Bauart 3730
EXPERTplus-Ventildiagnose für Stellungsregler Typ 3730-6

Anwendung
EXPERTplus erfasst Stellventil-Fehlzustände im laufenden Prozess (Automatikbetrieb) und gibt Hinweise auf erforderliche Instandhaltungsmaßnahmen. Zusätzlich werden zahlreiche Tests
im Handbetrieb zur gezielten Fehlerortung angeboten.

EXPERTplus ist eine im Stellungsregler integrierte Diagnosefirmware, die eine vorbeugende, zustandsorientierte Wartung vonStellventilen mit pneumatischem Antrieb erlaubt.
Die Diagnosefunktionalitäten von EXPERTplus sind vollständig im
Stellungsregler Typ 3730-6 integriert. Das Sammeln der Diagnosedaten sowie die Auswertung und das Speichern erfolgt im Stellungsregler. Aus der Auswertung werden klassifizierte
Statusmeldungen gemäß NAMUR-Empfehlung NE 107 über den
Stellventilzustand generiert.
Merkmale•• Diagnosefirmware für Regelventile•• Inbetriebnahmeüberwachung•• Diagnosefunktionen ohne zusätzliche Sensorik möglich(Ausnahme: Ermittlung der inneren Leckage mithilfe des optionalen Leckagesensors)•• Zyklische Abfrage der Diagnosedaten, multiplexerfähig•• Auswertung und Speicherung der Diagnosedaten im Stellungsregler•• Protokollierung mit Betriebsstundenzähler für die zeitliche Einordnung der Daten und Ereignisse•• Automatische Generierung von Statusmeldungen•• Statusklassifikation und Sammelstatus basierend auf der NAMUR-Empfehlung NE 107•• Aufzeichnung von minimaler und maximaler Temperatur mit
Angabe der Verweildauer bei Überschreiten der Grenzwerte•• Anzeige von klassifizierten Statusmeldungen und Sammelstatus in der Bediensoftware, im Display des Stellungsreglers undam Störmeldekontakt

Bild 1: Regelventil mit elektropneumatischem Stellungsregler
Typ 3730-6 mit HART®-Kommunikation und Drucksensoren

Bediensoftware
Der komfortable Zugang, die Darstellung und die Bearbeitung
der Diagnose ist mit der SAMSON-Software TROVIS-VIEW gegeben und leicht erlernbar. Durch die Integrationsmöglichkeiten mit
eDD, eEDD, FDT/DTM sind die Diagnosefunktionen auch in weiteren Engineering Tools problemlos verfügbar.
•• TROVIS-VIEW · Bedienoberfläche zur Konfiguration und Parametrierung verschiedener SAMSON-Geräte.
•• FDT · Field Device Tool - für die herstellerunabhängige Integration von Feldgeräten.
•• DTM · Device Type Manager - Festlegung der Geräte- undKommunikationseigenschaften.
•• DD/eDD · Device Description/Enhanced Device Description

Typenblatt TROVIS-VIEW
Typenblatt Stellungsregler Typ 3730-6

T 6661
T 8384-6

Ausgabe Februar 2015

Typenblatt

T 8389-1

Diagnosefunktionen
Die Diagnosefunktionen von EXPERTplus teilen sich in die beiden Hauptgruppen Beobachterfunktionen und Dynamiktests auf.
•• BeobachterfunktionenDaten werden während des laufenden Prozesses – ohne Beeinträchtigung des Regelbetriebs – gesammelt, im Stellungsregler gespeichert und ausgewertet. D. h., der Stellungsregler folgt jederzeit dem vorgegebenen Sollwert. Bei einem
Ereignis wird eine klassifizierte Status- oder Fehlermeldung
generiert.

1 Initialisierungsergebnis
Um eine einwandfreie Inbetriebnahme sicherzustellen, überwacht EXPERTplus den automatischen Initialisierungslauf. Dabei
werden der Nennbereich, die Öffnungs- und Schließzeit desVentils sowie die Regelparameter Proportionalitätsfaktor Kp-Stufe und Vorhaltezeit Tv-Stufe ermittelt. Zusätzlich werden Initialisierungsfehler wie „Status Zuluftdruck”, „Anbau”, „Initialisierungszeit überschritten” oder „Stiftposition/Schalterstellung” gemeldet.

