DE60220438T2

DE60220438T2 - Erkennung und nachweis von instabilitäten in steuerventilen

Info

Publication number: DE60220438T2
Application number: DE60220438T
Authority: DE
Inventors: Kenneth W. Marshalltown JUNK
Original assignee: Fisher Controls International LLC
Current assignee: Fisher Controls International LLC
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: US7039537B2; BR0214656A; MXPA04005125A; EP1451649A1; BRPI0214656B1; US6804618B2; CA2467340C; DE60220438D1; CN1599889B; US20050021298A1; CN1599889A; JP4944361B2; JP2005514676A; AU2002340197A1; AR037156A1; US20020040284A1; CA2467340A1; WO2003054640A1; EP1451649B1

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist verwandt mit der US-Patentanmeldung Serial-Nr. 09/370,474 , angemeldet 9. August 1999, mit dem Titel "Statistical Determination of Estimates of Process Control Loop Parameters", die eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung Serial-Nr. 08/939,364 , angemeldet 29. September 1997, mit dem Titel "Method of and Apparatus for Nonobtrusively Obtaining On-Line Measurements of a Process Control Device Parameter" ist und die außerdem eine regulär eingereichte Anmeldung auf der Basis der vorläufigen Anmeldung 60/098,464 , angemeldet 31. August 1998, mit dem Titel "Statistical Determination of Estimates of Process Control Loop Parameters" ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Prozeßregelungs- und -steuerungsnetze und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Ursachen von Instabilitäten wie etwa Grenzzyklen innerhalb einer Prozeßregel- bzw. -steuerschleife, während gleichzeitig die Prozeßregel- bzw. -steuerschleife beispielsweise online in eine Prozeßumgebung eingefügt ist.
STAND DER TECHNIK
Großindustrielle Herstellungs- und Raffinationsprozesse verwenden typischerweise Prozeßregel- bzw. -steuereinheiten, um den Betrieb von ein oder mehr Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen wie etwa von Ventilen auf der Basis von Rückmeldungen von einem oder mehreren Sensoren wie etwa Durchfluß-, Temperatur- oder anderen Arten von Sensoren zu regeln bzw. zu steuern. Jede Gruppe aus diesen Regel- bzw. Steuereinheiten, Ventil- und Sensoreinrichtungen bildet das, was allgemein als eine Prozeßregel- bzw. -steuerschleife bezeichnet wird. Ferner kann jedes Ventil oder jede andere Einrichtung ihrerseits eine interne Schleife aufweisen, in der beispielsweise ein Ventilpositionierer einen Ventilbetätiger steuert, um ein Stellelement wie etwa einen Ventilkegel in Abhängig keit von einem Steuersignal zu bewegen, und die Feedback von einem Sensor wie etwa einem Positionssensor erhält, um die Bewegung des Ventilkegels zu steuern. Diese interne Schleife wird auch als Servoschleife bezeichnet. Jedenfalls kann sich das Stellelement einer Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung in Abhängigkeit von sich änderndem Fluiddruck an einer mittels einer Feder vorgespannten Membran oder in Abhängigkeit von der Drehbewegung einer Achse bewegen, von denen jede durch eine Änderung des Befehlssignals verursacht sein kann. Bei einer Standard-Ventileinrichtung veranlaßt ein Befehlssignal mit einer Größe innerhalb des Bereichs von 4 bis 20 mA (Milliampere) einen Positionierer, die Fluidmenge und damit den Fluiddruck in einer Druckkammer proportional zu der Größe des Befehlssignals zu ändern. Die Änderung des Fluiddrucks in der Druckkammer veranlaßt eine Membran, sich gegen eine Vorspannfeder zu bewegen, was wiederum eine Bewegung eines Ventilkegels bewirkt.
Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen entwickeln oder erzeugen gewöhnlich ein Rückkopplungssignal, das die Reaktion der Einrichtung auf das Befehlssignal bezeichnet, und liefern dieses Rückkopplungssignal (oder die Reaktionsanzeige) an die Prozeßregel- bzw. -steuereinheit oder den Ventilbetätiger zum Gebrauch bei der Regelung bzw. Steuerung des Prozesses oder des Ventils. Beispielsweise erzeugen Ventileinrichtungen typischerweise ein Rückkopplungssignal, das die Position (z. B. die Bewegungsstrecke) eines Ventilkegels, den Druck in einer Fluidkammer des Ventils oder den Wert einer anderen Erscheinung, die auf die Ist-Position des Ventilkegels bezogen ist, bezeichnet.
Eine Prozeßregel- bzw. -steuereinheit verwendet zwar im allgemeinen diese Rückkopplungssignale gemeinsam mit anderen Signalen als Eingänge in einen hochoptimierten zentralen Steuerungsalgorithmus, der die Gesamtsteuerung eines Prozesses ausführt, es wurde jedoch entdeckt, daß eine schlechte Regel- bzw. Steuerschleifenleistung dennoch durch schlechte Betriebsbedingungen der einzelnen in der Steuerschleife miteinander verbundenen Regel- bzw. Steuereinrichtungen verursacht sein kann, was beispielsweise Instabilitäten innerhalb der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife umfassen kann. Ein System erfährt eine "Instabilität", wenn es während des Betriebs keinen Gleichgewichtspunkt erreichen kann. Betriebspersonal bezeichnet diese Instabilitäten häufig als Oszillieren, Pendeln oder Schwingen, was im Gegensatz zum Normalbetrieb ist, in dem das System einen Gleichgewichtspunkt erreicht oder sich ausbalanciert ("lines out").
In vielen Fällen können Probleme, die mit einer oder mehreren der einzelnen Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen in Zusammenhang stehen, von der Prozeßsteuerungseinheit nicht aus der Prozeßregel- bzw. -steuereinheit ausgeblendet werden, und infolgedes sen werden die eine schlechte Leistung aufweisenden Prozeßregel- bzw. -steuerschleifen auf Handbetrieb umgestellt oder bis zu einem solchen Punkt herabgestimmt, daß sie effektiv im Handbetrieb laufen. In manchen Fällen kann das Betriebspersonal Einzelschleifen feststellen, die schwingen, und dann wird die zugehörige Steuereinheit herabgestimmt oder die fehlerhafte Schleife in den manuellen Betrieb gebracht. Wenn sich das System beruhigt, erkennt das Personal, daß es sich um ein Abstimmproblem und kein Hardwareproblem handelt. Wenn der Prozeß eine wohlbekannte schnelle Dynamik (wie etwa eine Strömungsschleife) hat, korrelieren Bediener auf gleiche Weise den Ausgang der Prozeßregel- bzw. -steuereinheit mit der Prozeßvariablen. Wenn der Ausgang der Prozeßregel- bzw. -steuereinheit eine Dreieckwelle und die Prozeßvariable eine Rechteckwelle ist, wird daraus häufig der Schluß gezogen, daß das Regel- bzw. Steuerventil klemmt. Diese Adhoc-Vorgänge werden von vielen Anlagenbedienern angewandt, sind jedoch mit mehreren Einschränkungen behaftet. Beispielsweise macht es der erste Vorgang erforderlich, daß der Bediener das System in den Handbetrieb bringt, was eventuell nicht zulässig ist, insbesondere bei wegdriftenden Prozessen. Der zweite Vorgang ist geeignet, um Grenzzyklen zu identifizieren, die durch die Prozeßregel- und -steuerschleife induziert sind, ist jedoch nicht in der Lage, Instabilitäten in der Servoschleife zu verfolgen bzw. festzustellen. Außerdem ist die Korrelation zwischen einem Befehlssignal und einer Prozeßvariablen nicht immer klar aufgrund von Komplikationen wie einer integrierenden Prozeßdynamik, einer nichtlinearen Prozeßdynamik, einer kreuzgekoppelten Prozeßdynamik und Prozeßstörungen. Instabilitäten in der Servoschleife können besonders schwer zu erkennen sein, weil das Betriebspersonal keinen Zugang zu den internen Zustandsvariablen eines Regel- bzw. Steuerventils hat. Weitere Probleme treten auf, wenn Instabilitäten durch das Prozeßfluid beeinflußt werden, was bei negativen Gradienten der Fall ist. In diesen Situationen kann ein Ventil schwingen, wenn es im Gebrauch ist, verhält sich jedoch problemfrei, wenn es offline genommen wird.
Eine schlechte Regel- bzw. Steuerschleifenleistung kann gewöhnlich dadurch überwunden werden, daß der Betriebszustand oder die "Gesundheit" jeder der in die Schleife eingefügten Prozeßsteuereinrichtungen überwacht wird oder wenigstens die kritischsten Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen, die in die Schleife eingefügt sind, überwacht werden und daß die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen mit schlechter Leistung repariert oder ausgetauscht werden. Die Gesundheit einer Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung kann bestimmt werden, indem ein oder mehr Parameter, die der Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung zugeordnet sind, gemessen werden und bestimmt wird, ob der eine oder die mehreren Parameter außerhalb eines Akzeptanzbereichs liegen. Eines der Probleme, die überwacht werden können, ist die Erfassung von Instabilitäten in einer Prozeßregel- bzw. -steuerschleife oder einer Regel- bzw. Steuereinrichtung. Solche Instabilitäten können beispielsweise das Ergebnis von Grenzzyklen sein, welche die Schleife zum Schwingen bringen.
