Neues Verfahren zum Prüfen von Steuerungsventilen

11-06-2018 | Kalibrierung

Schnelle Ermittlung von Problemen dank automatisierten Ventilprüfungen ohne Demontage

Intelligente Proportional-Steuerungsventile spielen in der Prozessindustrie eine wichtige Rolle. Die genaue Beurteilung des Ventilzustands kann jedoch eine lästige und umständliche Pflicht sein, die oftmals mit erheblichen Ausfallzeiten und der Demontage der Ventile aus der Prozessanlage einhergeht.

Stromschleifenkalibrator und Ventiltester Fluke 710 bei der Fehlersuche an einem HART-Steuerungsventil in einer Prozessanlage

Proportionalventile werden stetig geöffnet und geschlossen und weisen je nach dem 4–20-mA-Signal, mit dem sie beaufschlagt werden, einen variablen Öffnungsgrad auf. Viele Ventile liefern ein Rückmeldesignal, das die tatsächliche Position als Öffnungs- bzw. Schließgrad in Prozent angibt. Bei diesem Signal kann es sich um ein 4–20-mA-Signal oder um eine digitale HART-Variable handeln, über die die Betriebsstellung des Steuerungsventils zwischen 0 und 100 Prozent abgebildet wird.

Ein weiterer wichtiger Kennwert für den Zustand eines Ventils ist der vom Ventil für das Einnehmen der gewünschten Stellung benötigte Druck. Ein Ventil kann beispielsweise so programmiert werden, dass es bei 12 mA zu 50 % geöffnet ist. Mithilfe einer intelligenten Elektronik wird ein intelligenter Druckregler angesteuert, mit dem der Druck nach Bedarf so erhöht oder verringert wird, dass das Steuerungselement die gewünschte Position einnimmt.

Ob ein Steuerungsventil innerhalb des gesamten Bereichs ordnungsgemäß funktioniert, kann durch Anlegen eines Eingangssignals mit variablem mA-Wert und gleichzeitiges Überwachen des mA- bzw. Prozentwerts des Ausgangssignals festgestellt werden. Ebenso ist die Überwachung und Aufzeichnung des am eigentlichen Steuerungselement anstehenden Drucks bei Anlegen eines variablen 4–20-mA-Eingangssignals am Ventil ein wichtiger Prüfschritt zur Erkennung klemmender Ventile. Druck und mA-Wert bzw. die Stellung des Ventils verhalten sich normalerweise linear zueinander, wenn das Ventil ordnungsgemäß funktioniert. Wenn ein erhöhter Druck erforderlich ist, kann dies häufig auf ein klemmendes Ventil zurückgeführt werden. Dies wird durch die Protokollierung und grafische Darstellung der Messergebnisse ersichtlich. Durch die Aufzeichnung der Signale kann der Zustand des Ventils dokumentiert werden. Diese dokumentierten Prüfungen und Ergebnisse werden häufig als „Ventilsignatur“ bezeichnet.

In der Regel sind Ventile mit einfachen Indikatoren versehen, die näherungsweise Auskunft über den Öffnungsgrad bei einer bestimmten Einstellung im Betrieb geben. Diese Anzeige erlaubt jedoch weder eine Einschätzung der Funktionsweise des Ventils unter dynamischen und wechselnden Bedingungen noch liefert sie verlässliche und genaue Angaben.

Nachfolgend finden Sie Richtwerte für die typisch zu erwartende Ventilstellung bei Anlegen eines Stromsignals:

  • 3,8 mA – Ventil sollte in geschlossener Stellung gesperrt sein
  • 4,0 mA – Ventil sollte geschlossen bleiben
  • 4,2 mA – Ventil sollte sich leicht vom Sitz bewegen
  • 12 mA – Ventil sollte zu 50 % geöffnet sein
  • 19,8 mA – Ventil sollte fast vollständig geöffnet sein
  • 20,0 mA – Ventil sollte vollständig geöffnet sein
  • 20,2 mA – Ventil sollte in geöffneter Stellung gesperrt sein (bei Wegfall des Stromsignals geöffnet bleiben)

