Autor Lothar Grutesen Leiter Produkttechnik, Arca-Regler

Stellventile sind unverzichtbare Anlagenkomponenten in allen industriellen Prozessen. Sie setzen das Ausgangssignal des Prozessleitsystems primär in den Durchfluss eines Fluids und mittelbar in die jeweilige physikalische Prozessgröße (z. B. Temperatur oder Druck) um. Während bei Sensoren und auch bei Absperrventilen (durch Parallel- bzw. Reihenschaltung von zwei Armaturen) eine erhöhte Betriebssicherheit durch den Aufbau redundanter Systeme relativ leicht realisierbar ist, besteht diese Möglichkeit bei modulierenden Stellventilen grundsätzlich nicht. Aus diesem Grunde hat der Ausfall eines Regelventils sehr häufig unmittelbaren Einfluss auf die Verfügbarkeit der Gesamtanlage.

Der Stellungsregler als unverzichtbare Komponente eines Stellventils hat die Aufgabe, die durch das Prozessleitsystem vorgegebene Stellung eines Stellventils gegenüber äußeren Einflüssen (Kräften aus dem Stoffstrom, Reibung) einzustellen und einzuhalten. Regelungstechnisch gesehen stellt der Stellungsregler einen Folgeregler (Kaskadenregelung) zum eigentlichen Prozessregler dar. Der Sollwert (Führungsgröße) für den Stellungsregler ist das elektrische Ausgangssignal des Prozessleitsystems, der Istwert ist die Ventilstellung, die mechanisch, magnetisch oder induktiv an der Ventilspindel abgegriffen wird. Zusätzlich zu dieser reinen Regelfunktion lassen sich aus diesen beiden Signalen mittels der Diagnosefunktionen eines intelligenten Stellungsreglers Informationen über den Verschleiß bzw. den aktuellen Zustand des Regelventils ableiten, die mittlerweile über das einfache Aufsummieren von Weg/Drehwinkel der Ventilspindel, Zahl der Richtungswechsel und der statistischen Auswertung der Ventilstellung über die Betriebszeit (Ventilstellungshistogramm) weit hinausgehen.

Bild 1 zeigt die statistisch häufigsten Ausfallursachen eines Regelventils, Bild 2 die typischen Fehler an einem pneumatischen Stellantrieb. Der Stellungsregler am Ventil/Antrieb kann solche Fehler nur anhand der Führungsgröße und der Ventilstellung erkennen und sogar die Fehlerursachen bestimmen.

Digitale Stellungsregler führen bei der Erst-Inbetriebnahme (und ggf. später auch nach manueller Auslösung) einen Initialisierungslauf durch. Hierbei werden die Parameter des Stellventils aufgenommen und in den Stellungsregler eingespeichert – daraus wird dann u. a. der Regelalgorithmus des Stellungsreglers optimiert. Mittels der im Initialisierungslauf gewonnenen Parameter wird für die spätere Überwachung im laufenden Betrieb eine Antwortfunktion des Stellventils auf eine gegebene Signaländerung errechnet und mit vorgegebenen Toleranzbändern versehen. Aus den Abweichungen von der erwarteten Antwortfunktion werden – sofern erforderlich und bei entsprechender Einstellung – die Regelparameter des Stellungsreglers laufend adaptiert. Zusätzlich werden bei Überschreitungen des jeweiligen Toleranzbandes Statusmeldungen ausgelöst, die dann entweder lokal ablesbar sind bzw. über die Feldkommunikation oder über Alarmausgänge übermittelt werden.

Neben dem reinen Performance-Status des Ventils lässt die Aufzeichnung der Antwortfunktion aber auch Rückschlüsse auf die mögliche Fehlerart bzw. Fehlerursache zu. Bild 3 zeigt (stark vereinfacht) ein typisches Antwortsignal bei stark erhöhter Haftreibung. Mögliche Fehlerursachen hierfür sind:

Bild 4 stellt eine (in einer Laufrichtung) zeitversetzte Antwortfunktion dar, die normalerweise einen Fehler im Antrieb indiziert, entweder Federbruch oder unzureichende Luftversorgung oder Entlüftung der Federkammer. Zusätzlich kann im laufenden Betrieb durch Überwachung der Steuerventile des Stellungsreglers bei Be- und Entlüftung der Antriebskammer (dies geht besonders genau bei Stellungsreglern mit Binärpneumatik) eine Leckage im Antriebssystem festgestellt werden. Wahrscheinliche Fehlerursachen hierfür wären eine Beschädigung der Antriebsmembrane oder der Kolbenabdichtung oder auch eine Undichtigkeit der Verrohrung.

