Emergency Shut Dow Partial Stroke Test ohne Gefahr by sanmelody

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									SAMSON

Emergency Shut Down –
„Partial Stroke Test” ohne Gefahr




Sonderdruck aus
„atp – Automatisierungstechnische Praxis”
Jahrgang 48 · Heft 5 · 2006


Verfasser:
Dipl.-Ing. Ulrich Schulz, SAMSON AG
Emergency Shut Down – „Partial Stroke Test” ohne Gefahr
Dipl.-Ing. Ulrich Schulz, SAMSON AG


Ventile in verfahrenstechnischen Anlagen arbeiten zuverlässig und verrichten über große Zeitspannen hinweg ihre Aufgaben.
Daneben finden sich Absperrarmaturen, die nur im Notfall betätigt werden. Sie verharren die ganze Zeit über in einer Endlage
und lauern auf einen Ernstfall. Tritt dieser Ernstfall ein, so muss sich die Armatur bewegen und in die entsprechende gewünschte
Lage verfahren. Passiert dies nicht, so ist der Prozess in Gefahr und Schlimmeres kann eventuell nicht verhindert werden. Daraus
folgt, dass die sichere Funktion der Armatur eine Art „Versicherung“ für die gesamte Anlagensicherheit ist. Da diese Armatur im
Normalfall nicht gebraucht wird, gibt es auch keine Aussage über deren Funktion bis zum Zeitpunkt des Ernstfalls.
Ein Ausweg aus diesem Dilemma ist der so genannte „Partial Stroke Test“, den ein neu entwickelter Stellungsregler von SAMSON
wirksam durchführen kann. Dieser verfährt die Armatur von Zeit zu Zeit in einem einstellbaren Zeitintervall über eine parame-
trierbare Hubhöhe. Dieses Verfahren hat zwei Vorteile:
• Bewegt sich die Armatur ohne Schwierigkeiten über ein Teil des Hubbereichs, so kann man die Aussage ableiten, dass es sehr
   wahrscheinlich ist, dass sie sich die Armatur auch über den ganzen Bereich verfahren lässt.
• Frei nach dem Motto „Wer rastet, der rostet“, ist die Funktion einer Armatur sicherer, wenn sie von Zeit zu Zeit bewegt wird.
   Durch die Bewegung wird die Armatur von Ablagerungen befreit, die durch ein schwieriges Produkt entstehen können.



