DE60211325T2

DE60211325T2 - Verfahren zur erfassung des gebrochenen ventilschafts

Info

Publication number: DE60211325T2
Application number: DE2002611325
Authority: DE
Inventors: H. Brent Dallas LARSON; A. Harry Marshalltown BURNS; Keith Larry Marshalltown BROWN
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: EP1379803A1; WO2002084157A1; DE60211325D1; EP1379803B1; JP2005502824A; CA2447001C; CA2447001A1; CN1288376C; BR0208604A; CN1503884A; US6382226B1; JP4088160B2; BRPI0208604B1; MXPA03009287A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Ventilpositionierer zum Positionieren von Fluidventilen, die eine Prozeßvariable steuern, und speziell ein Verfahren zum Detektieren von gestörten Komponenten eines Steuerventils wie etwa einer beschädigten oder gebrochenen Ventilspindel oder eines beschädigten Ventilkegels oder Ventilsitzes.
Ein solches Verfahren ist aus dem Dokument US6131609 bekannt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ventilpositionierer werden allgemein verwendet, um Fluidventile und zugehörige Fluide in Öl- und Gasrohrleitungen, chemischen Verarbeitungsbetrieben usw. zu steuern. Typischerweise haben die Ventilpositionierer Mikroprozessoren zur Verwendung bei der präzisen Steuerung des Prozeßfluids und zur Durchführung von Diagnosevorgängen an dem Ventil.
In der Prozeßsteuerungsindustrie werden verschiedene Arten von Positionierern verwendet. Manche Positionierer sind mechanisch mit einem Betätiger gekoppelt, wogegen bei anderen der Betätiger in den Positionierer integriert ist. Der Betätiger bildet ein Element zum physischen Positionieren des Ventils und kann elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben werden. Elektrische Betätiger haben ein Stromsignal, das einen Motor treibt, der das Ventil positioniert. Hydraulische Betätiger haben eine ölgefüllte Einrichtung zum Positionieren des Ventils. Ein pneumatischer Betätiger, der einen Kolben oder eine Kombination aus einem Kolben und einer Membran hat, ist die bei weitem üblichste Art von Ventilbetätiger in der Prozeßsteuerungsindustrie. In Abhängigkeit von der Anwendung und dem Integrationsgrad der Steuerung empfangen Positionierer von einer Steuereinheit mehrere Arten von Eingängen, die für die gewünschte Ventilposition repräsentativ sind. Ein Typ ist ein Stromeingang mit einer Größe von 4-20 mA oder 10-50 mA, ein zweiter ist ein Digitalsignal, das dem Stromsignal überlagert ist, und ein dritter ist ein vollständig digitaler Eingang wie etwa Fieldbus oder HART^®. Alternativ kann der Positionierer einen pneumatischen Eingang von 3-15 psi (pounds per square inch) empfangen, der für die gewünschte Ventilposition repräsentativ ist. In Abhängigkeit von dem Integrationsgrad und auch dem Anwendungsfall haben Positionierer verschiedene Arten von Ausgängen. Manche Positionierer liefern einen Ausgangsstrom an einen Motor, wogegen andere einen rasch ansprechenden hydraulischen Ausgang haben. Die häufigste Art von Positioniererausgang ist ein pneumatischer Druckausgang von 0-200 psi. Positionierer umfaßt im vorliegenden Zusammenhang alle diese im Feld angeordneten Instrumente einschließlich der verschiedenen Eingänge und Ausgänge sowie, soweit zutreffend, ihre jeweiligen Mittel zum Positionieren von Ventilen.
Im häufigsten Fall eines Betätigers mit Feder und Kolben/Membran wird die Membran durch den vom Positionierer zugeführten Druck ausgelenkt, wodurch sie eine Kraft bzw. eine Drehkraft auf eine Steuerventilspindel bzw. ein Drehelement aufbringt, um die Position des Ventils zu ändern. Nahezu alle Positionierer haben einen mechanischen oder einen elektronischen Positionssensor, der ein Positionssignal abgibt, das zu einem Mikroprozessor-basierten Steuerabschnitt des Positionierers rückgeführt wird. Unabhängig von den speziellen Einrichtungen zum Aufbringen von Kraft zur Positionierung eines Ventils sind Positionierer, die Mikroprozessor-basierte Steueralgorithmen haben, bekannt.
