BR112020000390A2 - aparelho de monitoramento e método de monitoramento de um sistema - Google Patents

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Abstract

A presente invenção refere-se ao monitoramento de um sistema técnico por meio de dados de sensor. Após a falha de um sensor, são criados dados de sensor virtuais para o sensor defeituoso com base nos demais sensores funcionais. Os sensores para o cálculo dos dados de sensor virtuais são selecionados em dois estágios. Em uma primeira etapa, possíveis candidatos a sensor são determinados com base em uma abordagem cientifica e na topologia do sistema. Em uma segunda etapa, uma correlação matemática entre os dados de sensor de um sensor defeituoso e os possíveis candidatos a sensor é calculada para fins do cálculo dos dados de sensor virtuais. Desta maneira, esses sensores que formam uma base adequada para o cálculo dos dados de sensor virtuais podem ser identificados.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHO DE MONITORAMENTO E MÉTODO DE MONITORAMENTO DE UM SISTEMA".
[0001] A presente invenção refere-se a um aparelho de monitoramento e a um método de monitoramento de um sistema. Em particular, a presente invenção se refere a um aparelho de monitoramento a fim de avaliar dados de sensor.
[0002] Os sistemas técnicos atuais são equipados com uma grande quantidade de sensores. De modo geral, esses sensores detectam todos os estados de sistema relevantes. O estado corrente do sistema a ser monitorado poderá ser determinado com base nos sinais de saída emitidos pelos sensores. Um controle de circuito aberto adaptado ou um controle de circuito fechado do sistema por meio dos valores de saída emitidos pelos sensores torna-se, portanto, possível. Em particular, estados de sistema críticos poderão ser também derivados dos valores de saída emitidos pelos sensores. Tal estado de sistema crítico poderá necessitar, por exemplo, de uma intervenção na sequência de eventos que ocorrem no sistema ou ainda, caso apropriado, um fechamento total ou parcial do sistema.
[0003] Para uma operação segura de tal sistema, será necessário, nesse caso, que os dados providos pelos sensores estejam presentes, tanto quanto possível, de maneira completa e com alta confiabilidade. No evento de dados de sensor errôneos ou possivelmente faltosos, a confiabilidade do controle ou da detecção de estados operacionais críticos poderá possivelmente não ser garantida com uma suficiente confiabilidade.
[0004] Devido à grande quantidade de sensores em um sistema, será possível, nesse caso, de acordo com determinadas circunstâncias, no evento de uma falha de um sensor, derivar os dados desse sensor a partir dos dados dos demais sensores do sistema. Várias abordagens existem para essa finalidade.
[0005] A título de exemplo, as relações entre os dados de sensor individuais podem ser identificadas em um método baseado em estatísticas. Para esse fim, por exemplo, uma relação estatística, tal como uma correlação, por exemplo, poderá ser calculada, em cada caso, em pares com relação aos dados produzidos por dois sensores. Quando uma correlação elevada acontece, nesse caso, para dois sensores, então haverá uma forte relação entre os dados de sensor dos dois sensores, tal como no evento da falha de um dentre os dois sensores, e os dados do outro sensor poderão ser derivados, em cada caso, pelo sensor que ainda se encontra em funcionamento. O que se considera uma desvantagem nesse caso, para esse método, é que um valor estatístico terá de ser antes individualmente calculado para cada emparelhamento de sensores. Devido à grande quantidade de sensores em um sistema, isso necessitará de uma grande potência computacional com um hardware correspondentemente caro e complexo.
[0006] De maneira alternativa, os dados de sensor relacionados um ao outro poderão ser também identificados por meio de uma abordagem baseada no conhecimento. No entanto, isso irá requerer um conhecimento muito detalhado do sistema a ser monitorado. Esse conhecimento é, de modo geral, obtido a partir do conhecimento humano. Sendo assim, para cada sistema que deverá ser novamente projetado, será mais uma vez necessário criar uma base de conhecimento adequada. Isso exigirá uma análise muito detalhada do sistema e um alto grau de assistência humana. Tais conceitos são, por conseguinte, também muito complexos, como também suscetíveis a erro devido ao fator humano.
[0007] Existe, portanto, a necessidade de monitoramento de um sistema com uma pluralidade de sensores, monitoramento esse no qual,
no evento de uma falha que possa ocorrer em um dos sensores, os dados do sensor defeituoso poderão ser reconstruídos de uma maneira particularmente confiável e rápida a partir dos dados de sensor ainda disponíveis.
[0008] Com esse objetivo, a presente invenção provê um aparelho de monitoramento com as características da reivindicação de patente 1, um aparelho de monitoramento de um sistema com as características da reivindicação de patente 7, como também um método de monitoramento de um sistema com as características da reivindicação de patente 8.