Speziell bezieht sich der Ausdruck 'Grenzzyklus' auf unerwünschte zyklische Bewegungen eines beweglichen Elements innerhalb einer Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung wie etwa eines Gleitschaftventils. Es gibt viele Ursachen für Grenzzyklen wie beispielsweise äußere Kräfte, Reibung und mechanische Unregelmäßigkeiten. Äußere Kräfte wie etwa Schütteln oder Strahlströme oder andere Kräfte, die beispielsweise einen Ventilkegel mit einem negativen Gradienten beaufschlagen, können eine Bewegung des Elements verursachen, die dann durch den Regelungs- bzw. Steuerungsmechanismus entweder innerhalb oder außerhalb der Servoschleife kompensiert wird. Reibung wie beispielsweise durch seitliche Belastung des bewegbaren Elements erhöhte Reibung kann eine Anfangsbewegung des Elements verhindern und dadurch bewirken, daß die Regel- bzw. Steuereinrichtung den Druck auf das bewegbare Element erhöht. Dieser erhöhte Druck führt zu einem Überschwingen und löst dadurch eine zyklische oder oszillierende Bewegung des Elements aus. Mechanische Unregelmäßigkeiten oder solche der Einrichtung können Wechselwirkungen zwischen der Betätigerpneumatik und derjenigen der unterstützenden Einrichtungen wie etwa von Luftzuführregeleinrichtungen, Volumenboostern oder Schnelltrennventilen oder andere Unregelmäßigkeiten umfassen, welche die unterstützenden Einrichtungen betreffen. Insgesamt können Grenzzyklen durch eine Prozeßregel- bzw. -steuerschleife selbst, durch äußere Kräfte, durch Ventilzubehöreinrichtungen, durch Reibung usw. verursacht werden.
Bisher war es nicht einfach, die Quelle oder Ursache einer Instabilität innerhalb einer Prozeßregel- oder -steuerschleife zu bestimmen, ohne daß ein Techniker das System durchprüft und diagnostiziert, was zeit- und kostenaufwendig sein kann. In manchen Fällen mußten diese Leute eine Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung aus einer Prozeßregel- bzw. -steuerschleife entfernen, um die Einrichtung auf dem Prüfstand zu untersuchen, oder als Alternative waren die Regel- bzw. Steuerschleifen selber mit Bypaßventilen und redundanten Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen ausgestattet, um die Umgehung einer bestimmten Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung zu ermöglichen und dadurch eine Einrichtung bei laufendem Prozeß zu prüfen. Alternativ mußten Betriebstechniker warten, bis ein Prozeß angehalten oder planmäßig abgeschaltet wurde, so daß die einzelnen Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen innerhalb des Prozesses, welche die Quelle einer Instabilität sein konnten, geprüft werden konnten. Jede dieser Optionen ist zeitaufwendig, teuer und führt nur zu einer intermittierenden Bestimmung von Instabilitäten in ei nem System. Außerdem eignet sich keine dieser Methoden besonders zur Bestimmung der Quelle oder Ursache einer Instabilität, während der Prozeß online im Betrieb ist, d. h. ohne daß der Prozeß gestört wird oder abgeschaltet werden muß.
Es gibt einige Versuche, Daten von einer Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung online zu sammeln und daraus einen Hinweis auf Eigenschaften einer Einrichtung zu gewinnen. Beispielsweise zeigt die US-PS 5 687 098 von Grumstrup et al. ein System, das Einrichtungsdaten sammelt und die Reaktionseigenschaften der Einrichtung konstruiert und anzeigt. Ebenso zeigt die Anmeldung mit der Serialnummer 08/939,364 , angemeldet am 29. September 1997 mit dem Titel "Method of and Apparatus for Nonobtusively Obtaining On-Line Measurements of a Process Control Device Parameter", auf der die Priorität der vorliegenden Anmeldung basiert, ein System, das Einrichtungsdaten online sammelt und diese Daten dazu verwendet, bestimmte Einrichtungsparameter wie Totband, Totzeit etc. direkt zu berechnen. Die Offenbarung der genannten Anmeldung, soweit sie sich spezifisch auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung von Online-Messungen von Parametern einer Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung bezieht (d. h. die auf die 1 bis 3 bezogene Offenbarung), wird hier ausdrücklich summarisch eingeführt. Ferner wird auch die Offenbarung der US-Patentanmeldung Serialnummer 09/370,474 , angemeldet m 9. August 1999 mit dem Titel "Statistical Determination of Estimates of Process Control Loop Parameters" ausdrücklich summarisch eingeführt. Keines der bekannten Verfahren oder Systeme bestimmt jedoch die Ursachen von Instabilitäten innerhalb eines Prozeßregel- bzw. -steuersystems, insbesondere im Online-Betrieb des Prozeßregel- bzw. -steuersystems.
US 4 885 676 wird als der nächstkommende Stand der Technik angesehen und zeigt ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren und eine Vorrichtung detektiert oder bestimmt die Ursache oder Quelle von Instabilitäten innerhalb eines Prozeßregelungs- bzw. -steuerungssystems, während die Prozeßregel- bzw. -steuerschleife online mit einer Prozeßumgebung verbunden ist. Das Verfahren und die Vorrichtung führen bestimmte Messungen von Eingängen zu oder Ausgängen von einer Prozeßregel- bzw. -steuerschleife oder Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung wie etwa einem Ventil während des Auftretens einer Instabilität durch und nutzen die gesammelten Daten, um das Vorliegen der Instabilität oder ihre Ursache zu bestimmen. Dieses System erlaubt es einem Prozeßbetreiber, beeinträchtigungsfrei eine oder mehrere Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen oder -schleifen innerhalb eines Prozesses auf kontinuierliche Weise zu überwachen, um die Ursachen oder Quellen von Instabilitäten zu bestimmen, ohne daß die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen aus der Schleife herausgenommen werden müssen und ohne daß die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen in der Schleife umgangen werden müssen und ohne daß der Regel- bzw. Steuerschleife Prüfsignale überlagert werden müssen und ohne daß der Prozeß abgeschaltet oder auf andere Weise in den Prozeß eingegriffen werden muß.
Insbesondere wird in Anspruch 1 ein Verfahren zum Bestimmen des Vorliegens einer Instabilität innerhalb einer Prozeßregel- bzw. -steuerschleife unter Verwendung einer Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung angegeben, und weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen aufgeführt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

1) Messen von zwei oder mehr Signalen innerhalb der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife, wenn die Prozeßregel- bzw. -steuerschleife und die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung -sunter normalen Betriebsbedingungen in einer Prozeßregelungs- bzw. teuerungsumgebung online miteinander verbunden und kontinuierlich in Betrieb sind;
2) Speichern der zwei oder mehr Meßsignale als zeitkorrelierte Signaldaten;
3) Ausführen einer Analyse an den gespeicherten zeitkorrelierten Signaldaten, um das Vorliegen einer Instabilität innerhalb der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife zu bestimmen.

Ein System zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens ist in Patentanspruch 23 angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockbild einer Prozeßregel- bzw. -steuerschleife, die eine Einrichtung aufweist, welche das Vorliegen von Instabilitäten und deren Quellen innerhalb einer Prozeßregel- oder -steuerschleife oder -einrichtung bestimmt;
2A u. 2B sind Diagramme eines Bewegungssignals, eines Befehlssignals und eines Netto-Betätigerdrucksignals über der Zeit für ein System, in dem Instabilitäten auftreten;
3A u. 3B sind Diagramme eines Bewegungssignals, eines Befehlssignals und eines Netto-Betätigerdrucksignals über der Zeit und bezeichnen eine durch Reibung verursachte Instabilität;
4A u. 4B sind Diagramme eines Bewegungssigals, eines Befehlssignals und eines Netto-Betätigerdrucksignals über der Zeit und bezeichnen eine Instabilität, die durch einen negativen Gradienten in einem Regel- bzw. Steuerventil mit Federwirkung bei Schließausfall verursacht ist; und
5A u. 5B sind Diagramme eines Bewegungssignals, eines Befehlssignals und eines Netto-Betätigerdrucksignals über der Zeit und bezeichnen eine Instabilität, die durch zu große Verstärkung in der Prozeßregel- bzw. -steuereinheit hervorgerufen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine Prozeßregel- bzw. -steuerschleife 10 mit Einzeleingang/Einzelausgang, die eine Prozeßregel- bzw. -steuereinheit 12 aufweist, die beispielsweise ein 4-20-mA-Befehlssignal an eine Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 sendet. Die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13, die einen digitalen Positionierer 14 und ein Regel- bzw. Steuerventil mit einem Ventilbetätiger 15 aufweisen kann, weist dabei einen Servoregler 16 auf, der ein Servoreglerausgangssignal an einen Strom-/Druck- bzw. I/P-Wandler 17 sendet. Der I/P-Wandler 17 sendet ein Erststufen-Drucksignal an eine Zweitstufen-Pneumatik 18, die beispielsweise ein Steuerschieber oder ein pneumatisches Relais sein kann. Die Zweitstufen-Pneumatik 18 regelt bzw. steuert ihrerseits pneumatisch den Ventilbetätiger und das Ventil 15 mit einem Drucksignal (z. B. Druckluft). Die Aktion des Ventils steuert die Bewegung eines bewegbaren Ventilelements wie etwa eines Ventilschafts, der darin angeordnet ist (nicht gezeigt) und seinerseits eine Prozeßvariable innerhalb eines Prozesses 20 regelt bzw. steuert. Wie es Standard ist, mißt ein Meßumformer 22 die Prozeßvariable des Prozesses 20 und übermittelt eine Anzeige der gemessenen Prozeßvariablen an einen Summenpunkt 24, welcher der Regel- bzw. Steuereinheit 12 zugeordnet ist. Der Summenpunkt 24 vergleicht den Meßwert der Prozeßvariablen (der in einen normalisierten Prozentsatz umgewandelt wurde) mit einem Sollwert, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das die Differenz zwischen beiden bezeichnet. Der Summenpunkt 24 liefert dann das errechnete Fehlersignal an die Prozeßregel- bzw. -steuereinheit 12. Der Sollwert, der von einem Anwender, einem Bediener oder einer anderen Regel- bzw. Steuereinheit erzeugt sein kann, ist typischerweise so normalisiert, daß er zwischen 0 und 100 % liegt, und bezeichnet den gewünschten Wert der Prozeßvariablen. Die Prozeßregel- bzw. -steuereinheit 12 nutzt das Fehlersignal zum Erzeugen des Befehlssignals entsprechend irgendeiner gewünschten Technik und liefert das Befehlssignal an die Einrichtung 14, wo es an einem Summenpunkt 26 mit einem Signal addiert wird, das von einem Positionssensor 27 erzeugt wurde und die tatsächliche oder momentane Position des Ventilschafts bezeichnet. Der Summenpunkt 26 erzeugt ein Fehlersignal, das der Servoregeleinheit 16 zugeführt wird, so daß die Regelung bzw. Steuerung der Prozeßvariablen durchgeführt wird.