Indikatoren ermöglichen die grobe Einschätzung der Ventilstellung

„Wenn der Indikator an der Seite des Ventils auf 50 % steht, können Sie dann sicher sein, dass es nicht tatsächlich zu 51 % oder zu 49 % geöffnet ist? Nein, können Sie nicht“, so Jim Shields, Produktmanager für Fluke Prozessmessgeräte. „Doch in vielen Prozessen kann dieser Unterschied ausschlaggebend sein.“

Bei den aufwändigsten Ventilfunktionsprüfungen muss das Ventil entfernt und mithilfe eines „Ventilprüfers“ auf seine Funktionsfähigkeit überprüft werden. Hierbei handelt es sich um teure, hoch entwickelte Messgeräte, die sich viele Betriebe und Werkstätten nicht leisten können. Andere Prüfungen können auch mit speziellen HART-Diagnosegeräten durchgeführt werden, diese sind jedoch mitunter schwierig einzurichten und zu bedienen.

Nach Aussage eines Schulungsleiters für Prozessinstrumente kann ein Techniker, dem ein Helfer zur Seite steht, an einem Arbeitstag etwa acht Ventile genau prüfen, also etwa eins pro Stunde. Das ist jedoch nur möglich, wenn der Helfer das Ventil aus der Prozessanlage entfernt, dem Techniker in die Werkstatt bringt und dieser die Prüfungen durchführt, während der Helfer alle mechanischen Arbeiten übernimmt. Zum Prüfen eines Ventils sind also etwa zwei Arbeitsstunden erforderlich.

Stromschleifenkalibrator und Ventiltester Fluke 710 beim Signaturtest an einem HART-Steuerungsventil in einer Prozessanlage

Automatisierung des Prüfverfahrens

Kürzlich wurde von Fluke ein Stromschleifenkalibrator vorgestellt, mit dem Ventile schnell auf ordnungsgemäße Funktion überprüft werden können. Dieses Werkzeug ermöglicht eine große Zeitersparnis und sorgt dafür, dass funktionierende Ventile nicht unnötig aus den zugehörigen Prozessanlagen entfernt werden müssen. Der Stromschleifenkalibrator und Ventiltester Fluke 710 ist das neueste Gerät einer Produktreihe, die eigens entwickelt wurde, damit Tätigkeiten, die Expertenwissen erfordern, besser von Technikern aller Qualifikationsstufen ausgeführt werden können. Gleichzeitig sollen die Modelle dieser Produktreihe alle Funktionen bereitstellen, die von einem Stromschleifenkalibrator erwartet werden.

Der Ventiltester Fluke 710 ermöglicht die Durchführung mehrerer voll automatisierter Prüfungen – dazu gehören auch Signaturtests –, mit denen der Zustand von intelligenten Proportionalventilen leicht beurteilt werden kann. Eine solche Prüfung kann häufig in nur fünf Minuten durchgeführt werden. Der Signaturtest ermöglicht eine leicht verständliche Überprüfung des Ventilzustands mit den Bewertungen gut, grenzwertig oder schlecht.

„So können auch weniger erfahrene Techniker mit der Überprüfung der Ventile betraut werden und feststellen, ob ein Experte hinzugezogen werden muss“, erläutert Shields. „Das Ventil muss nicht aus der Prozessanlage entfernt werden, was, ähnlich wie der Ausbau eines Motors, viel Arbeit bedeuten würde.“

Es müssen lediglich die Steuerungsleitungen entfernt und die Messleitungen des Fluke 710 angeschlossen werden. Anschließend wird beim Signaturtest automatisch ein Stromsignal von 4 mA angelegt, stetig bis aus 20 mA erhöht und wieder bis auf 4 mA reduziert. Dabei wird das Rückmeldesignal vom Ventil aufgezeichnet, um festzustellen, ob das Ventil ordnungsgemäß eingestellt wird. Das Gerät zeichnet außerdem den Druck auf, der bei Anlegen des Steuerstroms zwischen 4 und 20 mA und zwischen 20 und 4 mA am Ventilsteuerungselement ansteht. Dabei sind sowohl bei ansteigendem als auch bei abfallendem Steuerstrom sanfte, lineare Druckänderungen während des gesamten Verlaufs wichtig.