[0009] Em conformidade, uma provisão da presente invenção é feita de:
[0010] - um aparelho de monitoramento compreendendo um dispositivo de recepção e um dispositivo de avaliação. O dispositivo de recepção é projetado de modo a receber os dados de sensor de uma pluralidade de sensores. O dispositivo de avaliação é projetado de modo a detectar uma falha em um primeiro sensor dentre a pluralidade de sensores. Além disso, o dispositivo de avaliação é projetado de modo a calcular os dados de sensor virtuais que substituem os dados de sensor do primeiro sensor defeituoso. O dispositivo de avaliação, no presente caso, para o cálculo dos dados de sensor virtuais, primeiramente determina uma lista de candidatos a sensor dentre a pluralidade de sensores. O dispositivo de avaliação determina um respectivo valor de similaridade para cada sensor dos candidatos a sensor. O dispositivo de avaliação, em seguida, calcula os dados de sensor virtuais para o primeiro sensor defeituoso usando os dados de sensor do sensor que tem o maior valor de similaridade.
[0011] Uma provisão da presente invenção é ainda feita de:
[0012] - um aparelho de monitoramento de um sistema compreendendo uma pluralidade de sensores, um aparelho de monitoramento de acordo com a presente invenção, e um dispositivo de controle. A pluralidade de sensores é, em cada caso, projetada de modo a prover dados de sensor. Os dados de sensor providos a partir de um sensor correspondem, no presente documento, em cada caso, a um valor de medição detectado no sistema. O dispositivo de controle é projetado de modo a controlar o sistema usando os dados de sensor recebidos e os dados de sensor virtuais calculados.
[0013] Além disso, uma provisão da presente invenção é feita de:
[0014] - um método de monitoramento de um sistema. O método compreende as etapas de receber os dados de sensor de uma pluralidade de sensores, e detectar uma falha em um primeiro sensor dentre a pluralidade de sensores. Além disso, o método compreende uma etapa de determinação de uma lista de candidatos a sensor dentre a pluralidade de sensores, e uma etapa de determinação de um valor de similaridade para cada sensor na lista de candidatos a sensor. Finalmente, o método compreende uma etapa de calcular os dados de sensor virtuais. Nesse caso, os dados de sensor virtuais substituem os dados de sensor do primeiro sensor defeituoso. Nesse caso, os dados de sensor virtuais são calculados usando os dados de sensor do sensor que tem o maior valor de similaridade.
[0015] A presente invenção se baseia no fato de que, no caso de um sistema que compreende uma multiplicidade de sensores, no evento de uma falha de um sensor, os dados de sensor poderão, de modo geral, ser reconstruídos a partir dos demais dados de sensor. Nesse caso, no entanto, a identificação de sensores alternativos adequados a partir dos quais os dados de sensor faltosos e/ou errôneos poderão ser reconstruídos é associada a uma complexidade muito elevada. Essa alta complexidade, por conseguinte, constrói a concepção de um sistema confiável mais difícil e mais caro.
[0016] A presente invenção se baseia, portanto, em um conceito que leva em consideração esse aspecto e que provê o monitoramento de um sistema no qual os dados de sensor alternativos para a reconstrução de dados faltosos e/ou errôneos poderão ser identificados, tanto quanto possível, de uma maneira simples, mas, no entanto, confiável. Para esse fim, a presente invenção provê um método de dois estágios. De acordo com uma primeira etapa, um sistema existente poderá, primeiramente, ser analisado em termos estruturais e funcionais. Desta maneira, as relações funcionais e estruturais que podem servir como uma base inicial para fontes de sensores alternativos poderão ser identificadas em um método relativamente simples. A quantidade de possíveis candidatos a sensor que servem como uma base inicial para a reconstrução de dados de sensor poderá, como resultado, ser, em grande parte, restringida. Em seguida, de acordo com uma outra etapa, as relações dos dados de sensor dos candidatos individuais poderão ser calculadas por meio de uma análise estatística / matemática. Quando, nesse caso, são identificadas fortes relações entre os dados de dois sensores, então no evento de falha em um dos sensores, o outro sensor respectivo poderá ser usado como uma base para a reconstrução dos dados de sensor errôneos.
[0017] A determinação de candidatos a sensor a partir de cujos dados os dados de sensor do sensor defeituoso poderão ser reconstruídos no evento de uma falha de um sensor poderá se basear em qualquer análise adequada do sistema. A título de exemplo, uma descrição estrutural e/ou funcional do sistema poderá ser armazenada em um banco de dados ou em alguma outra unidade de armazenamento adequada. As relações funcionais, estruturais e espaciais entre os sensores individuais no sistema podem ser identificadas com base na descrição estrutural e/ou funcional do sistema. Quando uma taxa de fluxo volumétrico é monitorada, por exemplo, nesse caso, todos os sensores envolvidos nesse monitoramento da taxa de fluxo volumétrico poderão ser colocados em uma relação. Por outro lado, outros sensores não envolvidos no monitoramento de tal taxa de fluxo volumétrico poderão ser desconsiderados, com o resultado de que a quantidade de sensores para a segunda etapa subsequente poderá ser reduzida. Além disso, o conhecimento já existente a respeito de sistemas similares já anteriormente projetados poderá também ser concomitantemente incluído na criação da lista de possíveis candidatos a sensor. A princípio, será igualmente possível que outras fontes de conhecimento sejam também usadas na criação da lista de candidatos a sensor.