Die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 ist so dargestellt, daß sie einen Positionierer 14 mit einer integrierten I/P-Einheit 17 aufweist, die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 kann aber jede andere Art von Ventilmechanismen oder Elementen anstelle der oder zusätzlich zu denjenigen aufweisen, die in 1 gezeigt sind, was beispielsweise eine Einrichtung umfaßt, die einen selbständigen Positionierer und eine I/P-Einheit hat. Ferner versteht es sich, daß die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 außer einer Einrichtung vom Ventiltyp auch jede andere Art von Einrichtung sein kann, die eine Prozeßvariable auf jede andere gewünschte oder bekannte Weise regelt bzw. steuert. Beispielsweise kann die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 eine Dämpfungselement etc. sein.
Eine Schätzeinheit 30, welche die Anwesenheit von Instabilitäten in der Prozeßschleife 10 oder in vielen Fällen in der Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 selber detektieren und deren Quelle bestimmen kann, ist mit der Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 oder einem anderen Teil der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife 10 unter Verwendung bekannter Sensoren gekoppelt. Die Schätzeinheit 30, die einen Rechner wie etwa einen Mikrocomputer aufweisen kann, in dem ein Speicher 31 und ein Prozessor 32 vorgesehen sind, sammelt Daten, die eines oder mehrere der Signale innerhalb der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife 10 betreffen, und bestimmt aus den gesammelten Daten das Vorhandensein von Instabilitäten und einen Schätzwert bezüglich der Quelle von Instabilitäten innerhalb des Prozeßregel- bzw. -steuersystems 10 oder der -einrichtung 13, beispielsweise unter Anwendung von ein oder mehr Computerprogrammen oder Algorithmen 33, die in dem Speicher 31 gespeichert und dazu ausgebildet sind, auf dem Prozessor 32 ausgeführt zu werden.
Wie 1 zeigt, kann die Schätzeinheit 30 ein oder mehr Signale detektieren, und zwar: das Befehlssignal, das dem Summenpunkt 26 zugeführt wird, unter Verwendung eines Stromsensors 34, den von der I/P-Einheit 17 ausgegebenen Druck unter Verwendung eines Drucksensors 35, das Betätigerbefehlssignal, das von der Zweitstufen-Pneumatik 18 ausgegeben wird, unter Verwendung von einem oder mehreren Drucksensoren 36, und die Ventilposition am Ausgang des Ventils 15 unter Verwendung des Positionssensors 27. Ferner kann der Schaftweg bzw. die Schaftbewegung bestimmt oder gemessen werden von einem Schaftwegsensor 37 unter Nutzung des Ausgangssignals des Positionssensors 27. Eine Servoausgabeeinheit 38 kann den Ausgang der Servoregeleinheit 16 überwachen und diesen Meßwert an die Schätzeinheit 30 liefern. Die Servoausgabeeinheit 38 kann eine physische Messung des Stroms vornehmen, der an die I/P-Einheit 17 geliefert wird, oder kann das digitale Ausgangssignal von dem Steueralgorithmus innerhalb der Servoregeleinheit 16 senden. Ferner dient ein Zweitstufen-Verlagerungssensor 39, der beispielsweise eine Halleffekt-Einrichtung ist, dazu, die Verlagerung eines Ventilschiebers oder Relais innerhalb der Zweitstufen-Pneumatik 18 zu messen. Natürlich werden die Ausgangssignale der Sensoren oder anderen Einrichtungen 34 bis 39 der Schätzeinheit 30 zugeführt. Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, kann das Ausgangssignal des Verlagerungssensors 39 von der Servoregeleinheit 16 genutzt werden, um beispielsweise die dynamische Reaktion des Positionierers/der Ventileinrichtung 13 zu dämpfen. Falls gewünscht, können die Drucksensoren 36 Messungen des Versorgungsdrucks und von zwei Ausgangsdrücken umfassen oder liefern, die allgemein von Positionierern geliefert werden, die Kolbenbetätiger unterstützen.
Die Schätzeinheit 30 kann außerdem oder alternativ das Sollwertsignal, das Fehlersignal am Ausgang des Summenpunkts 24, das Fehlersignal am Ausgang des Summenpunkts 26, die Prozeßvariable, das Ausgangssignal des Meßumformers 22 oder jedes andere Signal oder Phänomen detektieren, das eine Bewegung oder Betätigung der Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 bezeichnet oder der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife 10 anderweitig zugeordnet ist. Ferner ist zu beachten, daß anderen Arten von Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen andere Signale oder Phänomene zugeordnet sein können, die von der Schätzeinheit 30 genutzt werden können.
Es ist ersichtlich, daß die Schätzeinheit 30 eine Anzeige des Steuereinheit-Befehlssignals, des Servoausgangssignals des Positionierers, des Drucksignals von der I/P-Einheit 17, der Betätigerdrucksignale, der Verlagerung des Zweitstufen-Pneumatik 18, der Ventilposition, die bereits von dem Positionssensor 27 geliefert wurde, des Schaftwegs etc. lesen kann. Selbstverständlich können die von der Schätzeinheit 30 verwendeten Sensoren bekannte Sensoren und entweder analoge oder digitale Sensoren sein. Beispielsweise kann der Positionssensor 27 jede gewünschte Bewegungs- oder Positionsmeßeinrichtung sein, beispielsweise ein Potentiometer, ein linear verstellbarer Differentialwandler (LVDT), ein drehverstellbarer Differentialwandler (RVDT), ein Halleffekt-Bewegungssensor, ein magnetischer Bewegungssensor, ein einstellbarer Kondensator als Bewegungssensor etc. Es versteht sich, daß dann, wenn die Sensoren analoge Sensoren sind, die Schätzeinheit 30 einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler aufweisen kann, die das Analogsignal abtasten und das abgetastete Signal in dem der Schätzeinheit 30 zugeordneten Speicher 31 speichern. Wenn die Sensoren jedoch digitale Sensoren sind, können sie Digitalsignale direkt an die Schätzeinheit 30 liefern, die dann diese Signale auf jede gewünschte Weise in dem Speicher 31 speichern kann. Wenn ferner zwei oder mehr Signale gesammelt werden, kann die Schätzeinheit 30 diese Signale in einem wahlfreien Zugriffsbereich des Speichers 31 als Komponenten von Datenpunkten speichern, die einer bestimmten Zeit zugeordnet sind. Beispielsweise kann jeder Datenpunkt zum Zeitpunkt T₁, T₂, ... T_n eine Eingangsbefehlssignalkomponente, eine Drucksignalkomponente, eine Betätigerwegsignalkomponente etc. haben. Natürlich können diese Datenpunkte oder Komponenten davon in dem Speicher 31 oder einem anderen Speicher auf jede gewünschte oder bekannte Weise gespeichert werden.
Die Schätzeinheit 30 wurde zwar als von der Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 separat (beispielsweise in einem Hauptrechner befindlich) beschrieben, diese Einheit kann aber statt dessen in der Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 vorgesehen oder an einer anderen Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung (z. B. einer Feldeinrichtung) in einem Prozeßregel- bzw. -steuernetz, das Handeinrichtungen umfaßt, angeordnet sein. Wenn die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 eine mikroprozessor-basierte Einrichtung ist, kann die Schätzeinheit 30 denselben Prozessor und Speicher nutzen, der bereits in der Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 vorhanden ist. Alternativ kann die Schätzeinheit 30 ihren eigenen Prozessor und Speicher haben. Es ist etwa daran gedacht, daß die Analyse der Quelle von Instabilitäten in der Einrichtung durchgeführt werden kann, in der die Messungen vorgenommen werden (etwa in irgendeiner Feldeinrichtung), und daß die Ergebnisse zur Nutzung an ein Anwenderdisplay oder einen Hauptrechner übermittelt werden, oder daß als Alternative die Signalmessungen von einer Einrichtung (etwa einer Feldeinrichtung oder einer Handeinheit) durchgeführt werden und diese Meßwerte dann an eine abgesetzte Stelle (etwa einen Hauptrechner) übermittelt werden, wo die Instabilitätsanalyse durchgeführt wird.
Die Schätzeinheit 30 bestimmt oder schätzt die Quelle von Instabilitäten wie etwa Grenzzyklen innerhalb der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife 10, der Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 (oder einer anderen Einrichtung oder einem anderen Abschnitt der Pro zeßregel- bzw. -steuerschleife 10) unter Anwendung von ein oder mehr mathematischen oder statistischen Analysen auf der Basis von Meßwerten, die bevorzugt gewonnen werden, während die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 oder -schleife 10 in einer Prozeßumgebung online ist. Zur Bestimmung des Vorhandenseins von Instabilitäten oder des Vorhandenseins von solchen erfaßt die Schätzeinheit 30 im allgemeinen ein oder mehr Signale innerhalb beispielsweise der Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 und speichert die erfaßten Daten im Speicher. Falls gewünscht, kann die Schätzeinheit 30 die Daten verarbeiten, um unnötige Daten, Sonderfälle etc. zu eliminieren, und zwar entweder vor oder nach dem Speichern der gesammelten Daten im Speicher. Nachdem genügend Daten gesammelt wurden, um daraus das Vorhandensein oder die Quelle einer Instabilität bestimmen zu können, beispielsweise Daten von einem oder mehreren vollständigen Grenzzyklen oder Daten von einem Bereich eines Grenzzyklus, verwendet die Schätzeinheit 30 eine oder mehrere Analyseroutinen 33, die in dem der Schätzeinheit 30 zugeordneten Speicher 31 gespeichert und innerhalb der Schätzeinheit 30 auf dem Prozessor 32 implementiert sein können, um das Vorhandensein oder die Quelle der Instabilität innerhalb der Schleife 10, der Einrichtung 13 etc. zu bestimmen. Die Schätzeinheit 30 kann jede gewünschte statistische Analyseroutine oder Vorgehensweise verwenden; einige beispielhafte Analyseroutinen zur Bestimmung des Vorhandenseins oder der Quelle von Grenzzyklen werden nachstehend beschrieben, wobei es sich versteht, kdaß diese Routinen unter Verwendung jedes geeignet geschriebenen Computerpgoramms oder Algorithmus implementiert werden können, das/der in der Schätzeinheit 30 gespeichert ist und darin implementiert wird.
