1. Beschreibung der Problemstellung und Anwendungsbereich

Dieses Handbuch ist für Ingenieure der Zuverlässigkeit und Techniker des technischen Betriebs der industriellen Unternehmen in der Ukraine bestimmt. Es umfasst systematische Diagnose und Beseitigung von Störungen, die mit zyklischen Schwingungen, Schwingungen (hunting) und autonomen Schwingungen pneumatischer und elektrischer Regelklappen verbunden sind.

Das Problem betrifft Prozesse im Energiesektor, chemischen, Erdöl- und Erdgas- sowie Stahlindustrie, wo die Genauigkeit der Regelung von Durchfluss, Druck oder Temperatur kritisch für Sicherheit und Produktqualität ist. Die Instabilität der Kolbenstellung verursacht Verschleiß der Dichtungen, Zerstörung des Kolbens und des Sitzes sowie technische Verluste durch unoptimierte Funktion der Steuereinheit.

Klassifizierung des Schweregrads:

Kritisch (Klasse A): Automatische Auslösung der Regelungseinrichtung für die Füllstandskontrolle im Kessel, Brenngasverbrauch oder Hauptdruck. Verursacht Auslösung von Schutzmaßnahmen, Notstopp des Aggregats oder Ausstoß von Produkten unzulässiger Qualität. Erfordert sofortige Intervention.
Bedeutend (Klasse B): Schwankungen der Durchflussmenge in den Hilfskreisen (Kühlwasser, überhitzter Dampf), die zur Verringerung der Prozesswirkung und zum beschleunigten Verschleiß der Armaturen führen. Behebung innerhalb des nächsten geplanten Stillstandsintervalls.
Minimal (Klasse C): Leichte Schwingungen des Positionierers oder kurzfristige Ausreißer bei Änderung der Aufgabe. Beeinflusst den Prozess nicht direkt und ist zu überwachen.

2. Sicherheitsmaßnahmen

WARNUNG: Vor der Durchführung jeglicher diagnostischer oder wartungstechnischer Arbeiten am Regeldruckventil muss die Energiequellenblockierung und Kennzeichnung (Lockout/Tagout - LOTO) gemäß den geltenden Arbeitssicherheitsvorschriften durchgeführt werden.

Achtung — Eingeschlossene Energie: Die Stellventile arbeiten unter hohem Mediumdruck (bis zu 250 bar und mehr) und unter dem Einfluss der vorgepressten Feder des Antriebs. Es ist verboten, die Antriebskappe oder die Dichtungskappe abzubauen, bis der Druck des Mediums (0 bar) und des Arbeitsmediums aus dem Ventilkörper vollständig abgelassen ist.

SCHUTZAUSRÜSTUNG (SCHU): Verpflichtender Einsatz von Schutzbrillen, Helm, hitzebeständigen Handschuhen und Schutzschuhen. Bei Arbeiten mit toxischen oder aggressiven Medien (Säuren, Laugen, Druckgasen) sind autonome Atemschutzgeräte und chemikalienbeständige Overalls einzusetzen.

3. Notwendige Diagnosegeräte

Gerätename	Spezifikation / Modell	Messbereich	Zweck bei der Diagnose
Industriemultimeter	Fluke 87V oder equivalent (True-RMS)	0 – 50 mA Gleichstrom, 0 – 1000 V Gleichstrom/Wechselstrom	Messung des Stromsignals 4-20 mA an den Klemmen des Positioniers.
Portable Prozesskalibrator	Fluke 725 / Druck DPI 620	0 – 24 mA, 0 – 10 bar ( pneumatischer Modul)	Erzeugung des Referenzsignals und Druckmessung der Luftversorgung.
Vibroanalyser	SKF Microlog / Emerson CSI 2140	10 Hz – 10 kHz, 0,1 – 50 mm/s	Messung der Schwingungsniveaus des Ventilgehäuses und der Rohrleitung zur Erkennung von Kavitation und mechanischen Resonanzen.
Thermovisor (Thermovisor)	Flir E8 / Testo 883	-20°C bis +500°C	Erkennung von inneren Lecks (Durchfluss durch den Ventil) und Überhitzung der Elektronik des Positionierers.
Manometer-Set	Klass Genauigkeit 0,6, mit Anschlüssen minimess	0 – 10 bar (Luft), 0 – 400 bar (Hydraulik)	Druckstabilität der Versorgungsluft direkt am Eingang des Positionierers überwachen.