[0018] A lista de candidatos a sensor pode ser criada logo no início durante a concepção do sistema. Além disso, durante o curso normal da operação, a lista de candidatos a sensor poderá também ser estabelecida, criada ou ainda adaptada conforme apropriado, dependendo do estado operacional do sistema ou de modificações no sistema. Uma vez que a criação da lista de candidatos a sensor é independente da operação em andamento do sistema, apenas uma baixa potência de computação será requerida para a criação da lista de candidatos a sensor. Em particular, a criação da lista de candidatos a sensor não é um processo no qual o fator tempo é crucial, uma vez que uma alta potência de computação não se faz necessária para aplicações em tempo real.
[0019] Ainda no curso dos eventos, um respectivo valor de similaridade poderá ser determinado em seguida para os candidatos potenciais a partir dos quais os dados de um sensor defeituoso poderão ser capazes de serem reconstruídos no caso de uma falha. A título de exemplo, uma função que descreve uma medida de uma similaridade entre os dados de dois sensores poderá ser definida para esse fim. Em particular, por exemplo, uma correlação ou uma correlação cruzada entre os dados de dois sensores poderá ser calculada. Quanto maior a similaridade, em particular a correlação entre os dados de dois sensores, mais fortemente os dados dos dois sensores se relacionarão um com o outro. No evento de uma falha dos dados de um dos dois sensores, nesse caso, tendo em vista uma alta similaridade, em particular uma forte correlação, os dados do sensor defeituoso poderão ser reconstruídos de uma forma relativamente bem a partir dos dados do sensor que ainda funciona.
[0020] O sistema a ser monitorado pode ser qualquer sistema desejado, em particular qualquer sistema técnico desejado. Com relação a esse aspecto, as instalações técnicas que produzem um produto final a partir de uma ou mais matérias primas ou produtos de partida serão possíveis como um sistema, por exemplo. A título de exemplo, uma instalação de processo de um processo químico poderá ser envolvida nesse caso. Além disso, quaisquer instalações de produção desejadas para uma fabricação de produtos totalmente automática ou parcialmente automática são igualmente possíveis como um sistema. Tal sistema pode compreender, por exemplo, uma instalação de fabricação de aparelhos eletrodomésticos, ou qualquer outra instalação de produção. Além disso, o sistema poderá ser também, por exemplo, uma usina geradora de energia, tal como uma central elétrica a gás ou uma usina energética movida a carvão, por exemplo. Além disso, o sistema a ser monitorado poderá opcionalmente ser também apenas uma parte de tal instalação de produção ou de uma central elétrica. A título de exemplo, o sistema a ser monitorado poderá ser também apenas uma turbina de uma usina geradora de energia. Além disso, quaisquer outros sistemas desejados são igualmente possíveis, os quais, no entanto, poderão ser monitorados e controlados por meio de uma pluralidade de sistemas.
[0021] A detecção da falha no primeiro sensor pode ser feita de qualquer maneira desejada. A título de exemplo, os dados de sensor recebidos poderão ser checados para fins de consistência. Quando os dados de sensor recebidos ficam acima e/ou abaixo de valores de limites predefinidos, nesse caso, isso poderá ser uma indicação de um sensor defeituoso, por exemplo. Além disso, os dados de sensor recebidos poderão também ser comparados com os dados de sensor já recebidos em um momento anterior e uma possível falha poderá ser deduzida caso exista um desvio excessivamente grande. Em um caso simples, um mau funcionamento do sensor já poderá ser deduzido a partir de uma ausência de dados de sensor provida. Além disso, será igualmente possível, por outro lado, receber um sinal adicional indicando uma possível falha em um dos sensores. O termo “primeiro sensor”, no presente documento, serve tão somente para diferenciar esse sensor dentre os demais sensores. Um primeiro sensor, nesse caso, poder ser um sensor arbitrário no sistema dentre a pluralidade de sensores de sistema.
[0022] De acordo com uma modalidade, o aparelho de monitoramento compreende um dispositivo de armazenamento. Nesse caso, o dispositivo de avaliação poderá ser projetado de modo a armazenar os dados de sensor recebidos da pluralidade de sensores no dispositivo de armazenamento. Além disso, o dispositivo de avaliação poderá calcular os valores de similaridade usando os dados de sensor armazenados que foram armazenados antes da detecção de uma falha no primeiro sensor. Em particular, para o cálculo dos valores de similaridade, será possível usar os dados de sensor armazenados de uma predeterminada janela de tempo ou intervalo de tempo para o cálculo dos valores de similaridade.