Ferner kann die Schätzeinheit 30 nach dem Bestimmen des Vorhandenseins einer Instabilität oder einer potentiellen Quelle einer Instabilität eine Anzeige dieser Instabilität oder Quelle auf einer Displayeinrichtung 40 anzeigen, die beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre, ein Drucker, ein Sprachgenerator, ein Alarmgenerator jeder Art oder eine andere gewünschte Kommunikationseinrichtung entweder innerhalb derselben Einrichtung wie die Schätzeinheit 30 oder eine andere Einrichtung ist, die mit der Schätzeinheit 30 kommunikativ verbunden ist. Selbstverständlich kann die Schätzeinheit 30 den Anwender in bezug auf das Vorhandensein der Instabilität oder ihrer Quelle auf jede andere gewünschte Weise aufmerksam machen. Falls gewünscht, kann die Schätzeinheit 30 auf der Basis der detektierten Quelle Empfehlungen dahingehend abgeben, wie die Instabilität zu eliminieren ist, sie kann weitere Diagnoseschritte oder auszuführende Aktionen in Verbindung mit solchen Empfehlungen vorschlagen oder kann Diagnoseprodukte nennen, die in dem Speicher 31 gespeichert sind und auf die beispielsweise auf der Basis der detektierten Quelle der Instabilität zugegriffen werden kann.
Da die Schätzeinheit 30 Messungen der erforderlichen Daten duchführen kann, während die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 online ist, braucht die Schätzeinheit 30 nicht unbedingt von der Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 zu verlangen, daß diese eine volle Hub- oder Testhubsequenz ausführt, um das Vorhandensein einer Instabilität oder ihrer Quelle zu detektieren, und macht es nicht erforderlich, daß die Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung 13 aus der normalen Betriebsumgebung entfernt oder offline geschaltet wird. Da die Schätzeinheit 30 außerdem mit der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife 10 verbunden ist und die erforderlichen Signale mißt, um die Schätzung von Instabilitäten während des Normalbetriebs der Schleife 10 auszuführen, kann die Schätzeinheit 30 das Vorhandensein von Instabilitäten oder von deren Quelle kontinuierlich ausführen, ohne in den Ablauf des Prozesses 20 oder der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife 10 einzugreifen.
Die Schätzeinheit 30 kann so programmiert oder konfiguriert sein, daß sie das Vorhandensein von Instabilitäten oder deren Quellen unter Anwendung jeder gewünschten Analyse bestimmt, besonders nützliche statistische Vorgehensweisen für einige Quellen von Instabilitäten werden hier im einzelnen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung irgendeiner dieser Vorgehensweisen beschränkt und ist ferner nicht auf das Bestimmen von Schätzwerten nur für die speziell erwähnten Quellen von Instabilitäten beschränkt; es versteht sich, daß zur Bestimmung dieser oder anderer Quellen von Instabilitäten auch andere mathematische Vorgehensweisen angewandt werden können.
Die Schätzeinheit 30 kann eine oder mehrere Analysen durchführen, um das Vorhandensein von Instabilitäten oder deren Quellen innerhalb einer Prozeßregel- bzw. -steuerschleife oder eines solchen Systems zu jeder gewünschten Zeit zu detektieren. Falls gewünscht, kann also die Schätzeinheit 30 manuell von einem Bediener ausgelöst werden, wenn dieser beispielsweise eine Instabilität innerhalb einer Schleife oder einer Einrichtung bemerkt. Alternativ oder zusätzlich kann die Schätzeinheit 30 automatisch ausgelöst werden. Beispielsweise kann die Schätzeinheit 30 Instabilitätsdetektiersoftware 33A verwenden, die an einem oder mehreren der Signale innerhalb des Systems wie etwa dem Betätigerdruck oder dem Ventilweg eine kurze Fourier-Transformation ausführt und Abweichungen im Spektrum dieses Signals untersucht. Strom bzw. Spannung mit unerwarteten oder unerwünschten Frequenzen kann das Vorhandensein von Instabilitäten bezeichnen. Selbstverständlich kann die Software auch oder statt dessen jeden von einer Reihe von bekannten Erkennungsalgorithmen mit Standardmuster verwenden, kann Lissajous- oder normale Phasendiagramme von zeitseriellen Daten etc. untersuchen, um das Vorhandensein von Instabilitäten wie etwa Grenzzyklen zu detektieren.
Beispielsweise kann die Instabilitäts-Detektierroutine 33A die Wiener-Khinchine-Beziehung anwenden, um das Vorhandensein von Instabilitäten zu detektieren. Im allgemeinen gibt die Wiener-Khinchine-Beziehung an, daß der Bereich unter dem Spektrum zu der Varianz proportional ist. Auf der Grundlage dieses Prinzips kann die Detektiersoftware 33A Änderungen im Spektrum eines Signals erkennen durch Berechnen von Änderungen in der Varianz des Signals. Außerdem kann die Detektiersoftware 33A das Verhältnis der Varianzen zwischen zwei Signalen wie etwa dem Befehlssignal und dem Bewegungssignal betrachten, d. h. kann einen F-Test implementieren. Wenn das System ordnungsgemäß arbeitet, ist das Verhältnis von Varianzen ungefähr eins, weil die Verstärkung zwischen dem Befehlssignal und dem Bewegungssignal ungefähr gleich eins ist. Wenn sich jedoch eine Servoschleifen-Instabilität beispielsweise aufgrund von Reibung, negativen Gradienten oder Ventilzubehörteilen ausbildet, wird das Verhältnis von Varianzen sehr groß. Anders ausgedrückt, übersteigt bei einer Servoschleifeninstabilität die aus dem System erhaltene Leistung die in das System eingeführte Leistung.
Ein zusätzlicher Vorteil ist, daß diese Vorgehensweise keine Analyse auslöst, wenn die äußere Prozeßschleife schwingt, was zur Erkennung der Stabilität beiträgt. Um das Detektieren zu beschleunigen, kann das Verhältnis von Varianzen rekursiv errechnet werden unter Anwendung von "Vergißfunktoren", so daß nur die allerneuesten Daten genutzt werden. Nachdem jedoch ein Grenzzyklus detektiert ist (mit welchen Mitteln auch immer), kann das Verhältnis von Varianzen dazu genutzt werden zu verfolgen, ob das Problem in der äußeren oder in der inneren Prozeßregel- bzw. -steuerschleife liegt. Wenn das Verhältnis von Varianzen viel größer als eins ist, befindet sich die Quelle der Instabilität höchstwahrscheinlich in der Servoschleife. Die Beispiele der 2, 3 und 4 zeigen diesen Fall. Wenn alternativ das Verhältnis den Varianzen viel kleiner als eins ist, befindet sich die Quelle der Instabilität höchstwahrscheinlich in der Prozeßschleife. Das Beispiel der 5A und 5B zeigt diesen Fall.
Falls gewünscht, können die Instabilitätsdetektier- oder -diskriminierungs-Algorithmen kontinuierlich laufen, und für ein Detektieren kann ein Hinweiszeichen gesetzt werden, wenn der Diskriminierungsalgorithmus einen Schwellenwert überschreitet. Wenn beispielsweise die Phasenwinkel in der Servoschleife in die Nähe von –180° kommen, wie nachstehend erläutert wird, könnte die Schätz- oder Detektiersoftware einen Alarm auslö sen oder auf andere Weise einen Bediener über eine Instabilität und ihre Quelle in Kenntnis setzen.
Nachdem eine Instabilität detektiert ist, kann die Quelle dieser Instabilität bestimmt werden unter Anwendung von einer oder mehreren anderen Softwareroutinen 33B, 33C etc. Eine Vorgehensweise zur Bestimmung einer Schätzung der Quelle einer Instabilität besteht darin, daß die Schätzeinheit 30 über einen bestimmten Zeitraum Daten sammelt, die sich auf den Betätigerweg oder die -position (beispielsweise von dem Positionssensor 27 von 1 erfaßt) und den Betätigerdruck (beispielsweise von den Drucksensoren 35 oder 36 von 1 erfaßt) für das Ventil 15 beziehen. Typischerweise werden die gesammelten Daten im Speicher als eine Serie von Datenpunkten gespeichert, wobei jeder Datenpunkt eine Betätigerdruckkomponente, die aus dem gemessenen Betätigerdrucksignal gewonnen ist, und eine Betätigerpositionskomponente, die aus dem gemessenen Betätigerpositions- oder -bewegungssignal gewonnen ist, hat. Natürlich versteht es sich, daß die Betätigerdruck- und Betätigerpositionskomponenten jedes Datenpunkts auf denselben Zeitpunkt bezogen sein müssen. Es wird somit bevorzugt, daß bei Verwendung von zwei oder mehr Meßsignalen diese Signale zum selben Zeitpunkt gewonnen werden, um dadurch zeitlich korrelierte Daten zu erzeugen. Auf diese Weise sammelt die Schätzeinheit 30 Datenpunkte, die einem Eingangssignal der Regel- bzw. Steuerschleife oder einem Bereich der Schleife zugeordnet sind, und Datenpunkte, die einem Ausgangssignal der Regel- bzw. -steuerschleife oder einem Bereich der Schleife zugeordnet sind, und nutzt dann diese Datenpunkte auf irgendeine Weise zur Bildung einer Eingangs-/Ausgangskurve, die dem System oder der Regel- bzw. Steuerschleife zugeordnet ist. Selbstverständlich können die den Ein- und Ausgangssignalen zugeordneten Datenpunkte entweder separat oder gemeinsam je nach Wunsch gespeichert werden, sollten jedoch allgemein dem gleichen oder ungefähr dem gleichen Zeitpunkt zugeordnet sein, um Komponenten der Eingangs-/Ausgangskurve zu bilden.