In den eigenen US-Patentschriften 5 549 137, 5 558 115 und 5 573 032 wird ein Mikroprozessor-basierter Ventilpositionierer angegeben, der Echtzeit-Diagnoseeinrichtungen hat, um Informationen über die Integrität von Ventil und Betätiger zu liefern. Alle diese Mikroprozessor-basierten Positionierer können nicht ohne weiteres eine gebrochene Ventilspindel, einen gebrochenen oder beschädigten Ventilkegel oder einen gebrochenen oder beschädigten Ventilsitz detektieren. Wenn die Ventilspindel beispielsweise auf solche Weise bricht, daß das Gestänge zum Positionierinstrument intakt ist, überwacht das Instrument die Rückkopplung und Position des Betätigers in die von dem Instrument angenommene korrekte Ventilposition, ohne daß der Ventilkegel tatsächlich bewegt wird. Bei einem modernen Mikroprozessor-basierten Positionierinstrument sollte der Positionierer durch das Ereignis eines Ventilspindelbruchs hindurch rasch ansprechen (typischerweise in weniger als 100 ms). Eine schnelle Reaktion des Instruments würde eine mögliche Überwachung des Ventilbetriebs durch einen Hauptrechner maskieren, so daß das Auftreten des Ventilspindelbruchs weiterhin undetektiert bleibt, bis aufgrund des gestörten Ventilbetriebs irgendeine Änderung des Prozesses eintritt. Unter diesen Bedingungen könnte der Ventilkegel auf eine Weise ausfallen, die den Prozeß nicht erheblich stört, und daher kann die/der gebrochene oder beschädigte Ventilspindel/-kegel/-sitz über einen langen Zeitraum weiterhin unerkannt bleiben. Dies würde schließlich zu einem Verlust der Prozeßsteuerung führen.
Die tatsächliche Detektion von solchen gebrochenen Ventilkomponenten wie einer gebrochenen oder beschädigten Spindel, eines solchen Kegels oder Sitzes würde einen Vibrationssensor oder einen anderen hochentwickelten mechanischen Sensor notwendig machen, der teuer ist und außerdem an der Positionierer-/Ventil-Baugruppe zusätzliche Hardware erforderlich machen würde. Es ist daher erwünscht, eine Technik anzugeben, die verwendet werden kann, um einen ausreichenden Hinweis auf einen möglichen Bruch einer Ventilkomponente zu liefern, so daß eine Untersuchung durch einen Techniker geboten ist. Insbesondere wäre es vorteilhaft, ein solches Spindel-/Kegel-/Sitzverlust-Detektierverfahren bereitzustellen, das keine zusätzlichen mechanischen Komponenten notwendig macht und unabhängig von jeder speziellen Ventilkonfiguration ist und somit ohne weiteres implementiert werden kann, um einen frühzeitigen Warnhinweis zu liefern, daß ein Bruch einer Ventilkomponente vorliegen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren angegeben zum Liefern einer Anzeige eines möglichen Ausfalls einer Ventilspindel oder eines Ventilkegels oder eines Ventilsitzes bei einer Konfiguration, bei der ein Mikroprozessorbasierter Ventilpositionierer einen Ventilbetätiger und ein Fluidsteuerventil in einem Prozeßsteuerungssystem steuert.
Insbesondere wird das Antriebssignal zu dem Mikroprozessor-basierten Strom-/Druck- bzw. I/P-Ventilpositionierer überwacht; der Antriebsdruckausgang des mit dem Ventil betätiger gekoppelten Ventilpositionierers wird ebenfalls überwacht, um eine vorbestimmte Änderung von einem stabilen Antriebsdruck ohne Änderung des Sollwert-Antriebssignals, das dem Ventilpositionierer zugeführt wird, zu detektieren. Die Ventilspindelpositions-Rückkopplung wird ebenfalls überwacht, um eine vorbestimmte Änderung von einer stabilen Ventilspindelpositions-Rückkopplung ohne Änderung des Sollwert-Antriebssignals zu detektieren. Wenn mindestens eine der vorbestimmten Änderungen des stabilen Antriebsdrucks und der Ventilspindelpositions-Rückkopplung detektiert wird, wird eine Spindel-/Kegel-/Sitz-Ereignisanzeige geliefert.