[0023] De acordo com uma modalidade, o aparelho de monitoramento compreende um banco de dados. O banco de dados pode ser projetado de modo a armazenar e prover as informações a respeito da pluralidade de sensores. O dispositivo de avaliação poderá criar uma lista de candidatos a sensor usando as informações com relação à pluralidade de sensores que são providas pelo banco de dados. A título de exemplo, as informações sobre as relações funcionais dos sensores individuais poderão ser armazenadas no banco de dados. Além disso, as relações espaciais e/ou estruturais entre os sensores individuais poderão também ser armazenadas no banco de dados. Além disso, quaisquer outras indicações desejadas adicionais a respeito do sistema e em particular a respeito dos sensores individuais no sistema poderão também ser armazenadas no banco de dados. Essas informações poderão ser entradas no banco de dados, por exemplo, automaticamente ou ainda, opcionalmente, de uma maneira totalmente manual ou parcialmente manual. Deste modo, uma base de conhecimento a respeito do sistema e dos sensores contidos no mesmo poderá ser provida. Em particular, a título de exemplo, uma medida de qualidade em associação ao um respectivo sensor poderá também ser armazenada para cada sensor no banco de dados. A dita medida de qualidade poderá especificar, por exemplo, uma indicação a respeito da faixa de tolerância dos dados de sensor ou qualquer outro parâmetro desejado para a qualidade dos dados de sensor. Será igualmente possível derivar a partir dessa medida, em particular, durante a reconstrução dos dados de sensor virtuais em um sensor defeituoso, indicações a respeito da confiabilidade e/ou tolerância dos dados de sensor virtuais gerados.
[0024] De acordo com uma modalidade, o dispositivo de avaliação determina os candidatos a sensor usando as relações espaciais, estruturais ou funcionais dos sensores individuais no sistema. Desta maneira, a quantidade de potenciais candidatos a sensor em um sistema que compreende uma grande quantidade de sensores poderá, nesse aspecto, ser grandemente reduzida em função da avaliação das relações conhecidas dentre os sensores.
[0025] De acordo com uma modalidade, o dispositivo de avaliação gera uma especificação de computação a fim de calcular os dados de sensor virtuais a partir dos dados de sensor do(s) sensor(es) a partir do(s) qual (quais) os dados de sensor virtuais podem ser derivados. Desta maneira, os dados de sensor virtuais, no caso de uma falha, poderão ser calculados muito rapidamente a partir dos dados de sensor ainda disponíveis.
[0026] De acordo com uma modalidade, a etapa de calcular os dados de sensor virtuais compreende o cálculo de um valor de confiabilidade para os dados de sensor virtuais calculados. Em particular, o valor de confiabilidade pode ser calculado, por exemplo, usando o valor de similaridade calculado e/ou a qualidade dos dados de sensor que é definida em associação aos sensores. Desta maneira, uma medida da qualidade dos dados de sensor virtuais poderá ser calculada. Por conseguinte, torna-se possível adaptar mais facilmente o controle e o monitoramento do sistema por meio dos dados de sensor virtuais de acordo com o valor de confiabilidade calculado.
[0027] De acordo com uma modalidade do método de monitoramento de um sistema, a etapa de calcular o valor de similaridade entre dois sensores compreende o cálculo de uma correlação entre os dois sensores, em particular entre o primeiro sensor identificado como defeituoso e um outro candidato a sensor. Além disso, quaisquer outras funções e especificações de computação desejadas para a definição de variáveis que possam descrever uma relação entre os dados de dois sensores são igualmente possíveis.
[0028] De acordo com uma modalidade, a determinação da lista de candidatos a sensor já é realizada antes de detectar uma falha no primeiro sensor. Desta maneira, a lista de candidatos a sensor já se encontra disponível após a detecção de uma falha, com o resultado de que um sensor apropriado que poderá ser considerado como uma base para o cálculo dos dados de sensor virtuais alternativos para o sensor defeituoso poderá, em seguida, ser muito rapidamente identificado. Nesse caso, a lista de candidatos a sensor poderá ser criada, por exemplo, apenas uma vez durante a concepção do sistema. Além disso, será igualmente possível adaptar a lista de candidatos a sensor no caso de uma modificação do sistema e/ou dependendo de um estado operacional do sistema.
[0029] De acordo com uma modalidade, o método compreende uma etapa de armazenamento dos dados de sensor recebidos da pluralidade de sensores. Nesse caso, a etapa de determinar o valor de similaridade poderá ser efetuada usando os valores de sensor armazenados que foram recebidos antes que uma falha fosse detectada no primeiro sensor. Desta maneira, dados de sensor sem erros e adequados se tornam disponíveis para o cálculo dos valores de similaridade. Em particular, o cálculo dos valores de similaridade entre dois sensores poderá ser efetuado com base nos dados de sensor que foram recebidos dentro de uma predeterminada janela de tempo ou intervalo de tempo.
[0030] As configurações e desenvolvimentos acima poderão, na medida em que for prático, ser combinados entre si de qualquer maneira desejada. Outras configurações, desenvolvimentos e implementações da presente invenção poderão também abranger combinações não explicitamente mencionadas com relação aos recursos da presente invenção acima ou abaixo descritos com respeito às modalidades exemplares. Em particular, uma pessoa versada na técnica poderá também adicionar aspectos individuais como aperfeiçoamentos ou complementações às respectivas formas básicas da presente invenção.