Als nächstes bestimmt die Instabilitätsquelle-Schätzsoftware 33B oder 33C die Quelle einer Instabilität durch Analyse der Daten auf irgendeine Weise, um beispielsweise zu bestimmen, ob die Instabilität durch die Einrichtung selber oder außerhalb der Einrichtung verursacht ist, ob die Instabilität durch Reibung oder durch negative Gradienten an dem Ventilkegel oder durch mechanische Unregelmäßigkeiten verursacht ist.
Bei einer Ausführungsform wird die Quelle einer Instabilität aus Daten bestimmt, die innerhalb der Servoschleife gesammelt wurden, d. h. aus allem zwischen dem Befehlssignal und dem Ventilwegsignal von 1. Bei Nutzung nur dieser Signale kann die Schätzein heit 30 die Grundursache vieler Instabilitäten in einem bestimmten System finden. Der Hauptvorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß Analysen online ohne vorherige Kenntnis des Prozesses durchgeführt werden können, wodurch die Kosten erheblich gesenkt werden, die zur Auftragsvergabe und Unterhaltung dieser Arten von Diagnosen erforderlich sind.
Bei einer beispielhaften Analyse kann die Schätzsoftware 33B oder 33C bestimmen, ob eine detektierte Instabilität durch die Prozeßregel- bzw. -steuerschleife oder statt dessen durch eine Quelle innerhalb der Servoschleife und infolgedessen eine Quelle innerhalb der Einrichtung 13 verursacht ist. Speziell dann, wenn eine Prozeßregel- bzw. -steuerschleife in einen Grenzzyklus eintritt, schwingt jede Komponente in dem System mit derselben Frequenz. Ferner ist, wenn das System schwingt, die Summe der Phasenwinkel unter den aufeinanderfolgenden dynamischen Komponenten in der Schleife –180°. Wenn infolgedessen die Summe der Phasenwinkel innerhalb aufeinanderfolgender Komponenten der Servoschleife von 1 größer als –180° ist, z. B. –90° ist, dann ist die Servoschleife stabil und ist nicht die Quelle der Instabilität. Wenn jedoch die Summe der Phasenwinkel innerhalb der Servoschleife 13 gleich wie oder ungefähr gleich –180° ist, dann liegt die Quelle des Grenzzyklus innerhalb der Servoschleife selbst. Die Schätzroutine 33B kann die Phasenwinkel bestimmen, die den aufeinanderfolgenden dynamischen Komponenten der Servoschleife 13 oder jedes anderen Bereichs der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife 10 zugeordnet sind, und kann diese Phasenwinkel aufaddieren. Wenn die Summe der Phasenwinkel bei oder nahe –180° liegt, liegt die Ursache des Grenzzyklus innerhalb der Servoschleife oder des anderen Bereichs der Prozeßregel- bzw. steuerschleife 10. Wenn die Summe der Phasenwinkel erheblich größer als –180° ist, dann ist die Servoschleife oder der andere Bereich der Prozeßregel- bzw. -steuerschleife 10 nicht die Quelle des Grenzzyklus, obwohl die Servoschleife oder der andere Bereich eventuell einen erheblichen Beitrag zu den Problemen der äußeren Schleife leisten.
Falls gewünscht, kann die Schätzeinheit 30 eine Phasennacheilung bestimmen, die von jedem einer Reihe von Elementen innerhalb einer Prozeßregel- bzw. -steuerschleife eingeführt wurde, etwa für jedes von einer Reihe von aufeinanderfolgenden Elementen in der Servoschleife 13, und kann dann das Element identifizieren, das die größte Phasennacheilung in die Prozeßregel- bzw. -steuerschleife einführt. Falls gewünscht, kann die Schätzeinheit 30 die Elemente nach der Größe der Phasennacheilung ordnen, die jedes Element in die Prozeßregel- bzw. -steuerschleife einführt, oder kann ein kumulatives Phasennacheilungsdiagramm erstellen, in dem die detektierten Phasennacheilungen für jedes der E lemente angegeben sind. Diese Information kann einem Anwender über die Displayeinrichtung 40 angezeigt werden.
Ein einfaches Beispiel eines Systems, das eine Instabilität in der Servoschleife eines Regel- bzw. Steuerventils mit Federwirkung bei Öffnungsausfall hat, ist in den 2A und 2B gezeigt, wobei das Eingangsbefehlssignal, der Ventilweg und der Betätiger-Nettodruck über der Zeit aufgetragen sind. In den 2 bis 5 sind die Signale am Ende oder außerhalb der Servoschleife oder Einrichtung 13 in dem oberen Diagramm dargestellt, wogegen die vollständig innerhalb der Servoschleife oder Einrichtung 13 liegenden Signale in dem unteren Diagramm gezeigt sind. Aus den 2A und 2B ist ersichtlich, daß die Prozeßregel- bzw. -steuerschleife, d. h. die äußere Schleife, aktiv ist (was durch die Schwingung in dem Befehlssignal evident ist) und versucht, Störungen zu korrigieren, die von dem Regel- bzw. Steuerventil 15 eingeführt wurden. Der Gesamtphasenwinkel zwischen dem Fehlersignal von dem Summenpunkt 26 (d. h. dem Befehlssignal minus Ventilweg) und dem Ventilweg ist ungefähr gleich –180°. Diese Tatsache zeigt, daß die Instabilität innerhalb der Servoschleife liegt.
Alternativ könnte die Schätzeinheit 30 das Verhältnis von Varianzen zwischen zwei Signalen betrachten, etwa dem Befehlseingangssignal und dem Ventilweg oder dem Befehlseingangssignal und dem Betätigerdruck. Wenn, wie oben gesagt wird, das System ordnungsgemäß arbeitet, ist das Verhältnis der Varianzen ungefähr eins, weil die Verstärkung zwischen dem Befehlssignal und dem Bewegungssignal ungefähr gleich eins ist. Wenn sich jedoch innerhalb der Servoschleife eine Instabilität ausbildet, beispielsweise aufgrund von Reibung, negativen Gradienten oder Ventilzubehörteilen, wird das Verhältnis der Varianzen sehr groß. Anders ausgedrückt übersteigt die aus dem System kommende Leistung im Fall einer Servoschleifen-Instabilität die in das System eingeführte Leistung. Wenn das Verhältnis der Varianzen kleiner als ungefähr eins ist, liegt die Instabilität innerhalb der Prozeßschleife. Bei dem Beispiel der 2A und 2B übersteigt die Varianz des Ventilwegs die Varianz des Befehlseingangssignals, was bedeutet, daß die Instabilität in der Servoschleife liegt, d. h. weil die Varianz des Ventilwegs viel größer als die Varianz des Befehlssignals ist, wird bestimmt, daß die Ursache der Instabilität innerhalb der Servoschleife liegt.
Es gibt viele bekannte Methoden zur Bestimmung der Phase und der Varianzen jedes der Signale, und diese Methoden werden hier nicht im einzelnen erörtert. Während ferner die Phasen von jedem einer Reihe von aufeinanderfolgenden Signalen beispielsweise innerhalb einer Servoschleife miteinander addiert werden können, können die Phasen des ers ten und des letzten Signals in der Schleife wie etwa das Fehlersignal von dem Summenpunkt 26 und das Rückkopplungssignal von dem Positionssensor 27 addiert werden, um zu bestimmen, ob die Summe ungefähr –180° ist. Natürlich können die Phasen von jedem der einzelnen Signale in der Schleife analysiert werden, um zu erkennen, welches Signal die größte Phase beiträgt, und können daher der Komponente zugeordnet werden, welche die Instabilität verursacht.
In einem anderen Fall kann die Schätzsoftware 33C bestimmen, ob eine Instabilität durch Reibung oder äußere Kräfte wie negative Gradienten an dem Ventilkegel verursacht wird. Allgemein gesagt, kann die Schätzsoftware 33C Reibung oder äußere Kräfte als die Quelle einer Instabilität erkennen durch Untersuchen der Korrelation und/oder der Voreil-/Nacheilbeziehung zwischen relevanten Druck- und Bewegungssignalen. Beispielsweise im Fall eines Gleitschaftventils kann die Schätzsoftware 33C den Betätigerdruck, der von dem Drucksensor 36 detektiert wird, und den Ventilweg, der von dem Positionssensor 27 detektiert wird, nutzen. Unter Nutzung der von dem Drucksensor 36 und dem Positionssensor 27 für das Ventil 15 über einen Zeitraum gesammelten Daten bestimmt die Schätzsoftware 33C, ob zwischen dem Druck- und Bewegungs-Antwortverhalten eine negative oder positive Korrelation besteht. Im Fall einer negativen Korrelation, bei der eine Bewegungszunahme von einer Druckabnahme begleitet ist, oder eine Bewegungsabnahme von einem Druckanstieg begleitet ist, sind die Instabilitäten durch äußere Kräfte verursacht. Diese negative Korrelation resultiert daraus, daß die Servoregel- bzw. -steuereinrichtung 16 versucht, abrupte Änderungen der Position des Ventilschafts dadurch auszugleichen, daß versucht wird, den Ventilschaft zu einer Bewegung in entgegengesetzter Richtung zu zwingen. Wie die 3A und 3B zeigen, steigt der Netto-Betätigerdruck mit einer Abnahme des Ventilwegs an. Insbesondere tritt in den 3A und 3B eine Instabilität, die durch äußere Kräfte wie etwa Flattern oder Flüssigkeitsstrahlen innerhalb des Ventils 15 verursacht wird, zwischen den Zeitpunkten 12 s und 15 s auf. Zum Zeitpunkt 12 s bewegt sich der Ventilschaft in Anstiegsrichtung infolge von Flattern. Der Betätigerdruck beginnt nahezu sofort zu fallen. Der Netto-Betätigerdruck nimmt weiter ab, auch nachdem der Ventilweg wieder normalisiert ist, um das Ventil zurück in seine Ausgangsposition zu treiben. Wenn jedoch der Ventilweg (bei ca. 13,5 s) unter seinen Ausgangspunkt fällt, steigt der Betätigerdruck, um das Ventil zurück zu seinem Ausgangspunkt zu treiben. Somit ist hier das Auftreten einer Zunahme des Ventilwegs mit einer Abnahme des Betätigerdrucks und umgekehrt korreliert, was bedeutet, daß äußere Kräfte die Schwingung innerhalb der Servoschleife verursachen. Gleiche negativ korrelierte Schwingungen treten in den 3A und 3B bei ungefähr 22 s und 32 s auf.