Beim Auftreten einer Spindel-/Kegel-/Sitz-Ereignisanzeige wird eine Überwachung eines Prozeßwerts initiiert, um eine Abweichung des Prozeßwerts zu detektieren, wobei etwa die Beziehung der Prozeßströmungsrate in bezug auf einen Sollwert überwacht wird und alle Änderungen in der Beziehung ohne Änderung des Sollwerts detektiert werden. Eine Abweichung des Prozeßwerts ohne Änderung des Sollwerts ist ein Anzeichen für einen möglichen Ventilspindelbruch oder einen beschädigten Ventilkegel oder Ventilsitz.
Bei der Implementierung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden zwei Alarmdetektionen parallel durchgeführt. Der erste Alarm ist ein Ventilstörungsalarm. Ein solcher Alarm bezeichnet eine erhebliche Änderung, etwa eine Änderung von mehr als 10 % im Antriebsdruck und/oder in der Ventilpositions-Rückkopplung ohne eine entsprechende Änderung des Sollwerts. Die Detektion einer solchen erheblichen vorbestimmten Änderung ermöglicht dann das Detektieren eines zweiten Alarms.
Der zweite Alarm ist auf die Suche nach einer Änderung der Beziehung zwischen dem Sollwert und einem Prozeßwert ohne eine Änderung des Sollwerts. Wenn eine Differenz detektiert wird, könnte ein Ereignis übermittelt werden, das ein mögliches Spindel-/Kegel-/Sitz-Problem bezeichnet. Der Bediener sucht dann nach einem Prozeßproblem, und wenn ein solches detektiert wird, führt das zu einer Überprüfung des Ventils durch eine Person.
Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß es möglich ist, Probleme mit einem Ventil frühzeitig zu detektieren und dadurch mögliche Verluste an teurem Prozeßfluid zu vermeiden. Außerdem kann die vorliegende Erfindung dazu genutzt werden, Fluidsteuerventile zu erkennen und auszuwählen, die eventuell eine Überprüfung benötigen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, die als neu angesehen werden, sind insbesondere in den beigefügten Patentansprüchen angegeben. Das Verständnis der Erfindung ergibt sich am besten aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind; die Zeichnungen zeigen in:
1 eine schematische Darstellung eines Mikroprozessor-basierten Ventilpositionierers, der einen Betätiger und ein Fluidsteuerventil in einem Prozeßsteuerungssystem betätigt; und
2 ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung verdeutlicht.
GENAUE BESCHREIBUNG
1 zeigt einen Mikroprozessor-basierten Ventilpositionierer 10, der einen Strom-/Druck-Positionierer 12 und einen Mikroprozessor 14 aufweist. Der Ventilpositionierer 10 ist mit einem Eingangsdruck 16 gekoppelt und empfängt ein Antriebssignal auf der Eingabeleitung 18, um auf einer Ausgabeleitung 20 einen entsprechenden Antriebsdruck an einen Ventilbetätiger 22 zu liefern. Der Ausgang des Betätigers 22 ist mit einer Ventilspindel 24 eines Fluidsteuerventils 26 verbunden. Das Ventil 26 ist in eine Rohrleitung 28 eines Fluidprozeßsystems eingefügt. Die Ventilspindel 24 ist mit einem Ventilkegel 30 verbunden, der abdichtend mit einem Ventilsitz 32 in Eingriff gelangt, um den Fluidstrom von dem Ventileinlaß 34 durch den Ventilsitz in der Offenposition des Ventils und zu einem Ventilauslaß 36 zu steuern.
Bei typischen Operationen des Fluidprozeßsteuerungssystems liefert eine Sollwertschaltung 38 ein Antriebssignal auf der Eingangsleitung 18 zum Mikroprozessor 14 und bewirkt dadurch eine Bewegung der Ventilspindel 24 durch den Betätiger 22, so daß am Auslaß 36 des Ventils 26 ein erwünschter Prozeßwert erhalten wird. Dieser Prozeßwert, der beispielsweise eine gewünschte Strömungsrate sein kann, wird von einer Prozeßwertmeßeinrichtung 40 bestimmt und beispielsweise mit einer wohlbekannten Prozeß-PID-Einheit 42 (Proportional-Integral-Differential-Einheit) gekoppelt, um den Sollwert 38 neu einzustellen. Eine wohlbekannte Rückkopplungskonfiguration zwischen der Ventilspindel 24 und dem Ventilpositionierer 10 ist durch ein Rückkopplungsgestänge 44 gebildet, das mit der Ventilspindel gekoppelt ist, um Informationen in bezug auf die Ventilspindelposition an einen Ventilpositionssensor 46 zu liefern. Ein Ventilpositions-Rückkopplungssignal von dem Ventilpositionssensor 46 wird auf einer Rückkopplungsleitung 48 mit dem Mikroprozessor 14 gekoppelt.