[0031] A presente invenção será a seguir explicada em mais detalhes com base nas modalidades exemplares indicadas nas figuras esquemáticas dos desenhos em anexo, nos quais: - a Figura 1 mostra uma ilustração esquemática de um sistema a ser monitorado de acordo com uma modalidade; - a Figura 2 mostra uma ilustração esquemática de um aparelho de monitoramento em um aparelho de monitoramento de um sistema de acordo com uma modalidade; e - a Figura 3 mostra uma ilustração esquemática de um fluxograma de modo a formar a base de um método de monitoramento de um sistema, de acordo com uma modalidade.
[0032] A Figura 1 mostra uma ilustração esquemática de um sistema 10 a ser monitorado. O sistema 10 a ser monitorado pode ser qualquer sistema desejado a ser monitorado. A título de exemplo, o sistema 10 poderá ser uma instalação de produção, uma linha de produção, uma usina elétrica, ou ainda apenas uma parte das mesmas. A título de exemplo, o sistema 10 poderá ser também uma turbina ou alguma outra peça a ser monitorada de uma usina geradora de energia. Da mesma forma, uma parte de uma instalação de produção, tal como, por exemplo, um recipiente de reação ou coisa do gênero, poderá também ser monitorado, por exemplo, como um sistema 10. Uma pluralidade de sensores 1-i é provida no sistema 10. Cada qual dentre esses sensores 1-i poderá, por exemplo, monitorar um ou mais parâmetros do sistema 10 e prover dados de sensor correspondentes ao(s) parâmetro(s) monitorado(s). A título de exemplo, os sensores 1-i podem detectar, em cada caso, uma temperatura, uma pressão, uma taxa de fluxo volumétrico, uma umidade, uma concentração de uma substância predeterminada em um volume, uma quantidade de enchimento, um comprimento, tal como, por exemplo, uma distância ou uma extensão, uma intensidade, tal com, por exemplo, uma intensidade de luz ou radiação, uma variável elétrica, tal como, por exemplo, uma tensão, uma corrente, uma potência, etc., ou qualquer outra variável física desejada. Os dados de sensor providos pelos sensores 1-i poderão ser providos como valores analógicos ou digitais, por exemplo.
Em particular, a título de exemplo, os dados de sensor poderão ser providos como dados digitais. Nesse caso, será possível prover os dados para cada sensor separadamente através de uma conexão adequada em um aparelho de monitoramento 2. É igualmente possível que os dados de uma pluralidade de sensores sejam providos através de um barramento de dados comum no aparelho de monitoramento 2. Qualquer sistema de barramento adequado será possível para essa finalidade.
[0033] O aparelho de monitoramento 2 recebe os dados de sensor emitidos pelos sensores 1-i. Quando ocorre uma falha em um sensor F e, por conseguinte, nenhum dado ou apenas dados de sensor errôneos poderão ser providos pelo dito sensor F, nesse caso o aparelho de monitoramento 1 poderá reconstruir os dados de sensor desse sensor defeituoso F e prover dados de sensor virtuais para esse sensor defeituoso F. Em seguida, o dispositivo de controle 3 do sistema 10 poderá controlar o sistema por meio de um controle de circuito aberto ou por meio de um controle de circuito fechado usando os dados de sensor emitidos pelos sensores 1-i e, opcionalmente, usando os dados de sensor virtuais para o sensor defeituoso F. Em particular, nesse caso, o dispositivo de controle 3 poderá também identificar, quando apropriado, os estados operacionais críticos do sistema 10 com base nos dados de sensor emitidos pelos sensores 1-i e ainda, opcionalmente, os dados de sensor virtuais. Quando tal estado operacional crítico é identificado no sistema 10 com base nos dados de sensor 1-i ou, opcionalmente, nos dados de sensor virtuais, nesse caso, uma sinalização adequada, por exemplo, poderá ser feita em seguida. A sinalização poderá ser emitida como um sinal óptico e/ou acústico. Da mesma forma, será também possível emitir um sinal analógico ou digital, com base nos quais o controle do sistema 10 poderá ser adaptado ou ainda, conforme apropriado, o sistema 10 poderá ser total ou parcialmente paralisado no evento da ocorrência de um estado operacional crítico.
[0034] Para um procedimento operacional seguro, será de grande importância, nesse caso, que, de maneira precisa, esses estados operacionais críticos sejam confiavelmente identificados. A título de exemplo, quando o procedimento do sistema 10 não é adaptado em tempo hábil no evento de uma ocorrência de um estado operacional crítico, nesse caso, isso poderá resultar em uma situação de perigo considerável no sistema 10. Se, por outro lado, por exemplo, devido a uma insuficiência de dados de sensor, um estado operacional crítico do sistema 10 poderá ser determinado mesmo que tal estado operacional crítico do sistema 10 não se encontre presente, e, nesse caso, esse fato poderá resultar em uma falha total ou parcial do sistema 10, o que poderá ser associado, por exemplo, a altos custos devido a uma paralisação do sistema 10. Sendo assim, é de grande importância sempre se ter disponível um suficiente conjunto de dados com base nos dados de sensor emitidos pelos sensores 1-i.