4. Anfangscheckliste zur Bewertung

Parameter / Ereignis	Was beobachten und erfassen	Norm / Akzeptiertes Wert	Wert der Alarmmeldung (Alarm)
Entstehungsgeschichte	Sind die Schwingungen plötzlich aufgetreten (nach Reparatur/Justierung) oder haben sie sich schrittweise entwickelt?	Stabile Arbeitsweise nach Inbetriebnahme.	Plötzliche Erscheinung nach Änderung der Parameter des PID-Reglers oder mechanischem Eingriff.
Druck des Versorgungsluftdrucks	Druck in der pneumatischen Netzwerk am Eingang des Druckregler-Filters des Positionierers während der Kolbenbewegung.	Stabiler Druck, der den maximalen Betriebsdruck der Antriebskette um 1,0 – 1,5 bar überschreitet.	Druckabfall von mehr als 15 % beim Klappenlauf, Anwesenheit von Feuchtigkeit/Schmiermittel in der Leitung.
Steuerungs-Signal (4–20 mA)	Anwesenheit von Rauschen oder Sprüngen im Stromsignal der DCS (distribuierten Steuerungssystem).	Störstrom < 0,05 mA.	Schwingungen des Steuersignals über 0,2 mA bei stabiler technologischer Prozessführung.
Schwingungsfrequenz des Kolbens	Schwingungs周期 des Ventilpositions (Feedback).	Fehlende kreisförmige Bewegungen (totale Zone beträgt nicht mehr als 0,1 % des gesamten Hubes).	Hochfrequente Schwingungen (> 2 Hz) oder niedrige Frequenzautokolben (Periode 2–20 s).
Druckabfall am Ventil ($\Delta P$)	Der Druckunterschied zwischen dem Eingangs- und Ausgangsdruck des Arbeitsmediums ($\Delta P = P_1 - P_2$).	Innerhalb des berechneten projektiven Bereichs (gemäß datasheet des Ventils).	Überschreitung des maximal zulässigen $\Delta P$ für den gegebenen Schottentyp (Kavitation oder Blockierung).

5. Systematische Diagnoseblockschaltbild

Verwenden Sie diesen schrittweisen Algorithmus zur Lokalisierung der Störung:

Schritt 1. Prüfung der elektrischen und pneumatischen Versorgungsspannung
- Messung der Spannung und des Stroms der Versorgungsspannung an den Klemmen des Positioniers.
  - FALLS der 4-20 mA-Signal schwankt ohne Grund von der DCS $ ightarrow$ Prüfen Sie den Ausgangsmodul der DCS und die Schirmbelegung des Kabels.
  - JA Signal ist stabil $ ightarrow$ gehen Sie zum Schritt 2.
- Prüfen Sie den Druckmesser am Luftdruckregler.
  - Falls die Nadel des Druckmessers schwankt oder der Druck beim Öffnen des Ventils sinkt $ ightarrow$ Defekter Druckregler-Filter (verstopfter Filterelement oder beschädigte Membran).
Schritt 2. Diagnose des Positionierers und Einstellen des Positionierungskreises
- Prüfen Sie den mechanischen Anschluss (Seil, Klemmring, Rückführungsschwenkhebel).
  - Falls Spiel in den Gelenkverbindungen oder Verschleiß am Kipphebel $ ightarrow$ Mechanisches Spiel der Rückführung. Entfernen Sie das Spiel oder ersetzen Sie das Seilset.
  - Falls ein mechanischer starre Anschluss $ ightarrow$ führen Sie die Auto-Tuning-Prozedur des Positionsreglers durch.
- Analysieren Sie die PID-Regelparameter innerhalb des digitalen Positionierers (Kp, Ki, Kd oder Geschwindigkeitskoeffizienten).
  - Falls die Verstärkungswerte zu hoch sind $ ightarrow$ der Ventil überschwingt (overshoot) und beginnt mit niedrigfrequentem „Polieren“. Reduzieren Sie die Verstärkung des Positionierers.
Schritt 3. Analyse des mechanischen Reibwiderstands und des Zustands des Dichtungsringes
- Führen Sie eine Diagnose der Reibcharakteristiken durch, indem Sie den Serviceware-Software-Positionierer (z. B. ValveLink, FieldComm Group, AMS Device Manager) verwenden, um eine Hysterese-Schleife zu erstellen.
  - Falls die Hysterese mehr als 3-5 % beträgt oder ein „stick-slip“ (Zaun- und Ruckeffekt) beobachtet wird $ ightarrow$ Überschüssiger Reibwiderstand im Dichtungsring oder Schaden am Stift.
  - Falls die Reibung im Normbereich $ \rightarrow $ gehen Sie zum Schritt 4 über.
Schritt 4. Analyse der Wechselwirkung mit dem Prozess (Process Interaction)
- Vergleichen Sie die Schwingungsfrequenz des Ventils mit der Schwingungsfrequenz der Prozessparameter (Volumenstrom, Druck).
  - WENN die Schwingungsfrequenz des Ventils mit der Schwingungsfrequenz des Unterreglers DCS $ ightarrow$ Konflikt der Einstellungen des äußeren und inneren Regelkreises (Uneinheitlichkeit der Relaxationszeiten). Führen Sie eine Parameterabstimmung der Regelkreise durch (detuning).
  - Wenn ein hoher Druckabfall $\Delta P$ mit Anzeichen von Kavitation oder Wasserhammer $ ightarrow$ Hydrodynamische Probleme des Prozesses (falsche Wahl des Ventils oder unzureichender Unterdruck am Ventil).

6. Matrix „Symptom – Ursache – Diagnose – Erwartetes Ergebnis“

Symptom	Wahrscheinliche Ursachen (nach Wahrscheinlichkeit)	Diagnosetest	Erwarteter Ergebnis bei Bestätigung der Ursache
Hochfrequentes Stoßschwingen des Kolbens (1–5 Hz), instabiler Positions-Signal	1. Zu hohes Verstärkung (Kp) des Positionsreglers. 2. Elektrische Störungen am Analogeingang. 3. Spiel im Kolben des Antriebs.	1. Das Verstärkungsniveau des Positionsreglers um 20-30 % reduzieren. 2. Mit einem Oszilloskop prüfen, ob eine induzierte Wechselspannung am 4-20 mA-Kabel vorhanden ist. 3. Den Kolbenstiftverschluss prüfen.	Verschwinden von Hochfrequenzrauschen, Stabilisierung des Kolbens in der gewünschten Position.
Niedrfrequente Eigenoscillationen (Periode 5–30 s), „Suchen“ des Ventils	1. Hohe Reibung im Schwungrad (Stick-Slip). 2. Fehlkonfiguration des äußeren DCS-Reglers. 3. Zu großer Volumen des pneumatischen Antriebs ohne Booster.	1. Profilreibung und Hysterese im Serviceprogramm. 2. Umwandlung des DCS-Konturs in den Manuellen Modus (Manual). 3. Analyse der Füllzeit des Luftantriebs.	Bei Übergang des DCS-Konturs in den Manuellen Modus werden die Schwingungen beendet (weist auf eine Konfigurationskonflikt im PID hin).
Sprungartiger Klappenbewegung (Strömungsabbruch / Sticking)	1. Überzogener Kolbenring. 2. Verbiegung des Kolbens. 3. Ablagerung von Salzen oder Schlamm auf dem Kolben/ Sitz.	1. Lösen der Nutenmutter um 1/4 Umdrehung (unter Beobachtung). 2. Messen des radialen Spiel der Stange mit einem Zeigerinstrument (ZI).	Verringern der Schubkraft (Breakaway Force) und ein reibungsloser Gang ohne Schlag.
Schwingungen des Ventils während der Änderung des Arbeitsbelastsung des Prozesses	1. Unzureichende Durchflussfähigkeit des pneumatischen Verteilers / Positionsreglers (langsamere Antwortzeit). 2. Falsche Durchflusscharakteristik (prozentual statt linear oder umgekehrt).	1. Messung der Totzeit (Stroke Time) in Richtung und Gegenrichtung. 2. Prüfung der Kurve zur Berechnung der Durchflussmenge in Abhängigkeit vom Hub.	Die Laufzeit überschreitet die normativen Werte des Ventilpapiers (erforderlich ist die Installation eines pneumatischen Verstärkers / Boosters).