Bei diesem typischen Fluidprozeßsteuerungssystem kann ein Standard-Ventilpositionierer nicht ohne weiteres eine gebrochene Ventilspindel 24 detektieren. Wenn die Ventilspindel 24 an einer Stelle zwischen dem Rückkopplungsgestänge 44 und dem Ventilkegel 30 bricht, aber das Rückkopplungsgestänge 44 zu dem Betätiger 22 noch intakt ist, überwacht ein Standardpositionierer die Rückkopplung und Position des Betätigers in die von dem Positionierer angenommene korrekte Position, ohne daß der Ventilkegel 30 infolge der gebrochenen Ventilspindel 24 wirklich bewegt wird. Bei einem modernen Feldinstrument sollte außerdem ein Positionierer sehr rasch auf ein solches Ereignis ansprechen (typischerweise innerhalb von weniger als 100 ms). Eine rasche Reaktion eines Feldinstruments maskiert jegliche Standardüberwachung der Ventilleistung, so daß die gebrochene Ventilspindel undetektiert bleibt, bis irgendeine Prozeßwertänderung auftritt, die von der Prozeßwertmeßeinheit 40 wegen des gestörten Ventilbetriebs erfaßt wird. Wie bereits erwähnt, könnte unter bestimmten Bedingungen der Ausfall von Ventilspindel und -kegel auf eine Weise vorliegen, daß der Prozeß nicht erheblich gestört wird, so daß der Bruch von Spindel/Kegel über eine gewisse Zeit unerkannt bleiben könnte. Das würde zu einem Verlust der Prozeßsteuerung führen.
Es wird nun auf 2 Bezug genommen, die ein Verfahren zur Lieferung einer Anzeige eines möglichen Problems bei der Ventilspindel, dem Kegel oder Sitz zeigt und gemeinsam mit anderen Indikatoren verwendet werden kann, um einen Hinweis zu geben, daß eine Überprüfung durch einen Techniker stattfinden sollte. Bei dem Ventilpositionierer 10 der vorliegenden Erfindung hat der Mikroprozessor 14 einen Detektieralgorithmus 50 für eine gebrochene Ventilspindel/Ventilkegel/Ventilsitz, der die in 2 gezeigten Schritte ausführt.
Wie 2 zeigt, wird in Schritt 52 der Antriebsdruck auf Leitung 20, der aus einem Sollwert-Antriebssignal resultiert, überwacht, um festzustellen, ob ein stabiler Antriebsdruck 52 aufrechterhalten wird. Außerdem wird in Schritt 54 die Ventilpositions-Rückkopplung auf der Rückkopplungsleitung 48 überwacht, um festzustellen, ob eine stabile Positions-Rückkopplung 54 stattfindet. Wenn ein stabiler Antriebsdruck 52 und eine stabile Positions-Rückkopplung 54 vorhanden sind, wird entschieden, daß keine Spindelaktivität 56 vorliegt, und der Detektierroutine-Ausstieg 58 ist erreicht. Wenn jedoch die Ventilspindel beispielsweise bricht, ändert sich die auf den Betätiger 22 wirkende Kraft, da der Ventilkegel eine gewisse Kraft von dem Prozeß (oder von Reibungskräften vom Ventilkörper) bis zu dem Betätiger leitet.
2 zeigt zwei parallel ablaufende Alarmdetektionen. Der erste Alarm dient als ein Ventilstörungsalarm. Ein solcher Alarm wäre eine signifikante Änderung, beispielsweise eine 10 % übersteigende Änderung des Antriebsdrucks 20 gemäß der Bestimmung durch den Überwachungsschritt 52 für den stabilen Antriebsdruck, und/oder eine mehr als 10 % betragende Änderung der Ventilpositions-Rückkopplung 48 gemäß der Bestimmung durch den Überwachungsschritt 54 für die stabile Positions-Rückkopplung, und zwar ohne eine entsprechende Änderung im Sollwert 38. Wenn daher in Schritt 52 kein stabiler Antriebsdruck vorhanden ist, wird auf Leitung 60 ein Alarm erzeugt, um ein Spindelereignis 62 zu erzeugen. Wenn eine mehr als 10 % betragende Änderung der Ventilpositions-Rückkopplung vorhanden ist, wird gleichermaßen diese Änderung von dem Schritt 54 für die stabile Positions-Rückkopplung überwacht und eine Anzeige auf Leitung 64 geliefert, um ein Spindelereignis 62 zu erzeugen.