[0035] Por conseguinte, no evento de uma falha que ocorre em um sensor F, o aparelho de monitoramento 2 do sistema 10 poderá reconstruir os dados de sensor virtuais, os quais poderão ser usados no lugar dos dados de sensor correntes do sensor defeituoso F. Nesse caso, os ditos dados de sensor virtuais poderão ser calculados a partir dos dados de sensor de um sensor ou, ainda opcionalmente, a partir de uma pluralidade de outros sensores 1-i do sistema 10. A função do aparelho de monitoramento 2 será explicada a seguir em mais detalhes.
[0036] A Figura 2 mostra uma ilustração esquemática de um aparelho de monitoramento 2 tal como poderá ser usado em um sistema
10. O aparelho de monitoramento 2 compreende pelo menos um dispositivo de recepção 21 e um dispositivo de avaliação 22. Além disso, o aparelho de monitoramento 2 poderá compreender ainda um banco de dados 23 e opcionalmente outros componentes. O dispositivo de recepção 21 recebe os dados de sensor dos sensores 1-i do sistema
10. Os dados de sensor recebidos são, em seguida, providos no dispositivo de avaliação 22. O dispositivo de avaliação 22 pode detectar, por exemplo, uma falha nos dados de sensor de um sensor F. A título de exemplo, o dispositivo de avaliação 22 pode comparar os dados de sensor recebidos com um valor limite maior e/ou menor. Quando os dados de sensor excedem e/ou caem abaixo desse(s) valor(es) limite(s) predefinido(s), isso poderá indicar, nesse caso, um mau funcionamento do correspondente sensor 1-i. Além disso, o perfil de tempo dos valores dos dados de sensor poderá também ser avaliado a fim de deduzir um mau funcionamento do correspondente sensor 1-i no evento de um desvio do perfil de tempo de critérios predefinidos. De maneira alternativa, é igualmente possível que o dispositivo de avaliação 22 receba um sinal adicional que sinaliza um mau funcionamento do correspondente sensor 1-i. Esse sinal poderá ser qualquer sinal analógico ou digital desejado adequado para a indicação de um mau funcionamento do correspondente sensor 1-i.
[0037] Quando o dispositivo de avaliação 22 estabelece que um mau funcionamento de um sensor F se encontra presente, nesse caso, o dispositivo de avaliação 22 calcula os dados de sensor virtuais para o sensor defeituoso F a partir dos dados de sensor de um sensor dentre uma pluralidade de outros sensores 1-i. Os ditos dados de sensor virtuais poderão ser usados para o processamento seguinte ao invés dos dados de sensor correntes do sensor defeituoso F. Por conseguinte, o controle do sistema 10 e, em particular, a detecção de seus apropriados estados operacionais críticos do sistema 10 poderão ser feitos com base nos dados de sensor e nos dados de sensor virtuais calculados.
[0038] Para o cálculo dos dados de sensor virtuais, o dispositivo de avaliação 22 primeiramente determina quais dados de sensor provenientes dos demais sensores 1-i do sistema 10 poderão ser considerados como uma base para o cálculo dos dados de sensor virtuais para o sensor defeituoso 1-i de maneira tão exata e confiável quanto possível. Para esse fim, de acordo com uma primeira etapa, primeiramente é determinada uma lista de possíveis candidatos a sensor. De acordo com uma outra etapa, para esses determinados candidatos a sensor 1-i, é determinado um respectivo valor que especifica uma medida da relação entre o sensor defeituoso F e o respectivo candidato. Em seguida, os dados de sensor virtuais poderão ser calculados a partir dos dados de sensor de um outro sensor ou dos demais sensores 1-i que têm uma relação particularmente forte com os dados de sensor do sensor defeituoso F.
[0039] Os possíveis candidatos a sensor 1-i poderão ser determinados, por exemplo, por meio de uma análise das especificações relativas ao sistema 10. Essas especificações poderão, por exemplo, ser armazenadas no banco de dados 23 e ser providas pelo banco de dados 23. A título de exemplo, as relações funcionais dos sensores individuais 1-i com respeito um ao outro poderão ser avaliadas. De acordo com esse aspecto, por exemplo, uma pluralidade de sensores 1-i conectados a uma etapa de processo comum poderá ser considerada como sensores mutuamente associados entre si. Quando o sistema 10 compreende um recipiente de reação, por exemplo, nesse caso, todos os sensores que detectam variáveis conectadas ao dito recipiente de reação poderão ser considerados como estando associados a um grupo comum. Além disso, por exemplo, os dados provenientes dos sensores que detectam uma pluralidade de variáveis de um fluxo volumétrico em uma tubulação poderão ser considerados como mutuamente associados entre si. Além disso, é igualmente possível formar quaisquer grupos de outros sensores desejados para um sistema 10. Em particular, será possível, por exemplo, especificar os sensores 1-i no sistema em uma estrutura hierárquica. Nesse caso, por exemplo, os sensores que pertencem, em sua totalidade, a um nível hierárquico maior poderão ser considerados como um conjunto de sensores. Nesse caso, o agrupamento de sensores poderá se basear nas relações funcionais, ou seja, os sensores que detectam variáveis de uma função comum do sistema 10 poderão ser combinados como um grupo, ou ainda o agrupamento de sensores poderá, por exemplo, também se basear em arranjos estruturais ou espaciais no sistema 10, ou seja, os sensores dispostos em uma região espacial comum do sistema 10 poderão ser considerados como um grupo comum. Além disso, deve-se também observar que qualquer outro agrupamento adequado de sensores 10 é também possível.