Im Fall einer positiven Korrelation, wobei ein Druckanstieg von einer Zunahme der Bewegung oder eine Verringerung des Drucks von einer Abnahme der Bewegung begleitet ist, bestimmt die Schätzsoftware 33c, daß die Instabilitäten durch Reibung induziert sind, weil der Positionierer 15 versucht, den Ventilschaft in der Zunahmerichtung zu bewegen, indem der Druck auf den Ventilschaft erhöht wird (oder versucht, den Ventilschaft in der Abnahmerichtung zu bewegen, indem der Druck auf den Ventilschaft verringert wird), bis eine Bewegung stattfindet. Die 4A und 4B zeigen dieses Phänomen. Beispielsweise beginnend bei ungefähr 492 s steigt der Netto-Betätigerdruck, während die Servoregel- bzw. -steuereinheit 16 versucht, das Fehlersignal zwischen dem Referenzwert (Sollwert) und der Bewegung zu korrigieren. Da der Ventilschaft innerhalb des Reibungsbereichs festliegt, bewegt er sich nicht. Bei ungefähr 518 s überschreitet der Nettodruck auf den Ventilschaft den Reibungsgrenzwert, und der Ventilschaft beginnt, sich in der Anstiegsrichtung zu bewegen. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der Netto-Betätigerdruck aufgrund von Volumenänderungen innerhalb des Betätigers ab, wodurch die Bewegungsreaktion verlangsamt wird. Obwohl jedoch die Nettokraft abnimmt und die Ventilgeschwindigkeit sich null nähert, springt die Bewegung abrupt auf einen lokalen Maximalwert, wenn die Reibung abbricht. Der gleiche Vorgang findet statt, wenn der Nettodruck abnimmt (z. B. zwischen 526 und 538 s), obwohl die Bewegungsreaktion (in der Abnahmerichtung) während dieser Zeit signifikanter ist. In diesem Fall resultiert daher eine Zunahme des Betätigerdrucks in einer Zunahme des Ventilwegs, und eine Abnahme des Betätigerdrucks resultiert in einem abnehmenden Ventilweg bzw. ist diesem zugeordnet.
Durch Bestimmen, ob der Betätigerdruck und der Ventilweg positiv oder negativ korreliert sind, kann daher die Schätzsoftware 33C bestimmen, ob die Quelle eines Grenzzyklus auf äußere Kräfte oder Reibung innerhalb des Ventils zurückgeht. Selbstverständlich versteht es sich, daß eine positive Korrelation erfolgt, wenn sich der Betätigerdruck in eine Richtung bewegt, die normalerweise eine Bewegung des Ventilschafts in der Meßrichtung bewirkt, während eine negative Korrelation erfolgt, wenn sich der Betätigerdruck in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung bewegt, die normalerweise eine Bewegung des Ventilschafts in der Meßrichtung verursacht. Somit kann bei bestimmten Betätiger-/Ventilkonfigurationen oder in Abhängigkeit davon, wie "abnehmende" Ventilbewegung definiert wird, ein zunehmender Betätigerdruck und eine "abnehmende" Ventilbewegung dennoch positiv korreliert sein.
Eine alternative Möglichkeit zum Unterscheiden zwischen durch Reibung und extern erzeugte Instabilitäten besteht in der Überprüfung der Voreil-/Nacheil-Beziehung zwischen dem Druckverhalten und dem Bewegungsverhalten. Wenn die Druckantwort der Bewe gungsantwort nacheilt, ist die Instabilität durch äußere Kräfte begründet, weil die Servoregel- bzw. -steuereinheit 16 in Abhängigkeit von einer Änderung der Ventilposition wirksam ist. Wenn alternativ die Bewegungsantwort der Druckantwort nacheilt, ist die Instabilität durch Reibung bedingt, weil die Servoregel- bzw. -steuereinheit 16 versucht, die Ventilbewegung zu beschleunigen. Wie die 4A und 4B am besten zeigen, steigt beginnend bei ungefähr 492 s der Druck ohne eine entsprechende Bewegung des Ventils 18 bis zum Zeitpunkt 518 s an, zu dem das Druckverhalten imstande ist, die Reibung zu überwinden und das Ventil 18 zu bewegen. Das gleiche Phänomen tritt zum Zeitpunkt 526 s auf, wenn die Reibungskraft überwunden wird und eine Abwärtsbewegung des Ventilschafts erfolgt. In diesem Fall wurde das Befehlssignal zu dem Ventil (nicht gezeigt) konstantgehalten. Es ist zu beachten, daß der Phasenwinkel zwischen dem Nettodruck und der Ventilbewegung ungefähr –180° ist, wobei die Bewegung dem Nettodruck nacheilt, was bedeutet, daß die Instabilität in der Servoschleife ist und das Problem zwischen dem Betätiger und dem Ventilschaft liegt.
Wie oben angedeutet, zeigen die 3A und 3B alternativ ein zeitserielles Diagramm eines Ventils mit einem negativen Gradienten. In diesem Verlauf ist das Befehlssignal an das Ventil ungefähr konstantgehalten worden. Weil es sich nicht um einen starken Gradienten handelt, ist die Instabilität nicht periodisch. Dennoch ist das System instabil im Sinn von Lyapunov (d. h. es gibt keinen Gleichgewichtspunkt). Dabei können die negativen Gradienten durch Betrachten der Phasenverschiebung zwischen Druck und Bewegung erkannt werden. Bei einem negativen Gradienten bewegt sich der Ventilschaft zuerst, und dann versucht der Positionierer, die Reaktion zu korrigieren. Einfach ausgedrückt, eilt der Betätigerdruck der Bewegung nach. Dies ist in deutlichem Gegensatz zu durch Reibung induzierten Instabilitäten, bei denen der Betätigerdruck der Bewegung voreilt.
Zur Bestimmung einer Voreil-/Nacheil-Beziehung kann die Schätzsoftware 33C einen Startpunkt, einen Endpunkt, einen Mittelpunkt oder irgendein anderes statistisches Maß dahingehend verwenden, wann das Drucksignal beginnt oder endet und wann das Bewegungssignal beginnt oder endet, und kann dann diese beiden Punkte miteinander vergleichen, um zu bestimmen, welches von dem Druck- und dem Bewegungssignal dem jeweils anderen voreilt oder nacheilt. Falls gewünscht, kann die Schätzroutine 33C natürlich die Quelle von Instabilitäten dadurch bestimmen, daß sie entweder die Korrelation zwischen den Bewegungs- und Druckmeßwerten oder die Voreil-/Nacheil-Beziehung zwischen den Bewegungs- und Druckmeßwerten oder beide mißt und bestimmt.
Eine andere einfache Stabilitätsanalyse kann von der Software 33 durchgeführt werden, um das Vorhandensein oder die Quelle von Instabilitäten zu detektieren, und zwar durch Betrachtung der Anzahl von Umkehrungen in einem Signal oder der Differenzen in bezug auf die Anzahl von Umkehrungen in verschiedenen Signalen wie etwa den Ventilweg-, Betätigerdruck-, Befehlssignalen etc., über einen gegebenen Zeitraum. Im Fall einer Servoschleifen-Instabilität übersteigt die Anzahl von Umkehrungen in dem Bewegungssignal die Anzahl von Umkehrungen in dem Befehlssignal bei weitem (siehe die 2A und 2B). Im Fall einer Prozeß-Instabilität ist die Anzahl der Umkehrungen des Bewegungssignals ungefähr gleich der Anzahl von Umkehrungen des Befehlssignals (siehe die 5A und 5B). Dieselbe Analyse kann bei anderen Signalen angewandt werden, um das Vorhandensein einer Instabilität in einem Element zwischen den Komponenten zu detektieren, die diesen Signalen zugeordnet sind.
Die 5A und 5B zeigen ein weiteres Beispiel, bei dem die Schätzeinheit 30 die obigen Verfahrensweisen anwenden kann, um die Quelle einer Instabilität als außerhalb der Servoschleife liegend zu bestimmen. In den 5A und 5B ist die Instabilität durch übermäßige Verstärkung verursacht, d. h. übermäßige Verstärkung innerhalb der Prozeßregel- bzw. -steuereinheit 12 von 1, wenn sie im Zusammenhang mit einem Ventil verwendet wird, das eine Schließausfall-Federwirkung hat. Dabei ist das Verhältnis der Varianzen des Befehlssignals zu der Ventilbewegung kleiner als eins, was anzeigt, daß die Quelle des Problems außerhalb der Servoschleife liegt. Ebenso ist die Summe der Phasenwinkel innerhalb der Servoschleife ungefähr –90°, was wiederum anzeigt, daß die Quelle der Instabilität außerhalb der Servoschleife liegt.