Das erzeugte Spindelereignis 62 initiiert einen Prozeßabweichungs-Detektierschritt 66, der nach einer Prozeßabweichung in der Prozeßwertmeßeinheit 40 für einen bestimmten Sollwert innerhalb eines Zeitfensters, d. h. bezogen auf die Prozeßansprechzeit (d. h. die sogenannte "Tot"- bzw. "Unempfindlichkeitszeit"), sucht, das beispielsweise in einem früheren Testzyklus bestimmt wurde, wobei das Verhältnis zwischen dem Testzyklus-Prozeßwert und dem Sollwert in dem Mikroprozessor 14 gespeichert wurde.
In einem Prozeßvergleichsschritt 68 wird die Beziehung zwischen dem Sollwert und dem Prozeßwert (d. h. dem Sollwert 38 und dem gemessenen Prozeßwert 40) ohne eine Änderung des Sollwerts betrachtet. Dabei sucht der Prozeßänderungs-Vergleichsschritt 68 nach einer Änderung der Beziehung zwischen dem momentanen Sollwert und dem Prozeßwert und vergleicht mit einer früheren Beziehung des Testzyklus-Sollwerts zu dem Prozeßwert für eben diese Steuereinheit bei demselben Sollwert. Wenn eine Differenz in der Beziehung zwischen dem Prozeßwert und dem Sollwert detektiert wird, wird ein Ereignis festgestellt und ein Spindel- und Prozeßwarnschritt 70 ausgeführt, um einen Bediener dahingehend zu warnen, daß ein mögliches Ventilspindel-, Ventilkegel- oder Ventilsitzproblem vorliegt. Der Bediener kann dann nach einem Prozeßproblem suchen, das, wenn es detektiert wird, zu einer Überprüfung des Ventils 26 durch eine Person führt.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung dient nur der Verdeutlichung und dem Verständnis und enthält keine unnötigen Beschränkungen, da Modifikationen für den Fachmann ersichtlich sind.

Claims

Verfahren zum Liefern einer Anzeige eines möglichen Ausfalls einer Ventilspindel oder eines Ventilkegels oder eines Ventilsitzes eines Mikroprozessor-basierten Ventilpositionierers, der eine Sollwerteingabe hat, und zum Liefern eines Antriebssignals zum Steuern eines Ventilbetätigers mit entsprechendem Antriebsdruck zur Betätigung und Positionierung einer Ventilspindel und eines Ventilkegels in Bezug auf einen Ventilsitz eines Fluidsteuerventils in Abhängigkeit von der Ventilspindelpositions-Rückkopplung zu dem Ventilpositionierer, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Überwachen des Antriebssignals; Überwachen des Antriebsdrucks zu dem Ventilbetätiger, um eine vorbestimmte Änderung von einem stabilen Antriebsdruck ohne Änderung des Sollwerts zu detektieren; Überwachen der Ventilspindelpositions-Rückkopplung zu dem Ventilpositionierer, um eine vorbestimmte Änderung von einer stabilen Ventilspindelpositions-Rückkopplung ohne Änderung des Sollwerts zu detektieren; Liefern einer Spindel-/Kegel-/Sitz-Ereignisanzeige, wenn mindestens eine von den vorbestimmten Änderungen des stabilen Antriebsdrucks und der Ventilspindelpositions-Rückkopplung detektiert wird; Reagieren auf die Spindel-/Kegel-/Sitz-Ereignisanzeige und Intitiieren einer Überwachung eines Prozesswerts, um eine Abweichung des Prozeßwerts zu detektieren, wobei die Überwachung ein Überwachen der Beziehung des Prozesswerts in Bezug auf einen Sollwert und ein Detektieren von Änderungen der genannten Beziehung ohne Änderung des Sollwerts umfasst; und Liefern eines Alarms in Abhängigkeit von dem Detektieren einer Änderung der genannten Beziehung, um dadurch einen möglichen Ventilspindelbruch oder einen beschädigten Ventilkegel oder Ventilsitz anzuzeigen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Überwachung eines Prozesswerts ein Überwachen der Prozessdurchflussrate umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Überwachung der Prozessdurchflussrate ein Überwachen der Beziehung der Prozessdurchflussrate in Bezug auf einen Sollwert und das Detektieren von Änderungen der genannten Beziehung ohne Änderung des Sollwerts umfasst.