[0040] O agrupamento de sensores 1-i para a formação de possíveis candidatos a sensor 1-i a partir de cujos dados poderão ser calculados os dados de sensor virtuais para um sensor defeituoso F poderá também ser feito de qualquer outra maneira desejada. A título de exemplo, os candidatos possíveis poderão também ser definidos e armazenados logo no início, tal como durante a concepção do sistema
10. Em particular, nesse caso, será possível usar quaisquer abordagens baseadas no conhecimento desejadas para a formação de possíveis candidatos a sensor. A título de exemplo, uma análise semântica da especificação do sistema 10 para a identificação de possíveis candidatos a sensor 1-i é igualmente possível. Nesse caso, a lista de possíveis candidatos a sensor 1-i poderá ser determinada de maneira totalmente automática ou ainda, opcionalmente, parcialmente automática por meio de quaisquer métodos adequados desejados. A título de exemplo, algoritmos baseados em uma lógica Fuzzy (difusa) poderão também ser usados para a identificação dos possíveis candidatos a sensor 1-i.
[0041] A lista de possíveis candidatos a sensor 1-i que poderão ser usados como uma base inicial para o cálculo dos dados de sensor virtuais em um sensor defeituoso 1-i poderá ser implementada, nesse caso, uma vez durante a concepção do sistema 10. Além disso, é também possível adaptar a lista de candidatos a sensor 1-i após a concepção do sistema 10. Por exemplo, no caso de uma modificação do sistema 10, a lista de possíveis candidatos a sensor 1-i poderá ser adaptada de acordo com a modificação. Uma adaptação da lista de possíveis candidatos a sensor 1-i dependendo do respectivo estado operacional do sistema 10 será igualmente possível.
[0042] No entanto, o que se deve observar como crucial nesse caso é que a criação da lista de possíveis candidatos a sensor 1-i para o cálculo dos dados de sensor virtuais for para um sensor 1-i específico já poderá ser feita antes da ocorrência de uma falha no correspondente sensor 1-i. Sendo assim, a determinação da lista de possíveis candidatos a sensor 1-i não é um processo em que o fator tempo é crucial, e, portanto, a criação da lista de possíveis candidatos a sensor 1-i poderá ser realizada com uma capacidade de processamento relativamente baixa. Uma determinada lista de possíveis candidatos a sensor poderá, em seguida, ser armazenada e mantida pronta em uma unidade de armazenamento do dispositivo de avaliação 22.
[0043] No caso dos possíveis candidatos a sensor 1-i a partir de cujos dados de sensor os dados de sensor virtuais para um sensor F poderão ser calculados no evento de uma falha, será possível tomar aqui como base, em cada caso, um parâmetro físico idêntico. Ou seja, pode-se dizer, por exemplo, que, para a reconstrução de uma temperatura, será possível usar os dados de sensor provenientes de outros sensores de temperatura. Além disso, é igualmente possível, no entanto, a princípio, que esses dados de sensor virtuais para um parâmetro físico sejam calculados com base nos dados de sensor para outros parâmetros físicos. A esse respeito, a título de exemplo, no evento de falha de um sensor de temperatura, quando apropriado, uma temperatura poderá também ser derivada a partir dos dados de sensor dos sensores para outros parâmetros físicos, tais como, por exemplo, pressão, taxa de fluxo, etc.
[0044] Quando o dispositivo de avaliação 22 estabelece que existe uma falha em um dos sensores 1-i, nesse caso, o dispositivo de avaliação 22 determinará, em seguida, quais dados de sensor poderão ser tomados como uma base para o cálculo de possíveis dados de sensor virtuais da maneira mais adequada. Para esse fim, primeiramente, para cada possível candidato a sensor 1-i da lista de candidatos a sensor previamente criada, o dispositivo de avaliação 22 poderá determinar um valor indicando uma medida da relação entre o possível candidato a sensor 1-i e o sensor defeituoso F. Tal valor será a seguir referido, no presente documento, como valor de similaridade. Por exemplo, tal valor de similaridade poderá ser calculado a partir de uma correlação entre os dados de sensor do sensor defeituoso 1-i e os dados de sensor do possível candidato. Nesse caso, uma alta correlação tendo um valor absoluto próximo a um indica uma alta correspondência entre os dados de sensor do sensor defeituoso 1-i e os dados de sensor do possível candidato. Em contrapartida, um valor baixo, próximo a zero descreve uma correspondência muito baixa de ambos os dados de sensor.