„Voilà“, wird sich der Betreiber sagen, „damit ist meine Anlage         ausgehen, dass sie auch vollständig schließen wird. Die ma-
für den Ernstfall gerüstet und funktioniert sicher, wann immer          thematische Beschreibung hierfür kann der Literatur entnom-
auch dieser schlimme Tag X kommen mag“, wenn die Notfall-               men werden [1-4].
einrichtung gebraucht wird.                                             Welcher Sprung aus Anwendersicht ausreichend ist, um das
Doch so einfach ist die Sache nicht. Welches sind die Randbe-           sichere Schließen zu gewährleisten, kann mit der Sprunghöhe
dingungen für solch einen Test? Findet nun so ein „Partial Stroke       parametriert werden. Je nach Anwendung, Produkt und Stell-
Test“ statt, so darf der laufende Prozess durch das teilweise           glied braucht man mehr oder weniger Hub bzw. Drehwinkel,
Verfahren der Sicherheitsarmatur nicht gefährdet werden. Das            um ein sicheres Bewegen für den Ernstfall zu gewährleisten.
ist das oberste Gebot! Doch wo sind die Gefahren im Detail?             Der Stellungsregler hat zwei grundsätzliche Betriebsmodi für
Wurde eine Armatur lange Zeit nicht bewegt, so wird sie sich            den Test:
nicht leicht verfahren lassen. Ein Aufbringen von hohen Kräften         • ESD-Hand und
wird eventuell von Nöten sein, so dass sich die Stellarmatur,           • ESD-Automatik.
wenn sich nun die Blockade löst, viel zu weit bewegt. Aber ein
plötzliches Verfahren des Hubes über/unter einem gewissen               Im Hand-Modus muss der Test immer vom Anwender ausgelöst
Wert ist auf alle Fälle zu unterbinden, um den laufenden                werden. Dann kann der Betreiber das Stellglied vor Ort beob-
Prozess nicht zu gefährden. Diese Gegensätze gilt es unter ei-          achten und kontrollieren. Bewegt es sich nicht wie gewollt, so
nen Hut zu bringen und zwei Fliegen mit einer Klappe zu                 kann eingegriffen und Schlimmeres verhindert werden.
schlagen: zum einen die sichere Funktion der Sicherheitsarmatur         In der Betriebsart „Automatik“ führt der Stellungsregler selbst-
zu gewährleisten, zum anderen ein hohe Sicherheit zu garan-             ständig den „Partial Stroke Test“ aus. Die Zeit, in welchen Inter-
tieren, den Prozess nicht zu beeinträchtigen.                           vallen die Tests wiederholt werden sollen, kann vom Anwender
Welche technischen Möglichkeiten der neu entwickelte Stel-              parametriert werden. Dieses hat den entscheidenden Vorteil,
lungsregler der SAMSON AG bietet, um solche schwierigen                 dass der Anwender mit Wartungsintervallen entlastet ist, in de-
ESD-Anwendungen sicher in den Griff zu bekommen, soll in                nen er die ESD-Armatur von Zeit zu Zeit kontrollieren müsste.
diesem Bericht gezeigt werden.                                          Der Regler übernimmt alles, ohne ein Wartungsintervall zu ver-
                                                                        gessen. Doch kein Vorteil ohne Nachteil: Führt der Stellungs-
Der ESD-Test (Hand-/Automatik-Test):                                    regler einen Test selbstständig aus, so ist keine Person vor Ort,
Bei dem ESD-Test geht es darum, die Armatur partiell zu be-             welche eingreifen könnte, falls sich das Stellglied nicht nach
