Früherkennung für mitdenkende Prozesse

Messkupplungen für verbesserte Armaturendiagnostik

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24.09.2019 Um ein frühzeitiges Fehlverhalten bei Armaturen zu erkennen, muss die Armaturendiagnose bei Armaturen in eingebautem Zustand und unter Prozessbedingungen erfolgen. So lassen sich unter Betriebsbedingungen Fehler erkennen, bevor die Zuverlässigkeit von Armaturen nicht mehr gegeben ist.

Entscheider-Facts

  • Bestehende Messverfahren in der Armaturendiagnostik reichen für Industrie-4.0-Anwendungen noch nicht aus, da sie keine ausreichenden Daten für mitdenkende Prozesse liefern.
  • Die hier beschriebenen Messverfahren ermöglichen direkte Messungen zur Zustandsüberwachung von Armaturen, um diese Lücke zu schließen.

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Drehantrieb (oben) mit Torsions-Messkupplung und Verstärker (mittig im Bild) auf einem Kugelhahn. Bilder: Wesa-Control

Armaturen müssen im Produktionsprozess zuverlässig arbeiten, Dichtigkeit und Funktionen sind im Betrieb unerlässlich. Antrieb, Armatur und Kupplung haben in der Einheit hohe sicherheitstechnische Anforderungen zu erfüllen. Bei Störungen und in Notfällen muss gewährleistet sein, dass sie in ihre vorgesehene Sicherheitsstellung fahren, um dort ihre Funktion zu erfüllen. Somit ist eine Überwachung der Zuverlässigkeit und Fahrweisen unerlässlich.

Grenzen bisheriger Diagnostik

Bisher werden bei Auf-Zu-Armaturen Endlagenschalter oder Wegmessungen von 0 bis 90 ° verwendet. Weil die Endlagenschalter oder Wegmessungen auf dem Antrieb montiert sind, zeigen sie die Stellung des Antriebs an, und damit in der Regel auch die Stellung der Armatur, sofern die Welle nicht gebrochen ist. Beide Messungen geben allerdings keine ausreichende Aussage über den Qualitätszustand der Armatur ab. Eine frühe Erkennung von Fehlverhalten ist so nicht möglich, da auch keine Daten gesammelt oder Kurven aufgezeichnet werden. Bei den analog angesteuerten Armaturen arbeitet man bereits mit sogenannten intelligenten Stellungsreglern. Diese messen den Weg von 0 bis 90 °, verfügen über Auf-oder-Zu-Meldung, messen die Laufzeit sowie den Druck im Antrieb und bilden daraus eine Aussage über den Zustand der Armatur. Über die Druck-Laufzeitmessung lassen sich Veränderungen in der Laufzeit feststellen.

Nachteilig wirken sich die Reibungskräfte des Antriebs aus, da diese mit in die Messung einfließen. Deshalb können Veränderungen ihre Ursachen im Antrieb haben und nicht in der Armatur. Es lässt sich nicht unterscheiden, wo genau die Veränderung herkommt, da es keine direkte Messung gibt. In den Endlagen kann eine Laufzeit kein auswertbares Messergebnis liefern. Auch im Regelvorgang ist die Laufzeitmessung nicht unbedingt zur Qualitätsbestimmung geeignet.

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Hubarmatur mit Linearmesskupplung (links), in der Kraftrichtung des Antriebs eingebaut.

Diese Art der Messeinrichtung ist dennoch die häufigste angewendete Methode, um eine Armaturendiagnostik zu begründen – obwohl sie nur eine halbe oder geringe Aussage über den Qualitätszustand liefert. Der Kern von Industrie 4.0, ein gewissermaßen mitdenkender Prozess, lässt sich so noch nicht erfüllen. Gleiches gilt auch für Armaturen mit Elektroantrieben, jede drehantriebgetriebene Armatur und alle Linear- oder Hubarmaturen.

Neue Kupplungen für direkte Messung

Durch die von Wesa-Control entwickelte Torsionsmesskupplung (TMK) und Linearmesskupplung (LMK) lassen sich die bisherigen Nachteile bei den eben genannten Messungen ausgleichen. Mit diesen beiden Messverfahren lassen sich der Qualitätszustand und die Zuverlässigkeit bei eingebauten Armaturen bestimmen. Die Messkupplungen sind als Ergänzung zu den bisherigen Messverfahren zu sehen. Sie schließen somit eine Lücke in der Armaturendiagnostik und ermöglichen einen mitdenkenden Prozess.

Es handelt sich bei dem Messverfahren um eine direkte Messung, die bei den Armaturen das Drehmoment oder die Presskräfte erfasst. Die Messungen sind dabei nicht laufzeitabhängig, sondern kraftabhängig. Die Methode erfasst den Qualitätszustand der Armatur im Neuzustand und vergleicht diesen stetig mit dem Betriebszustand. Gemessen wird das statische und dynamische Drehmoment.

Jede Armatur verfügt über Reibungskräfte, die erforderlich sind, um die Dichtigkeit zu erfüllen. Diese Reibungskräfte müssen mit einem Drehmoment überwunden werden, um eine Bewegung zu erzielen. Dieses Drehmoment wird bei jeder Bewegung gemessen und mit dem Neuzustand verglichen. Überschreiten die Abweichungen in gewissen Toleranzgrenzen den Ursprungswert, so hat sich der Qualitätszustand einer Armatur verändert.

Grafik

Mit Torsionskupplung aufgezeichnete Messkurven (rechts): Die blaue Kurve stellt die Basiskurve dar, aufgenommen im Neuzustand der Armatur. Die rote Kurve ist die Betriebskurve. Eine Ablagerung verursacht hier ein von -45 auf -75 Nm angestiegenes Drehmoment. Andere Messverfahren können solche Abweichungen auf Grund ihrer Bauart nicht erfassen.

Auch im Stillstand und bei jedem Drehwinkel oder Ventilhub liefern die beiden Messkupplungen ein verwertbares Messergebnis. Bisher genutzte Messverfahren können dagegen im Stillstand kein verwertbares Messergebnis liefern. Die bleibende Verdrehung und die Reibungszonen sind damit ein Qualitätsmerkmal der Direktmessungen.

Aufbau der Messungen

Bei Drehantrieben wird die normale Kupplung durch eine TMK ersetzt. Die LMK ist in der Kraftrichtung des Antriebs eingebaut. Die Auswertung kann über das Leitsystem oder andere Auswertesysteme erfolgen. Anschließend lässt sich mit der direkten Messung der Qualitätszustand der Sitzgarnitur, der Stopfbuchse und der Ventilspindel prüfen. Gemessen wird an der Sitzgarnitur, ob ein Materialabtrag entstanden ist oder sich ein Belag gebildet hat. An der Stopfbuchse wird gemessen, ob diese dicht ist. Gleichzeitig wird durch die Reibungszone erkannt, ob die Ventilspindel keinen Abtrag hat. An den Veränderungen der Reibungszonen lassen sich Veränderungen des Gesamtzustands der Armatur sehr gut erkennen. Sowohl bei Dreh- als auch bei Hubarmaturen lassen sich auch im Stillstand auswertbare Messergebnisse ablesen.

 

Heftausgabe: Oktober/2019

Über den Autor

Franz Saal, Wesa-Control
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