7. Ursachenanalyse jeder Störung

7.1. Übermäßiges Reibungsspiel des Dichtungsbauelements (Stick-Slip-Effekt)

Warum tritt dies auf: Das Dichtungselement (Graphit, PTFE) ist zu stark angezogen, um Auslaufsicherheit zu gewährleisten. Wenn der Signalwert sich ändert, bewegt sich der Stift nicht, da die Reibung der Ruhe überwunden werden muss. Der Positionierer sammelt den maximalen Druck im Antrieb an, bis die Druckkraft die Reibungskraft überwindet. In diesem Moment löst sich der Stift aus der Ruheposition und überspringt die gewünschte Stelle (overshoot). Der Positionierer versucht erneut, ihn zurückzubringen, wodurch zyklische Sprünge entstehen.

Wie bestätigen: Starten Sie den Klappen-Diagnosetest (Step Response oder Valve Signature). Auf dem Diagramm der Abhängigkeit des Luftdrucks vom Kolbenhub wird eine charakteristische „Stufenform“ (deadband zone) sowie scharfe Druckspikes am Anfang der Bewegung beobachtet.

Konsequenzen: Beschleunigter Verschleiß des Kolbens, Zerstörung der Dichtungen, Verlust der Dichtheit des Schotts und Unmöglichkeit der präzisen Einstellung kleiner Durchflüsse.

7.2. Ungleichgewicht der Dynamik des Positionierers und des externen PID-Reglers DCS

Warum kommt es vor: Die Reaktionszeit des inneren Regelkreises des Positionierers ist deutlich schneller (weniger als 1 Sekunde), als die Reaktionszeit des technologischen Prozesses (z. B. der Heizung einer Ofen oder der Füllstand einer Kammer). Wenn der Verstärkungsfaktor im Positionierer zu aggressiv eingestellt ist, reagiert er auf jede Mikroänderung des Signals aus dem DCS, wodurch hochfrequente Schwingungen entstehen, die sich auf den Prozess superponieren.

Bestätigen: Wechseln Sie den externen Regler DCS in den Manuellen Modus (Manual). Falls die Klappenoscillation sofort aufhört — das Problem liegt in den Einstellungen des PID-Reglers oder in einem Konflikt zwischen „schneller Positionierer – langsamer Prozess“.

Konsequenzen: Überhitzung der Elektropneumatikwandlerwicklung, schneller Verschleiß der beweglichen Teile des Positionsrelais, Instabilität der technischen Parameter.

7.3. Falsche Auswahl des Antriebsvolumens und Fehlen eines Boosterklapps (Volume Booster)

Warum tritt das auf: Große Membran- oder Kolbenantriebe benötigen eine große Luftmenge für eine schnelle Bewegung. Der standardmäßige eingebaute pneumatische Modul des Positionierers hat eine begrenzte Durchflussfähigkeit (Cv normalerweise 0,05–0,12). Die Luft strömt langsam ein, der Positionierer „kommt nicht hinterher“ und überschreitet den Ausgang, was zu Überregelung und Schwingungen führt.

Bestätigen: Messen Sie die Zeit des vollständigen Hubvorgangs des Ventils unter Last. Wenn die Hubzeit eines Volumens von mehr als 5 Litern länger als 10 Sekunden ist und keine technische Notwendigkeit besteht – ist die Durchflussfähigkeit des Positionierers kritisch gering.