•• Dynamiktests
Hier werden – ähnlich wie bei den Beobachterfunktionen –Daten gesammelt, im Stellungsregler gespeichert und ausgewertet. Nur wird die Ventilstellung nicht vom Sollwert, sondern durch die Einstellungen der Testprozedur vorgegeben.
Dynamiktests dürfen nur gestartet werden, wenn der Anlagenzustand dies auch zulässt (z. B. Anlagenstillstand oderWartung in der Werkstatt).
Tabelle 1 zeigt die einzelnen Diagnosefunktionen mit den dazugehörigen Testauswertungen.

2 Diagnoseübersicht und Prozessmesswerte
EXPERTplus stellt die im Stellungsregler gesammelten wichtigsten Prozessgrößen wie Sollwert w, Istwert x (Ventilstellung),
Betriebszustand, aktuelle Betriebsart, Zuluftdruck ps und Stelldruck pout dar. Bei Regelventilen wird zusätzlich die pneumatische Leckage dargestellt.

2		T 8389-1

Tabelle 1: Funktionsübersicht EXPERTplus
Funktion

Auswertung

Initialisierungsergebnis

Nennbereich, minimale Laufzeit AUF und ZU, Zuluftdruck bei der Initialisierung, Proportionalitätsfaktor Kp-Stufe, Vorhaltezeit Tv-Stufe, Schalterstellung ATO/ATC (Schließstellung)vgl. Kapitel
1

Meldungen: Status Zuluftdruck, x > Bereich, Δx < Bereich, Anbau, Initialisierungszeit überschritten, Int. Magnetventil/Zwangsentlüftung/Zuluftdruck, Laufzeit unterschritten, Stiftposition/Schalterstellung, Keine Notlaufeigenschaft, Ventilsignatur abgebrochen
Prozessmesswerte

Sammelstatus, Betriebsstundenzähler, Sollwert w, Istwert x (Ventilstellung), Regeldifferenz e,Betriebszustand, Betriebsart, Zuluftdruck, Stelldruck, Absolutes Wegintegral, interne Gerätetemperatur, Dynamischer Belastungsfaktor, Differenzdruck, Durchfluss

2Überwachung
StatusmeldungenSammelstatus

3.1
Anzeige und Protokollierung klassifizierter Statusmeldungen und des Sammelstatus

Protokollierung

3.2
3.3

Beobachterfunktionen
Datenlogger

Entsprechend der Startbedingung

4.1.1

Ventilsignatur

Meldungen: Reibungsänderung, Zuluftdruck, Leckage Pneumatik, Defekt der Antriebsfedern

4.1.2

Histogramm Ventilstellung xMeldungen: Änderung des Stellbereichs, Stellbereich

4.1.3

Histogramm Regeldifferenz e

Mittlere Regeldifferenz

4.1.4

Meldungen: Beschränkung Stellbereich, innere Leckage, Mechanische Verbindung Stellungsregler/Stellventil
Histogramm Zyklenzähler

Dynamischer Belastungsfaktor

4.1.5

Meldung: Äußere Leckage
Leckagesensor

Meldung: Innere Leckage

4.1.6

Endlagenverlauf

Nullpunktverschiebung

4.1.7

Meldung: Endlagenverlauf
Dynamiktests
Tote Zone Stellgerät
Binäreingang

Tote Zone–T 8389-1		

4.2.1
53

3 Überwachung

3.3 Protokollierung

3.1 Statusmeldungen
Der Stellungsregler enthält ein integriertes Diagnosekonzept,
um klassifizierte Statusmeldungen gemäß NAMUR-Empfehlung NE 107 zu generieren.
Meldungen, die aus der Auswertung der Diagnose resultieren,können klassifiziert werden.

Die letzten dreißig generierten Klartextmeldungen werden imStellungsregler mit Zuordnung zum Betriebsstundenzähler undAngabe über die Dauer der anstehenden Meldung gespeichert. Die Protokollierung von Meldungen, die aus der Diagnose resultieren, kann deaktiviert werden.