wegen. Bewegt sie sich um ein Stück, so kann man davon                  Spezifikation verhält.


Sonderdruck aus „atp – Automatisierungstechnische Praxis” · Jahrgang 48 · Heft 5 · 2006                                                 3
                                                                                            Bild 1: Verlauf eines Tests mit Y-Überwachung
                                                                                            bei intakter Armatur



Für dieses Szenario enthält der Stellungsregler spezielle Funk-     wenig ( ∂w(t ) / ∂t ≈ 0 ), und in Folge dominiert der D-Anteil
tionalitäten, die ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleisten,        nicht das Stellsignal. Man könnte den D-Anteil stattdessen auch
ohne dass durch Personal der Test an der Armatur überwacht          abschalten, jedoch würde dann der Stellungsregler zu träge bei
werden muss. Diese Eingreiffunktionalität agiert sehr viel          einer auftretenden Störung reagieren. Ein weiterer Grund, wel-
schneller als Wartungspersonal vor Ort. Der Mikrokontroller         cher gegen die Abschaltung des D-Anteils spricht, ist, dass sich
im Stellungsregler, welcher den Test überwacht, arbeitet im         der Regelkreis durch die geänderte Reglereinstellung aufschwin-
Millisekundenbereich, was jede noch so schnell eingreifende         gen könnte, dadurch wäre wieder der Prozess in Gefahr.
Person vor Ort langsam aussehen ließe.                              Der mathematische Zusammenhang stellt sich dabei wie folgt
Um den „Partial Stroke Test“ sicherer zu machen, wurden             dar:
zwei Funktionen im Stellungsregler integriert, um eine hohe         Regeldifferenz des Reglers:
Prozesssicherheit für die Anlage zu gewährleisten. Wie diese
                                                                    e(t ) = w(t ) − x(t )
Funktionen arbeiten und was mit ihnen möglich ist, soll nun
im weiteren vorgestellt werden.                                     PD-Regler:
                                                                                 ⎡           ∂e(t ) ⎤
                                                                    y (t ) = K P ⎢e(t ) + TD
ESD-Abbruchbedingung Y:
                                                                                 ⎣            ∂t ⎥  ⎦
Will man das Stellglied überwachen, damit ein Befüllen bzw.
ein völliges Entlüften eines klemmenden Antriebes vermieden         mit: ∂w(t ) / ∂t ≈ 0 durch die eingesetzte Rampe für den
wird, so muss das Stellsignal überwacht werden. Der Stellungs-      Sprung und einen funktionierenden Regelkreis vorausgesetzt,
regler Typ 3730 regelt über einen PD-Algorithmus, wobei der         der schneller folgt als die eingestellte Rampenzeit:
D-Anteil eine sehr hohe Verstärkung aufweist. Dieses macht
                                                                    ∂[w(t ) − x(t )]
eine Stellgrößenüberwachung unmöglich, da das Stellsignal                            ≈0
durch diesen hohen D-Anteil schon bei kleinen Sprüngen                    ∂t
meist in die Sättigung getrieben wird.                              Damit hängt das Stellsignal y(t) im Wesentlichen nur noch
Gelöst wurde dieses Problem über eine Rampenfunktion. Der           von der Regeldifferenz e(t) ab, vorausgesetzt die offene
Testsprung des „Partial Stroke Test“ wird über eine Rampe ver-      Kreisverstärkung ist sehr groß:

                                                                    y (t ) ≈ K P [e(t )]
schliffen und verläuft so nur mit geringer Geschwindigkeit.
Dadurch ändert sich die Führungsgröße w(t) zeitlich nur sehr


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Ist der Antrieb nun blockiert, so steigt die Regeldifferenz e(t)
an. Somit kann anhand der Größe des Stellsignals y(t) die
Fehlfunktion erkannt werden.
Wird nun ein Sprung über eine Rampe gefahren, so sind die
Änderungen im Stellbereich sehr gering. Tritt eine Störung
auf, z. B. ein klemmender Antrieb, so greift der Regler mit
aller Macht ein und nutzt den ganzen Stellbereich aus. Somit
kann das Stellsignal mit einer Grenze überwacht werden,
während man durch diese einen direkten Aufschluss über den
Zustand der Armatur erhält.                                             Bild 2: Losbrechen eines festgefahrenen Antriebs
Die Rampenzeit wird vom Stellungsregler anhand der physi-
kalischen Laufzeiten der Anordnung automatisch vorgeschla-              schwierige Produkte z. B. Kaugummi, Kleber, Lacke etc. sein.
gen. Dieses ist jedoch nur als Vorschlag zu sehen und kann              Dadurch ist es kaum möglich, eine Abbruchbedingung an-
vom Anwender noch individuell verändert werden.                         hand von y(t) aufzubauen, da der volle Stelldruckbereich be-
Vor der Aktivierung der Stellsignalüberwachung muss der                 nötigt wird, um die Blockade der Armatur zu lösen. Eine
Anwender einen „Partial Stroke Test“ durchführen, um die phy-           Überwachung anhand von y(t), wie im letzten Abschnitt ge-
sikalischen Gegebenheiten anhand eines Referenzlaufs einzu-             zeigt, scheidet somit aus. Doch wie kann eine Armatur er-
messen. Dabei wird das minimale Stellsignal (Ymin) ermittelt            kannt werden, die festgefahren ist?
und als „Y Überwachung Min“ auf dem Display oder in den                 In einem solchen Fehlerfall weist die Armatur eine sehr hohe
Oberflächen dargestellt. Wie das nachfolgenden Beispiel                  Haftreibung auf. Wird nun ein kleiner Sprung mit einem Partial
zeigt, wurde für Ymin 3106 1/s ermittelt (siehe Bild 1).                Stroke Test vorgegeben, so kann folgendes passieren: löst sich
Um die Abbruchbedingung in Stellgröße Y zu aktivieren,                  die Armatur aus ihrer festgefahrenen Position, so bricht sie
muss die Y- Überwachung aktiviert werden. Der Ymin-Wert                 schlagartig los und schießt über den gewünschten Sprung hin-
muss mit einer Sicherheit als Überwachungswert eingetragen              aus. Denn die nunmehr aufgebrachten höheren Antriebskräfte
werden. In diesem Beispiel wurde 2500 1/s verwendet                     werden nach Lösen der Armatur plötzlich nicht mehr benötigt,
(Sicherheit 606 1/s). Der ESD-Test muss in der Oberfläche                was Folgen hat: Dieses erschließt sich im Überschießen des
aktiviert werden. Im vorliegenden Beispiel ist die ESD-Funktion         X–Signals (siehe Bild 2). Wie weit sie zufährt, bei gleichem
auf „Auto“ gestellt, dadurch wird je nach eingestellter Zeit            vorgegebenen Sprung, ist ein indirektes Maß dafür, wie sehr
das Ventil zyklisch getestet. Im Screenshot ist auch zu erken-          sie festgeklebt war. Ein mechanisches System setzt in den sel-
nen, dass der Ymin-Wert stochastisch ist und in Normalfall              tensten Fällen schlagartig ganz aus. Vielmehr wird es schlei-
immer ein wenig schwankt (siehe gelbe Kurve Stellsignal                 chend seine gewohnten Eigenschaften verlieren. So wird eine
Bild 1). Ist die Abbruchbedingung in Y aktiviert, wird ein              Armatur, die zum Klemmen bzw. Festbacken neigt, immer stär-
klemmender Antrieb bei einem Partial Stroke Test erkannt.               ker klemmen und somit auch immer mehr im Testsprung über-
Fällt nun Y unter den eingestellten Überwachungswert, wie               schießen. Dadurch ist die Über wachung in X ein gutes Kriterium
dies bei einem klemmenden Antrieb der Fall ist, so bricht der           zum Aufschluss auf die Funktionssicherheit der Armatur und
Test ab. So kann vermieden werden, dass der Antrieb voll-               somit ein Maß für die Wartung.
ständig entlüftet wird. Dieses hätte nämlich zur Folge, dass            Das Bewegen des Antriebs bis ca. 75 %, wie das Diagramm
das Ventil bei einem Losbrechen der Blockade in die Endlage             suggeriert, ist kein echtes Bewegen. Durch die blockierende
fährt und somit den Prozess gefährdet. Dieses gilt es aber a            Armatur werden sehr hohe Kräfte vom Antrieb auf den
priori durch den intelligenten ESD-Stellungsregler zu vermei-           Drosselkörper in der Rohrleitung aufgebracht. Da diese
den. Der Stellungsregler erkennt die Blockade und bricht den            Kraftverbindung elastisch ist und die Bewegung nahe am
Test sofort ab, ohne den Prozess zu gefährden.                          Antrieb gemessen wird, kann der Stellungsregler eine Bewe-
Ein gescheiterter Test wird mit einem „fail“-Symbol unter               gung erkennen.
Status ESD Test angezeigt.                                              Die vermessene Anordnung (in Bild 2) ist ein Drehantrieb mit
                                                                        einer Klappe; die Position des Stellungsreglers wird an der
Abbruch in X                                                            Welle gemessen. Die Klappe klemmt so hart im Anschlag, dass
Wenn Armaturen länger still stehen, kann es sein, dass sie              sich die Welle elastisch tordiert. Ist die Torsion und die damit
festgeklebt sind. Grund dafür können, wie schon erwähnt,                entstehende Kraft groß genug, so bricht die Klappe los.