Konsequenzen: Verzögerung der Auslösung der Schutzschaltungen, Überhitzung und Ausfall der Ausgangspneumomodule des Positionierers.

8. Schritt-für-Schritt-Verfahren zur Fehlerbehebung

Prozedur 1: Einstellung und Austausch des Dichtungsstücks

Führen Sie die LOTO-Prozedur durch: Entladen Sie den Luftdruck im Antrieb, schließen Sie die Schutzzu- und Abstellventile um den Ventil, entladen Sie den Druck des Mediums auf 0 bar und kühlen Sie das System auf eine sichere Temperatur (< 40°C) ab.
Entfernen Sie den Schutzschlauch des Kolbens und trennen Sie die Rückführstange.
Lockern Sie die Befestigungsschrauben des Dichtungsflansches gleichmäßig (diagonal) um einen vollen Umlauf.
Prüfen Sie den Kolbenstangenzustand mit einem Mikrometern. Das radiale Spiel darf nicht mehr als 0,05 mm überschreiten. Bei Vorhandensein von Unebenheiten polieren Sie die Kolbenstange mit Schleifpapier P600–P1000 und Mineralfett.
Ersetzen Sie die Dichtungsringe durch neue (es wird empfohlen, die Kombination PTFE + Graphit gemäß den Standards TA-Luft / ISO 15848 zu verwenden).
Schrauben Sie die Nippelmuttern mit einem Drehmomentmessschlüssel bis zum vom Hersteller empfohlenen Moment (in der Regel 15–25 Nm für DN50–DN100), um Übermomen t zu vermeiden.
Montieren Sie den Knoten, geben Sie den Luftdruck an und führen Sie 5 vollständige Ventilbewegungen durch, um den Dichtungssitz zu prägen.
Führen Sie eine erneute Hysterese-Diagnose durch: Die Gesamthysterese darf den Wert von 1,5% des gesamten Hubes nicht überschreiten.

Prozedur 2: Neuausrichtung des digitalen Positionsreglers (Automatische Einstellung und Tuning)

Verbinden Sie den Kommunikator oder den Service-PC mit dem entsprechenden Software-Tool mit dem digitalen Positionierer über den Protokollstandard HART, Profibus PA oder FOUNDATION Fieldbus.
Überprüfen Sie die aktuelle Mikroprogrammversion und die Einstellungen des Eingangsfilters (Input Filter Time Constant – setzen Sie den Wert im Bereich 0,2 – 0,5 s zur Unterdrückung von Hochfrequenzrauschen).
Starten Sie die eingebettete Kalibrierungs- und Automatisierungsfunktion (Autotune / Performance Tune) im Modus „Standard“ oder „Adaptive“. Warnung: Der Prozess wird von einer Serie schneller Klappenbewegungen begleitet. Stellen Sie sicher, dass dies nicht den laufenden Produktionsprozess beeinträchtigt.
Wenn nach der automatischen Einstellung die Schwingungen bestehen bleiben, reduzieren Sie manuell den proportionalen Gain (Kp) um 15–25% und erhöhen Sie den integralen Anteil (Ti), um die Reaktion des Positionsreglers dämpfer zu gestalten.
Speichern Sie die Konfiguration in die nichtflüchtige Speicherung des Positionierers und erstellen Sie eine Sicherungskopie der Konfigurationsdatei auf dem Unternehmensserver.

Prozedur 3: Einbau des pneumatischen Volumenverstärkers (Volume Booster)

Wählen Sie den Booster entsprechend der Antriebsgröße (z. B. ein pneumatisches Relais mit regelbarem Totband und Bypass-Überleitung zur Dämpfung kleiner Schwankungen).
Montieren Sie den Booster direkt auf den Getriebekörper mit kurzen Anschlussstücken und Rohren minimaler Innendurchmesser 8 mm zur Reduzierung des kapazitiven Widerstands.
Stellen Sie den Bypassklappen des Boosters (Deadband / Bypass needle valve) ein: Öffnen Sie den Kugelhahn des Bypasses um 1/2 – 1 Umdrehung, um dem Positionierer die präzise Steuerung kleiner Signaländerungen zu ermöglichen, ohne dass ein großer Durchfluss durch den Booster ausgelöst wird.
Prüfen Sie die Durchgangszeit des Ventils: Die Durchgangszeit eines Ventils DN100 unter Last sollte 3 – 5 Sekunden betragen.