Folgende Klassifizierungen sind möglich:•• Keine Meldung
Ist einem Ereignis „Keine Meldung“ zugeordnet, so hat dieses Ereignis keinen Einfluss auf den Sammelstatus.
•• Funktionskontrolle
Am Gerät werden Test- oder Abgleichprozeduren durchgeführt, das Gerät kann für die Dauer dieser Prozedur seiner
Aufgabenstellung vorübergehend nicht folgen.
•• Wartungsbedarf/Wartungsanforderung
Das Gerät kann seiner Aufgabenstellung noch (eingeschränkt) folgen, ein Wartungsbedarf bzw. überdurchschnittlicher Verschleiß wurde festgestellt. Der Abnutzungsvorrat ist bald erschöpft bzw. nimmt schneller ab als vorgesehen. Ein Wartungseingriff ist mittelfristig notwendig.
•• Außerhalb der Spezifikation
Das Gerät wird außerhalb der spezifizierten Einsatzbedingungen betrieben.
•• Ausfall
Der Stellungsregler kann aufgrund einer Funktionsstörung
im Stellungsregler oder an seiner Peripherie seiner Aufgabenstellung nicht folgen oder hat noch keine erfolgreiche Initialisierung durchlaufen.

3.4 Dynamische HART®-Variablen
Den vier dynamischen HART®-Variablen können die Größen
Sollwert, Sollwert der Wirkrichtung, Sollwert nach Laufzeitvorgabe, Istwert (Ventilstellung), Regeldifferenz, absolutes Wegintegral, Zustand Binäreingang, Status internes Magnetventil/Zwangsentlüftung, Sammelstatus, Temperatur, Pegelwert (Leckagesensor), Umgebungsdruck, Stelldruck, Zuluftdruck, Durchfluss und Differenzdruck sowie alle aktiven Fehler zugeordnet
werden.

3.2 Sammelstatus gemäß NE 107
Um eine bessere Übersicht über den Zustand des Stellventils
zu gewährleisten, werden alle Statusmeldungen zu einem
Sammelstatus zusammengefasst. Er ergibt sich aus der Verdichtung aller Statusmeldungen des Geräts. Die Statusmeldung mit der höchsten Priorität bestimmt den Sammelstatus.
Der Sammelstatus wird weiterhin über den Störmeldekontakt
abgebildet.
Statusmeldung
Ausfall

TROVIS-VIEW
oder DTM

Stellungsregler

Prioritätrot
Textmeldung z. B.

FunktionskontrolleorangeAußerhalb der Spezifikation

gelb

Wartungsbedarf/
Wartungsanforderungblau

Keine Meldung, o. k.

grün

TESTING, TUNE
oder TEST
blinkend

4 Diagnosefunktionen
Die Auswertung der Diagnosefunktionen bietet Hinweise auf
ein mögliches Fehlverhalten des Stellgeräts.

4.1 Beobachterfunktionen
Das kontinuierliche Aufnehmen der Diagnoserohdaten (w, x,pout und e) im Stellungsregler gibt Aufschluss über das Stellverhalten des Stellventils unter Prozessbedingungen.
Die Protokollierung der Signale erlaubt eine Auswertung fürden aktuellen Messausschnitt und für die gesamte Lebensdauer des Stellungsreglers.

4		T 8389-1

Es sind Aussagen möglich wie z. B.:–– Ventilstellungsbereich o. k.
–– Ventil arbeitet vorwiegend in einer der Endlagen.
–– Dynamischer Belastungsfaktor
Daraus können Maßnahmen zur vorausschauenden Wartunggeneriert werden. Weiterhin wird auch ein akuter Handlungsbedarf gemeldet.

4.1.1

Datenlogger

Der Datenlogger nimmt die Messgrößen Ventilstellung x, Sollwert w, Regeldifferenz e und Stelldruck pout auf. Die aufgezeichneten Messwerte werden grafisch über die Zeit abgebildet. In einem Ringspeicher werden die letzten 100 Messwerte
je Messgröße abgelegt. Der Zeittakt zwischen den einzelnen
Messpunkten ist frei wählbar.
Neben der permanenten Aufnahme kann die Aufzeichnung
der Daten im aktiven Prozess automatisch angestoßen werden, wenn eine zuvor definierte Startbedingung erfüllt ist.