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                                                                                               Überwachen eines Antriebes



Damit der Betreiber auch einen solch schweren Fall überwa-             flusst bleibt. Die zwei Verfahren „Y-Über wachung“ und „X–
chen und dennoch eine zuverlässige Aussage über seine                  Über wachung“ bieten durch ihre Parametrierung eine indivi-
Stellarmatur fällen kann, wurde eine Abbruchbedingung in X             duelle Anpassung an die entsprechenden Gegebenheiten der
eingebracht, mit deren Hilfe festgelegt wird, wie weit bei ei-         Anlage. Ein „Partial Stroke Test” ist dadurch mit geringer
nem Partial Stroke Test die Position sich absenken darf, damit         Gefahr für den laufenden Prozess möglich.
der Test noch gültig ist. Wird dieses X nun unterschritten, so         Der Stellungsregler Typ 3730 mit ESD, auf den sich der
ist der ESD-Test ungültig und die Stellarmatur muss gewartet           Fachbericht bezieht, wird in Kürze bei der SAMSON AG er-
werden. In Bild 3 ist eine mögliche Einstellung gezeigt, um ein        hältlich sein.
solches Verhalten zu detektieren.

Das „fail“-Symbol verdeutlicht im Parameter „Status ESD Test“,         Literatur
dass der Test nicht erfolgreich war. Die Ursache sowie die             [1] William L. Mostia Jr.: Ins and Outs of Partial Stroke Testing; 9/2001
                                                                       [2] William L. Mostia Jr.: Testing of SIS Valves
genauen charakteristischen Messwerte für den Abbruch kön-              [3] William L. Mostia Jr.: Partial Stroke Testing SIMPLE OR NOT?; 11/2003
nen im Order „Datenlogger“ eingesehen werden.                               CONTROL
                                                                       [4] Angela Summers, Bryan Zachary: Partial-Stroke Testing of Safety
                                                                            Block Valves ; 1/2000 SIS-TECH Solutions
Zusammenfassung
Emergency Shut Down-Anwendungen sind normale Anwen-
                                                                                         Dipl.-Ing. Ulrich Schulz (38) machte eine Lehre zum
dungen in der verfahrenstechnischen Industrie. Da diese für                              Mess- und Regelmechaniker bei BASF Ludwigshafen.
die Sicherheit der Anlage im Fehlerfall zuständig sind, müssen                           Nach Abschluss war er dort mehrere Jahre in der War-
sie zuverlässig funktionieren. Diese Funktionalität gilt es mit zy-                      tung beschäftigt und somit für die Automatisierungs-
                                                                                         technik von verfahrenstechnischen Anlagen mit verant-
klischen „Partial Stroke Tests“ sicher zu stellen. Dabei muss dem                        wortlich. Danach studierte er an der Universität Pader-
Anwender die Furcht genommen werden, dass diese lange Zeit                               born Elektrotechnik, Fachrichtung Automatisierungs-
nicht genutzten Ventile durch den Test schlagartig schließen                             technik. Seit dem Abschluss ist er in der SAMSON AG
                                                                                         als Entwicklungsingenieur mit Schwerpunkt Stellungs-
und den laufenden Prozess gefährden. Gelöst wird dieses
                                                                                         reglerentwicklung beschäftigt.
Problem durch einen neu entwickelten Stellungsregler. Er be-
                                                                                         Anschrift: SAMSON AG, Mess- und Regeltechnik,
sitzt zwei automatische Verfahren, welche sicherstellen, dass                            Weismüllerstraße 3, 60314 Frankfurt am Main,
der laufende Prozess trotz Testdurchlauf möglichst unbeein-                              Telefon: 069 4009-1663, E-Mail: uschulz@samson.de


6                                                   Sonderdruck aus „atp – Automatisierungstechnische Praxis” · Jahrgang 48 · Heft 5 · 2006
                                                                                                       2006-07 DR · WA 177 DE




SAMSON AG · MESS- UND REGELTECHNIK · Weismüllerstraße 3 · 60314 Frankfurt am Main
Telefon: 069 4009-0 · Fax: 069 4009-1507 · E-Mail: samson@samson.de · Internet: http://www.samson.de

								
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