Bei Hubventilen, die im laufenden Betrieb zeitweise die Geschlossenstellung erreichen (z. B. in Batch-Prozessen), können durch Vergleich der aktuellen „Zu“-Position mit dem aus der Initialisierung gespeicherten Wert Rückschlüsse auf den Zustand der Ventilgarnitur gezogen werden. Das Überfahren der Geschlossenstellung bei einem Ventil deutet auf Erosion an Ventilsitz oder Kegel hin, das Nichterreichen kann durch Verkrustungen an Sitzring oder Kegel verursacht sein.

Die immer weiter fortschreitende Entwicklung der Sensorik und der Software zur Ventildiagnose setzt zwingend voraus, dass die Ventilstellung auch unter widrigen Betriebsbedingungen mit hoher Genauigkeit abgegriffen werden kann. Hier ist der sogenannte Namur-Anbau für Stellungsregler an Hubantriebe (genormt nach IEC 60534-6-1) fast vollständig durch Direktanbauten (integrierter Anbau) nach diversen Herstellerstandards ersetzt worden. Diese Direktanbauten zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

Aufgrund der Komplexität und der Vielfalt von herstellerspezifischen Anbauteilen wurde die VDI/VDE Richtlinie 3847, eine für alle Hersteller offene Schnittstelle entwickelt, die sowohl einen einheitlichen Stellungsregleranbau gemäß den oben genannten Kriterien als auch eine genormte Anbaufläche für ein Magnetventil (Bild 5) beinhaltet. Darüber hinaus sind bei dieser Schnittstelle zwei Optionen möglich.

Eine ist bei einfachwirkenden Antrieben die Beschleierung des Federraums mit der Abluft des Stellungsreglers. Dies ist, besonders unter schwierigen Umgebungsbedingungen wie in aggressiver Chemieatmosphäre oder im Offshore-Einsatz, die absolut wirkungsvollste Primärmaßnahme zum langfristigen Erhalt der Betriebssicherheit eines pneumatischen Stellantriebs, da bedingt durch die Beschleierung weder die Antriebsmembrane noch die Federn den Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Gerade die Antriebsfedern, die aus normalem Federstahl bestehen und deren Oberfläche aufgrund der ständigen Bewegung nur schwer zu konservieren ist, sind gegenüber chloridhaltiger Umgebungsluft besonders empfindlich.

Bei der zweiten Variante sind Absperrventile zur Verblockung der Zuluft und der Luftführung zwischen Stellungsregler und Antriebskammer integriert. Diese ermöglichen im Falle eines Defektes am Stellungsregler oder am Magnetventil den Austausch des defekten Gerätes, ohne das Regelventil selbst außer Betrieb zu setzen bzw. ohne die Verwendung abenteuerlicher Hilfsmittel zur mechanischen Fixierung der Ventilspindel. Aufgrund der hohen mechanischen Reproduzierbarkeit des Anbaus und aufgrund der Fähigkeit aller aktuellen intelligenten Stellungsregler, alle Einstellungen und Regelparameter auf ein Austauschgerät zu übertragen, kann beim Austausch des Stellungsreglers meist auf eine Neu-Initialisierung verzichtet werden.

Speziell für Anlagen in der Lebensmittelindustrie, der pharmazeutischen Industrie und der Feinchemie wurde der Kompaktantrieb MF0 entwickelt. Hier wurde erstmals bei einem Membran-Stellantrieb die von Schaltantrieben in der sterilen Prozesstechnik bekannte Bauweise mit einer vollverschweißten Edelstahl-Antriebskammer übernommen. Diese Bauform ermöglicht durch den Wegfall des Schraubenkranzes zur Membraneinspannung kleinstmögliche Abmessungen und bietet eine glatte, korrosionsbeständige und leicht zu reinigende Oberfläche ohne Schrauben und andere scharfe Kanten. Trotz der vollverschweißten Bauform bietet der MF0 alle Eigenschaften, die von einem modernen Stellantrieb in der Prozessindustrie erwartet werden, wie den einfachen Austausch aller dynamischen Dichtelemente sowie die einfache Möglichkeit der Umkehr der Wirkrichtung vor Ort ohne zusätzliche Teile. Ebenfalls vorhanden ist eine Stellungsregler-Schnittstelle mit interner Luftführung und der Möglichkeit zur Beschleierung des Federraums; auf Wunsch ist auch hier eine Schnittstelle nach VDI/VDE-Richtlinie 3847 erhältlich.

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