Vorstehend wurde beschrieben, daß die Schätzeinheit 30 eine geschätzte oder potentielle Ursache von Instabilitäten innerhalb einer Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtung wie etwa einer Ventileinrichtung bestimmt oder schätzt; es versteht sich, daß andere Analysen angewandt werden können, um Schätzwerte für diese Instabilitäten oder andere Instabilitäten bei anderen Prozeßregel- bzw. -steuereinrichtungen, Prozeßregel- bzw. -steuerschleifen etc. zu bestimmen, und zwar auf der Basis von Daten, die online innerhalb eines Prozesses oder einer Prozeßregel- bzw. -steuerschleife gemessen werden.
Ebenso versteht es sich, daß die Schätzeinheit 30 als jede gewünschte hartverdrahtete Logikeinrichtung oder eine von Software gesteuerte Verarbeitungseinrichtung wie etwa als Mikroprozessor implementiert sein kann, der imstande ist, ein oder mehr Signale zu detektieren und zu speichern und eine statistische oder mathematische Analyse an diesen Signalen durchzuführen. Bevorzugt wird die statistische Analyse durchgeführt durch Pro grammierung (jedes gewünschten Typs), die in einem computerlesbaren Speicher der Schätzeinheit 30 gespeichert ist. Die hier beschriebenen oder anderweitig verwendeten Analyseschritte können jedoch in Software, Hardware, Firmware oder jeder Kombination davon auf jede gewünschte Weise implementiert sein.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Vorliegens einer Instabilität innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife unter Verwendung einer Prozessregel- bzw. -steuereinrichtung (13), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Messen von zwei oder mehr Signalen innerhalb der Prozessregel- bzw. -steuerschleife, wenn die Prozessregel- bzw. -steuerschleife und die Prozessregel- bzw. -steuereinrichtung (13) unter normalen Betriebsbedingungen in einer Prozessregelungs- bzw. -steuerungsumgebung online miteinander verbunden und kontinuierlich in Betrieb sind; gekennzeichnet durch: Speichern der zwei oder mehr Messsignale als zeitkorrelierte Signaldaten; und Ausführen einer Analyse an den gespeicherten zeitkorrelierten Signaldaten, um das Vorliegen einer Instabilität innerhalb der Prozessregel- bzw. -steuerschleife zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Messens den Schritt des Messens von zwei Signalen aufweist und der Schritt des Ausführens einer Analyse die folgenden Schritte aufweist: Detektieren der Anzahl von Umkehrungen in jedem der zwei Signale über einen bestimmten Zeitraum und Bestimmen der Differenz der Anzahl von Umkehrungen in den zwei Signalen über den bestimmten Zeitraum.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausführens einer Analyse den folgenden Schritt aufweist: Ausführen einer Fourier-Transformation an den zwei oder mehr Signalen und Detektieren von Änderungen in dem Spektrum der zwei oder mehr Signale, um das Vorliegen einer Instabilität zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausführens einer Analyse den folgenden Schritt aufweist: Anwenden der Wiener-Khintchine-Beziehung, um das Vorliegen einer Instabilität zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Anwendens der Wiener-Khintchine-Beziehung den folgenden Schritt aufweist: Erkennen von Änderungen in dem Spektrum der zwei oder mehr Signale durch Berechnen von Änderungen in der Varianz der zwei oder mehr Signale.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Messens den folgenden Schritt aufweist: Messen von zwei Signalen, und wobei der Schritt des Ausführens einer Analyse den folgenden Schritt aufweist: Bestimmen der Varianz der zwei Signale, Berechnen des Verhältnisses der Varianzen der zwei Signale und Vergleichen des Verhältnisses mit einem vorgegebenen Wert, um das Vorliegen einer Instabilität zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Messens die Schritte des Messens eines Befehlssignals und eines Bewegungssignals aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Berechnens den Schritt des rekursiven Berechnens des Verhältnisses der Varianzen der zwei Signale aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Berechnens des rekursiven Verhältnisses der Varianz der zwei Signale den Schritt des Anwendens von Vergissfunktoren (forgetting factors) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den folgenden Schritt aufweist: Ausführen einer Analyse an den gespeicherten Signaldaten, um eine Quelle der Instabilität innerhalb der Prozessregel- bzw. -steuerschleife zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Messens die folgenden Schritte aufweist: Messen eines ersten Signals und eines zweiten Signals innerhalb der Prozessregel- bzw. -steuerschleife, wenn die Prozessregel- bzw. -steuerschleife innerhalb der Prozessregelungs- bzw. -steuerungsumgebung online verbunden ist, und wobei der Schritt des Ausführens einer Analyse die folgenden Schritte aufweist: Erkennen einer Voreil-/Nacheilbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal und Bestimmen der Quelle der Instabilität auf der Basis der bestimmten Voreil-/Nacheilbeziehung.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Messens ein Drucksignal als das erste Signal und ein Bewegungssignal als das zweite Signal misst und wobei der Schritt des Bestimmens den folgenden Schritt aufweist: Erkennen der Quelle der Instabilität als Reibung, wenn das Drucksignal dem Bewegungssignal voreilt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Messens ein Drucksignal als das erste Signal und ein Bewegungssignal als das zweite Signal misst und wobei der Schritt des Bestimmens den folgenden Schritt aufweist: Erkennen der Quelle der Instabilität als eine externe Kraft, wenn das Drucksignal dem Bewegungssignal nacheilt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Messens ein Drucksignal als das erste Signal und ein Bewegungssignal als das zweite Signal misst und wobei der Schritt des Bestimmens den folgenden Schritt aufweist: Erkennen der Quelle der Instabilität als eine externe Kraft, wenn das Drucksignal mit dem Bewegungssignal negativ korreliert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Messens die folgenden Schritte aufweist: Messen eines ersten Signals und eines zweiten Signals innerhalb der Prozessregel- bzw. -steuerschleife, wenn die Prozessregel- bzw. -steuerschleife innerhalb der Prozessregelungs- bzw. -steuerungsumgebung online verbunden ist, und wobei der Schritt des Ausführens einer Analyse die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen einer positiven oder einer negativen Korrelation zwischen dem ersten und dem zweiten Signal und Bestimmen der Quelle der Instabilität auf der Basis der bestimmten Korrelation.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Messens ein Drucksignal als das erste Signal und ein Bewegungssignal als das zweite Signal misst und wobei der Schritt des Bestimmens den folgenden Schritt aufweist: Erkennen der Quelle der Instabilität als Reibung, wenn das Drucksignal mit dem Bewegungssignal positiv korreliert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Ausführens einer Analyse die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen einer von jedem von einer Anzahl von Elementen innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife eingebrachten Phasenverzögerung und Erkennen des Elements, das die stärkste Phasenverzögerung in die Prozessregel- bzw. -steuerschleife einbringt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Ausführens einer Analyse die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen einer von jedem von einer Anzahl von Elementen innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife eingebrachten Phasenverzögerung und Ordnen der Elemente in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Phasenverzögerung, die jedes Element in die Prozessregel- bzw. -steuerschleife einbringt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Ausführens einer Analyse die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen einer von jedem von einer Anzahl von Elementen innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife eingebrachten Phasenverzögerung und Erstellen eines kumulativen Phasenverzögerungsdiagramms, das die detektierten Phasenverzögerungen bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Messens den Schritt des Messens von zwei oder mehr Signalen aufweist, und der Schritt des Ausführens einer Analyse die folgenden Schritte aufweist: Addieren der Phasen der zwei oder mehr Signale, um ein Summen-Phasensignal zu erzeugen, und Vergleichen des Summen-Phasensignals mit einem Grenzwert.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Schritt des Ausführens einer Analyse den folgenden Schritt aufweist: Bestimmen, dass sich die Quelle der Instabilität zwischen den zwei Signalen befindet, wenn das Summen-Phasensignal ungefähr gleich –180° ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Messens den Schritt des Hessens von zwei Signalen aufweist und der Schritt des Ausführens einer Analyse die folgenden Schritte aufweist: Detektieren der Anzahl von Umkehrungen in jedem der zwei Signale über einen bestimmten Zeitraum und Bestimmen der Differenz der Anzahl von Umkehrungen in den zwei Signalen über den bestimmten Zeitraum.
System zum Bestimmen einer Quelle einer Instabilität innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife unter Verwendung einer Prozessregel- bzw. -steuereinrichtung (13), wenn die Prozessregel- bzw. -steuerschleife und die Prozessregel- bzw. -steuereinrichtung (13) in einer Prozessregelungs- bzw. -steuerungsumgebung online miteinander verbunden sind, wobei das System Folgendes aufweist: zwei oder mehr Sensoren, die mindestens zwei Signale innerhalb der Prozessregel- bzw. -steuerschleife messen, wenn die Prozessregel- bzw. -steuerschleife unter normalen Betriesbedingungen in der Prozessregelungs- bzw. -steuerungsumgebung online verbunden ist und kontinuierlich in Betrieb ist, wobei die zwei oder mehr Sensoren geeignet sind, um die mindestens zwei Signale zu messen; dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Folgendes aufweist: einen Speicher (31), der ausgelegt ist, um die Messsignale als zeitkorrelierte Signaldaten zu messen; und einen Prozessor (32), der ausgelegt ist, um eine Analyse an den gespeicherten Signaldaten auszuführen, um die Quelle der Instabilität zu bestimmen.
System nach Anspruch 23, wobei ein erster Sensor ein Drucksensor (35) ist, der ein Drucksignal als ein erstes Signal erzeugt, und ein zweiter Sensor ein Bewegungssensor ist, der ein Bewegungssignal als ein zweites Signal erzeugt, und wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um die Quelle der Instabilität als Reibung zu erkennen, wenn das Drucksignal dem Bewegungssignal voreilt.