4.1.2

Ventilsignatur

4.1.3

Histogramm Ventilstellung x

Die Ventilsignatur zeichnet den Stelldruck pout in Abhängigkeit
von der Ventilstellung x, den Zuluftdruckverlauf (Zuluftdruck ps
gegen Anzahl der Messungen) und die Reibung (Hysteresegegen Ventilstellung x) auf.
Für die Überwachung im laufenden Regelbetrieb ist zunächst
die Aufnahme der Referenzkurve (Stelldruck pout gegen
Ventilstellung x) erforderlich.
Mit Hilfe der Ventilsignatur kann EXPERTplus folgende Fehlzustände erkennen:–– Federvorspannung an den Antriebsfedern reduziert–– Nullpunktfehler–– Zuluftdruck zu hoch, schwankt, zu gering, nicht vorhanden oder überschreitet die zulässigen Grenzen.
–– Reibungsänderung im Gesamtbereich/in der Mittelstellung/nahe maximaler Öffnung/nahe Schließstellung größer oder kleiner
Das Histogramm Ventilstellung x ist eine statistische Auswertung der aufgezeichneten Ventilstellungen. Es zeigt, wo dasVentil in seiner Lebenszeit vorwiegend gearbeitet hat und ob
sich ein Trend für die Änderung des Arbeitsbereichs abzeichnet.
In grafischer Form werden eine Langzeit- und eine Kurzzeitbeobachtung generiert.
Arbeitet der Stellungsregler vorwiegend nahe oder in derSchließstellung/maximalen Öffnung oder zeigt sich eine Arbeitsbereichsverschiebung, generiert EXPERTplus eine entsprechende Meldung.

4.1.4

Histogramm Regeldifferenz e

Das Histogramm Regeldifferenz e ist eine statistische Auswertung der aufgenommenen Regeldifferenzen. Es gibt Aufschluss
darüber, in welcher Höhe die Regeldifferenzen während derLebenszeit des Stellventils auftreten und ob möglicherweise
Fehlzustände vorliegen. Die Regeldifferenz ist im Idealfall
möglichst klein.
In grafischer Form stehen eine Langzeit- sowie eine Kurzzeitbeobachtung zur Verfügung.

Weist das Histogramm auf eine innere Leckage des Ventils hinoder ist der Stellbereich nach oben oder unten beschränkt,generiert EXPERTplus eine entsprechende Meldung.

4.1.5

Histogramm Zyklenzähler

4.1.6

Leckagesensor

Das Histogramm Zyklenzähler liefert eine statistische Auswertung der Zyklenspanne bzw. Zyklenhöhe und damit Informationen über die dynamische Beanspruchung des Balgs und/oder der vorhandenen Packung.
Durch die Erweiterung des Stellungsreglers mit einem Leckagesensor ist es möglich, Leckagen in der Schließstellung festzustellen. Zu diesem Zweck ermittelt der Leckagesensor den
Schallpegel beim Dichtschließen und vergleicht den aktuellen
Pegelwert mit vorgegebenen Alarmgrenzen.
Um die Funktionalität des Leckagesensors nutzen zu können,
muss zunächst das Ansprechverhalten des Leckagesensors auf
normierte Standardbedingungen und auf die herrschenden
Prozessbedingungen gemessen werden. Außerdem sind dieGrenzwerte für die Alarmauslösung vorzugeben.
EXPERTplus generiert eine Meldung, wenn eine der Grenzwerte für die Alarmauslösung überschritten wird.