Prüfen eines Ventils auf guten, grenzwertigen bzw. schlechten Zustand

„Durch die Aufzeichnung des Drucks, der zum Verstellen des Ventils erforderlich ist, können Druckspitzen erkannt werden, die beim Überschreiten bestimmter Punkte in der Ventilstellung auftreten, obwohl diese Stellung unter Umständen relativ nahe an der Sollposition liegt“, so Shields.

Nach Abschluss der Prüfung erfolgt eine Bewertung des Ventilzustands – gut, grenzwertig oder schlecht. Darüber hinaus werden die Daten vom Fluke 710 aufgezeichnet, sodass sie in die Anwendungssoftware hochgeladen werden können, um weitere Analysen durchzuführen.

„Nachdem sich ein Techniker mit dem Werkzeug vertraut gemacht hat und in der Lage ist, die Prüfungen durchzuführen, kann er schnell erkennen, ob ein Experte hinzugezogen werden muss“, erklärt Shields weiter.

Stromschleifenkalibrator und Ventiltester Fluke 710 neben Computerbildschirm mit ValveTrack Software

Bewährte Verfahren: Ausgangswerte und Tendenzen

Ein bewährtes Verfahren bei der Instandhaltung von Ventilen ist die Erfassung von Ausgangsmesswerten, wenn sich die Ventile funktional in einem einwandfreien Zustand befinden. Da die meisten Ventile mit einem 4–20-mA-Eingangssignal arbeiten, kann jedes beliebige Messgerät, das ein mA-Stromsignal geben kann, das Eingangssignal zur Betätigung des Steuerungsventils innerhalb seines gesamten Betriebsbereichs liefern. Fluke 710 ist hervorragend für diesen Zweck geeignet.

Die Dokumentation erfolgt idealerweise, wenn ein Ventil neu in Betrieb genommen wird oder nach einer Überholung. Der Techniker zeichnet die „Signatur“ des Ventils im Idealzustand auf, wobei das Stromsignal am Ausgang oder sein Prozentwert dem angelegten Eingangssignal gegenübergestellt wird. Die Informationen werden mitsamt der Zeit, der Kennnummer des Ventils und dem Datum gespeichert, an dem die Prüfung ausgeführt wurde. Die Informationen können anschließend mithilfe von Software für Instandhaltungs- und Kalibriermanagement weiter verarbeitet werden.

Nachdem die Signaturen für den Ausgangszustand der Ventile erfasst wurden, muss ein Intervall für die Funktionsprüfung der Ventile festgelegt werden. Das Intervall hängt davon ab, wie stark das Ventil in der vorgesehenen Anwendung beansprucht wird. Manche Geräte, die in sicherheitsrelevanten Bereichen und Abschaltsystemen installiert sind, müssen beispielsweise alle drei Monate überprüft werden.

Der richtige Zeitpunkt zum Entfernen von Ventilen

Wenn die erfassten Daten belegen, dass die Signatur des Ventils nicht mehr linear ist oder Abweichungen in den Kurven auftreten, wird das Ventil voraussichtlich Probleme verursachen, die zur Verschlechterung seiner Betriebseigenschaften und Lebensdauer führen. In diesem Fall muss es möglicherweise zur Instandhaltung demontiert werden. Ein vom Fluke 710 als „grenzwertig“ oder „schlecht“ eingestufter Ventilzustand gibt ebenfalls Anlass, eine Justierung der Ventilsteuerung vorzunehmen und/oder einen Experten hinzuzuziehen, der feststellen kann, ob umfassendere Prüfungen außerhalb der Prozessanlage erforderlich sind.

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