System nach Anspruch 23, wobei ein erster Sensor ein Drucksensor (35) ist, der ein Drucksignal als ein erstes Signal erzeugt, und ein zweiter Sensor ein Bewegungssensor ist, der ein Bewegungssignal als ein zweites Signal erzeugt, und wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um die Quelle der Instabilität als eine externe Kraft zu erkennen, wenn das Drucksignal dem Bewegungssignal nacheilt.
System nach Anspruch 23, wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um eine Voreil-/Nacheilbeziehung zwischen einem ersten Signal und einem zweiten Signal zu erkennen und um die Quelle der Instabilität auf der Basis der bestimmten Voreil-/Nacheilbeziehung zu bestimmen.
System nach Anspruch 23, wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um mindestens ein erstes und zweites Signal zu nutzen, um eine von jedem von einer Anzahl von Elementen innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife eingebrachte Phasenverzögerung zu bestimmen und um das Element zu erkennen, das die stärkste Phasenverzögerung in die Prozessregel- bzw. -steuerschleife einbringt.
System nach Anspruch 23, wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um mindestens ein erstes und zweites Signal zu nutzen, um eine von jedem von einer Anzahl von Elementen innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife eingebrachte Phasenverzögerung zu bestimmen und um die Elemente in Abhängigkeit von der Phasenverzögerung zu ordnen, die jedes Element in die Prozessregel- bzw. -steuerschleife einbringt.
System nach Anspruch 23, wobei der Prozessor (23) ausgelegt ist, um mindestens ein erstes und zweites Signal zu nutzen, um eine von jedem von einer Anzahl von Elementen innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife eingebrachte Phasenverzögerung zu bestimmen und um ein kumulatives Phasenverzögerungsdiagramm zu erstellen, das die detektierte Phasenverzögerung bezeichnet.
System nach Anspruch 23, wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um eine positive oder eine negative Korrelation zwischen einem ersten Signal und einem zweiten Signal zu erkennen und um die Quelle der Instabilität auf der Basis der bestimmten Korrelation zu bestimmen.
System nach Anspruch 30, wobei ein erster Sensor ein Drucksensor (35) ist, der ein Drucksignal als das erste Signal erzeugt, und ein zweiter Sensor ein Bewegungssensor ist, der ein Bewegungssignal als das zweite Signal erzeugt, und wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um die Quelle der Instabilität als Reibung zu erkennen, wenn das Drucksignal mit dem Bewegungssignal positiv korreliert ist.
System nach Anspruch 30, wobei ein erster Sensor ein Drucksensor (35) ist, der ein Drucksignal als das erste Signal erzeugt, und ein zweiter Sensor ein Bewegungssensor ist, der ein Bewegungssignal als das zweite Signal erzeugt, und wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um die Quelle der Instabilität als eine externe Kraft zu erkennen, wenn das Drucksignal mit dem Bewegungssignal negativ korreliert ist.
System nach Anspruch 23, wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um die Phasen eines ersten und eines zweiten Signals zu addieren, um ein Summen-Phasensignal zu erzeugen, und um das Summen-Phasensignal mit einem Grenzwert zu vergleichen, um die Quelle der Instabilität zu erkennen.
System nach Anspruch 33, wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um zu bestimmen, dass sich die Quelle der Instabilität in einer Komponente zwischen dem ersten und zweiten Signal befindet, wenn das Summen-Phasensignal ungefähr gleich –180° ist.
System nach Anspruch 23, wobei der Prozessor (32) ausgelegt ist, um die Anzahl von Umkehrungen in jedem von zwei Signalen über einen bestimmten Zeitraum zu detektieren und um die Differenz der Anzahl von Umkehrungen in den zwei Signalen über den bestimmten Zeitraum zu bestimmen.
System nach Anspruch 23, das ferner Folgendes aufweist: einen maschinenlesbaren Speicher (31); eine erste Routine, die in dem maschinenlesbaren Speicher (31) gespeichert und ausgelegt ist, um auf einem Prozessor (32) ausgeführt zu werden, um Daten zu sammeln und zu speichern, die zwei oder mehr der Prozessregel- bzw. -steuerschleife zugehörige Signale bezeichnen, während diese innerhalb der Prozessregelungs- bzw. -steuerungsumgebung online wirksam ist; und eine zweite Routine, die in dem maschinenlesbaren Speicher (31) gespeichert und ausgelegt ist, um auf dem Prozessor (32) ausgeführt zu werden, um eine statistische Analyse an den gespeicherten Daten auszuführen, um das Vorliegen oder die Quelle der Instabilität innerhalb der Prozessregel- bzw. -steuerschleife zu bestimmen.
System nach Anspruch 36, wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um Daten, welche die zwei oder mehr Signale bezeichnen, zu nutzen, um eine von jedem von einer Anzahl von Elementen innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife eingebrachte Phasenverzögerung zu bestimmen und das Element zu erkennen, das die stärkste Phasenverzögerung in die Prozessregel- bzw. -steuerschleife einbringt.
System nach Anspruch 36, wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um die Daten, welche die zwei oder mehr Signale bezeichnen, zu nutzen, um eine von jedem von einer Anzahl von Elementen innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife eingebrachte Phasenverzögerung zu bestimmen und die Elemente in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Phasenverzögerung zu ordnen, das jedes Element in die Prozessregel- bzw. -steuerschleife einbringt.
System nach Anspruch 36, wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um die Daten, welche die zwei oder mehr Signale bezeichnen, zu nutzen, um eine von jedem von einer Anzahl von Elementen innerhalb einer Prozessregel- bzw. -steuerschleife eingebrachte Phasenverzögerung zu bestimmen und ein kumulatives Phasenverzögerungsdiagramm zu erstellen, das die detektierten Phasenverzögerungen bezeichnet.
System nach Anspruch 36, wobei die erste Routine ausgelegt ist, um Daten, die erste und zweite Signale bezeichnen, zu sammeln und zu speichern, und wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um eine Voreil-/Nacheilbeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal zu erkennen und die Quelle der Instabilität auf der Basis der bestimmten Voreil-/Nacheilbeziehung zu bestimmen.
System nach Anspruch 40, wobei das erste Signal ein Drucksignal ist und das zweite Signal ein Bewegungssignal ist und wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um die Quelle der Instabilität als Reibung zu erkennen, wenn das Drucksignal dem Bewegungssignal voreilt.
System nach Anspruch 40, wobei das erste Signal ein Drucksignal ist und das zweite Signal ein Bewegungssignal ist und wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um die Quelle der Instabilität als eine externe Kraft zu erkennen, wenn das Drucksignal dem Bewegungssignal nacheilt.
System nach Anspruch 36, wobei die erste Routine ausgelegt ist, um Daten, die erste und zweite Signal bezeichnen, zu sammeln und zu speichern, und wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um eine positive oder eine negative Korrelation zwischen dem ersten und dem zweiten Signal zu erkennen und die Quelle der Instabilität auf der Basis der bestimmten Korrelation zu bestimmen.
System nach Anspruch 43, wobei das erste Signal ein Drucksignal ist und das zweite Signal ein Bewegungssignal ist und wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um die Quelle der Instabilität als Reibung zu erkennen, wenn das Drucksignal mit dem Bewegungssignal positiv korreliert ist.
System nach Anspruch 43, wobei das erste Signal ein Drucksignal ist und das zweite Signal ein Bewegungssignal ist und wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um die Quelle der Instabilität als eine externe Kraft zu erkennen, wenn das Drucksignal mit dem Bewegungssignal negativ korreliert ist.
System nach Anspruch 36, wobei die erste Routine ausgelegt ist, um Daten, die erste und zweite Signal bezeichnen, zu sammeln und zu speichern, und wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um die Phasen des ersten und zweiten Signals zu addieren, um ein Summen-Phasensignal zu erzeugen, und um das Summen-Phasensignal mit einem Grenzwert zu vergleichen, um die Quelle der Instabilität zu erkennen.
System nach Anspruch 46, wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um zu erkennen, dass sich die Quelle der Instabilität in einer Komponente zwischen dem ersten und dem zweiten Signal befindet, wenn das Summen-Phasensignal ungefähr gleich –180° ist.
System nach Anspruch 36, wobei die erste Routine ausgelegt ist, um Daten, die zwei Signale betreffen, zu sammeln und zu speichern, und wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um die Anzahl von Umkehrungen in jedem der zwei Signalen über einem bestimmten Zeitraum zu detektieren und die Differenz der Anzahl von Umkehrungen in den zwei Signalen über den bestimmen Zeitraum zu bestimmen.
System nach Anspruch 36, wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um eine Fourier-Transformation an den zwei oder mehr Signalen auszuführen und Änderungen in dem Spektrum der zwei oder mehr Signale zu detektieren, um das Vorliegen einer Instabilität zu erkennen.
System nach Anspruch 36, wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um die Wiener-Khintchine-Beziehung anzuwenden, um das Vorliegen einer Instabilität zu bestimmen.
System nach Anspruch 50, wobei die zweite Routine Änderungen in dem Spektrum der zwei oder mehr Signale dadurch erkennt, dass sie Änderungen in der Varianz des einen oder der mehreren Signale berechnet.
System nach Anspruch 36, wobei die erste Routine ausgelegt ist, um Daten, die zwei Signale betreffen, zu sammeln und zu speichern, und wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um die Varianz der zwei Signale zu bestimmen, das Verhältnis der Varianzen der zwei Signale zu berechnen und das Verhältnis mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen, um das Vorliegen einer Instabilität zu bestimmen.
System nach Anspruch 52, wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um das Verhältnis der Varianzen der zwei Signale rekursiv zu berechnen.
System nach Anspruch 52, wobei die zweite Routine ausgelegt ist, um das Verhältnis der Varianzen rekursiv unter Anwendung von Vergissfunktoren (forgetting factors) zu berechnen.