Bild 2: Stellventil Typ 3241-7 mit Stellungsregler Typ 3730-6 undoptionalem Leckagesensor

4.1.7

EndlagenverlaufÜber den Endlagenverlauf kann sowohl ein alternierender
Nullpunkt als auch eine schleichende Nullpunktverschiebung
aufgrund von Verschleiß an Sitz und Kegel oder aufgrund vonVerschmutzungen erkannt werden.
Der Endlagenverlauf erfasst beim Anfahren der unteren
Endlage die Ventilstellung x und den Stelldruck pout zusammen
mit dem Zeitstempel des Betriebsstundenzählers. Die neu erfasste Ventilstellung wird mit dem zuletzt gespeicherten Nullpunkt verglichen. Weicht sie um einen definierbaren Grenzwert vom letzten Wert ab, werden die Daten des neuen Nullpunkts gespeichert.
Die gespeicherten Ventilstellungen der unteren Endlage werden grafisch über die Zeit dargestellt.
Bei Verschiebungen der Endlage generiert EXPERTplus eineentsprechende Meldung.

T 8389-1		

5

4.2 Dynamiktests

Darstellung und Parametrierung

Zur Sicherheit lassen sich die Dynamiktests nur starten, wennsich der Stellungsregler in der Betriebsart HAND befindet.
Weiterhin muss sichergestellt sein, dass die Anlage und ein
laufender Prozess ein Durchfahren des Arbeitsbereichs zulässt.
Die Dynamiktests liefern einen Überblick über den aktuellen
Stellventilzustand und eventuelle Fehlfunktionen. Sie unterstützen damit die Fehlersuche und die Planung von Wartungsarbeiten.

Die von der Diagnosefirmware im Stellungsregler gesammelten Daten, Testergebnisse und Statusmeldungen werden vonden Programmen TROVIS-VIEW oder dem DTM komfortabel
grafisch aufbereitet und angezeigt.
Weiterhin sind die Diagnosedaten mit der DD (Device Description) auch anderen Engineering Tools zugänglich. Die Integration mit eDD (Enhanced Device Description) gestattet
eine grafische Darstellung (z. B. mit Siemens PDM, AMS). Die
Darstellung ist von dem entsprechenden Bedienprogramm abhängig.

4.2.1

Diagramme in TROVIS-VIEW, DTM, eDD

Tote-Zone-Stellgerät

Als „Tote Zone“ wird die Betragsdifferenz des Sollwerts w bezeichnet, die eine minimale Änderung der Ventilstellung x
herbeiführt.
Die Tote Zone des Stellgeräts wird beeinflusst von der Reibungshysterese und den elastischen Vorgängen in der Packung für die Ventilstangenabdichtung.
Der Stellungsregler gibt in einem definierbaren Testbereich
den Sollwert w in kleinen Sprüngen vor und zeichnet jeweils
die Antwort der Ventilstellung x auf. Innerhalb des Testbereichs wird der aufsteigende und abfallende Ast aufgezeichnet. Die Antwort der Ventilstellung x auf die Sollwertänderung
Δw wird als Diagramm dargestellt.
Die Tote Zone wird bei einer Sprunghöhe <0,2 % im Stellungsregler ermittelt und ausgewertet.

5 BinäreingangÜber den optionalen Binäreingang sind verschiedene Aktionen, die auch die Diagnosefunktionen betreffen, ausführbar.
Dabei werden die Aktionen vom Stellungsregler protokolliert.

Die gesammelten Rohdaten und Testergebnisse–– Prozessmessgrößen,–– Ventilsignatur,–– Endlagenverlauf,–– Tote Zone Stellgerät,sowie die vom Datenlogger gesammelten Größen (w, x, e,pout) werden durch die Software mit der Trend-Viewer-Funktionalität in einer entsprechenden Kurve grafisch dargestellt.
Die in Kapitel 4.1.3 bis 4.1.5 beschriebenen Lang- und Kurzzeitbeobachtungen werden in Form von Balkendiagrammen
dargestellt.
Bei der Ventilsignatur und den Histogrammen wird zwischen
Langzeit und Kurzzeit unterschieden.
Die Darstellung macht Veränderungen im Stell- und Regelverhalten sichtbar und unterstützt vorausschauende Wartungsmaßnahmen.

6		T 8389-1

T 8389-1		

7

SAMSON AG · MESS- UND REGELTECHNIK
Weismüllerstraße 3 · 60314 Frankfurt am Main
Telefon: 069 4009-0 · Telefax: 069 4009-1507
samson@samson.de · www.samson.deT 8389-1

2015-02-20 · German/Deutsch

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