9. Präventive Maßnahmen

Erstursache	Präventive Strategie	Monitoring-Verfahren	Empfohlener Intervall
Verunreinigung des komprimierten Luftdrucks (Öl, Feuchtigkeit)	Die Installation von Hauptabsorptions-Trocknern und dreistufigen Filter-Druckregulatoren an jedem Ventil (Klasse der Luftreinheit gemäß ISO 8573-1: Klasse 2.4.2).	Wöchentliche Kontrolle und Ablass des Kondensats aus den Filterbehältern, Prüfung der Feuchtemesser.	Wöchentlich (Prüfung), alle 12 Monate (Filterelemente austauschen).
Verschleiß der beweglichen Gelenke mit Rückmeldung	Verwendung von kontaktlosen Positionsensoren (basierend auf dem Hall-Effekt oder magnetoresistiven Effekten) anstelle mechanischer Hebel.	Diagnose des Hystereseprofils mit dem Serviceware des Positionierers.	Jedes 6 Monate.
Verschleiß von Dichtungen	Anwendung von federbelasteten Dichtungen mit Federkappen (Live-loading packing), die den Verschleiß und thermische Deformationen kompensieren.	Thermografischer Kontrolle und Monitoring von Leckagen durch den Dichtungsring.	Jährlich während der geplanten Stillstandzeit.

10. Ersatzteile und Komponenten

Beschreibung des Teils	Technische Spezifikation	Wann austauschen	Kategorie UNITEC-D
Digitaler elektrischer Pneumatiksteller	HART / Profibus PA, zweiadrig, Gehäuse aus anodisiertem Aluminium / Edelstahl 316L, IP66/67	Bei Ausfall der Elektronik, Drift des Nullpunkts über 2% oder mechanischem Schaden am pneumatischen Relais.	Regelventile und Positionierer
Reparaturset für Nippelverbindung	PTFE mit Kohlenstoff-Füllung / Graphitringe gemäß DIN/EN ISO 15848	Bei visuellen Undichtigkeiten durch den Dichtungsring oder Überschreitung der Hysterese > 3 %.	Dichtung und Wellendichtringe für Armaturen
Pneumatischer Verstärker (Volume Booster)	Verbrauchskoeffizient 1:1, Betriebsdruck bis 10 bar, Temperaturbereich -40°C bis +85°C	Bei Stillstand des Antriebs mit Volumen > 5 l oder Ausfall der inneren Membran.	Pneumatik und Antriebe
Luftdruckregler-Filter	Mit Manometer aus Edelstahl, Filtergenauigkeit 5 Mikron, maximaler Druck 16 Bar	Bei Abfall der Durchflussfähigkeit, Verunreinigung oder Schäden am Sicherheitsventil.	Luftaufbereitung von KVPiA

Eine Auswahl kompatibler Ersatzteile und einen vollständigen Katalog der Industrieausrüstung finden Sie im elektronischen Katalog UNITEC-D.

11. Links

ISO 5234 / IEC 60534: Industrielle Regelventile (Teile 1–8: Prüfverfahren, Durchsatz, Akustik).
ISO 8573-1: Druckluft – Teil 1: Kontaminations- und Reinheitsklassen.
EN 13463 / ISO 80079: Nicht standardmäßige Ausrüstung für explosionsgefährdete Umgebungen (ATEX).
Herstellerhandbücher: Emerson Fisher, Metso FlowControl, Samson AG – technische Anleitungen zum Einrichten digitaler Stellungsregler der Serien FIELDVUE, DVC und TROVIS.
Begleitete UNITEC-D-Handbücher: „Diagnose von Kavitation und erosivem Verschleiß von Armaturen“, „Methodik zur Überprüfung der Dichtheit von Abschlüssen gemäß der ISO 5208-Norm“.