[0045] Para o cálculo do valor de similaridade, nesse caso, será possível usar, em particular, os dados de sensor antes da detecção de uma falha em um dos sensores F. Para esse fim, a título de exemplo, os dados de sensor dos sensores 1-i poderão ser armazenados, em cada caso, continuamente ou em predeterminados pontos no tempo. Quando uma falha é detectada em um sensor F, nesse caso, os dados de sensor previamente armazenados poderão ser usados de modo a calcular a partir dos mesmos os valores de similaridade entre os sensores individuais 1-i. Em particular, nesse caso, uma janela de tempo ou intervalo de tempo poderá ser predefinida a partir da qual os dados de sensor serão usados para o cálculo dos valores de similaridade. Dependendo da aplicação, o intervalo de tempo poderá ser da faixa de microssegundos, milissegundos, segundos, minutos, horas ou dias.
[0046] Depois de um valor de similaridade entre os valores de sensor dos candidatos e os dados de sensor do sensor defeituoso F ser calculado para todos os possíveis candidatos a sensor 1-i, pelo menos um sensor 1-i poderá ser selecionado, cujos dados de sensor serão tomados como uma base para o cálculo de possíveis dados de sensor virtuais para o sensor defeituoso F. Para esse fim, a título de exemplo, os dados de sensor de um outro sensor 1-i que ainda se encontra funcional poderão ser usados de modo a calcular, a partir dos mesmos, os dados de sensor virtuais para o sensor defeituoso 1-i. De maneira alternativa, será igualmente possível usar os dados de sensor de uma pluralidade de sensores 1-i que ainda se encontram funcionais a fim de calcular, a partir dos mesmos, os dados de sensor virtuais para o sensor defeituoso F.
[0047] Nesse caso, a partir dos dados de sensor armazenados antes da ocorrência de uma falha no sensor defeituoso F, será igualmente possível derivar uma relação entre os dados de sensor do sensor F que ficou defeituoso ao longo do tempo e os dados de sensor do(s) sensor(es) com base nos quais os dados de sensor virtuais deverão ser calculados. Será possível derivar, a partir dos mesmos, uma especificação de computação a fim de calcular os dados de sensor virtuais dos dados de sensor dos sensores funcionais 1-i.
[0048] Além disso, será igualmente possível atribuir uma medida de qualidade, em cada caso, com relação aos sensores 1-i. Essa medida de qualidade poderá descrever, por exemplo, a exatidão dos dados de sensor de um respectivo sensor 1-i. Além disso, outros parâmetros para a especificação da qualidade dos respectivos sensores 1-i ou dos dados de sensor dos respectivos sensores 1-i são também possíveis. Essa medida da qualidade dos dados de sensor poderá, da mesma maneira, ser concomitantemente incluída na seleção de um sensor a partir de cujos dados de sensor os dados de sensor virtuais poderão ser calculados. A esse respeito, a título de exemplo, no caso de valores de similaridade idênticos ou semelhantes em dois potenciais candidatos a sensor 1-i, será possível selecionar o sensor que tem um valor adequado para a qualidade dos dados de sensor.
[0049] Além disso, é igualmente possível derivar uma medida da qualidade dos dados de sensor virtuais a partir dos valores da qualidade dos dados de sensor especificados. Desta maneira, os dados de sensor virtuais poderão ser classificados em conformidade. A título de exemplo, quando é possível calcular apenas os dados de sensor virtuais com uma qualidade relativamente baixa, embora, no entanto, os dados de sensor originais, que, ao longo do tempo, se tornaram errôneos, tinham uma alta qualidade, nesse caso, o controle do sistema 10 poderá também ser adaptado posteriormente com base na determinada qualidade dos dados de sensor virtuais. Em particular, será igualmente possível adaptar os critérios para a identificação dispositivos estados operacionais críticos com base nos dados de sensor quando a qualidade dos dados de sensor virtuais se desvia da qualidade dos dados de sensor originais. Quando se deve esperar, por exemplo, que os dados de sensor virtuais descrevam apenas uma temperatura com uma alta tolerância, ao mesmo tempo o sensor de temperatura original poderá determinar os dados de sensor que especificam a temperatura com uma alta precisão, nesse caso, quando apropriado, um estado operacional crítico já poderá ser estabelecido em uma temperatura correspondentemente mais baixa a fim de derivar correspondentes medidas a partir do mesmo.
[0050] De maneira alternativa, as regiões de controle de circuito aberto ou as regiões de controle de circuito fechado do sistema 10 podem também ser adaptadas de acordo com a qualidade dos dados de sensor virtuais.
[0051] A Figura 3 mostra uma ilustração esquemática de um fluxograma, tal como considerado como uma base para um método de monitoramento de um sistema 10 de acordo com uma modalidade. Na etapa S1, primeiramente, os dados de sensor de uma pluralidade de sensores 1-i são recebidos. Na etapa S2, uma falha poderá ser detectada em pelo menos um sensor F dentre a pluralidade de sensores 1-i. A detecção poderá ser efetuada tal como acima descrito, com base nos dados de sensor recebidos ou ainda opcionalmente como uma detecção direta de falha no sensor 1-i. Na etapa S3, os possíveis candidatos a sensor 1-i são determinados a partir de cujos dados de sensor, quando apropriado, os dados de sensor para o sensor defeituoso F podem ser derivados. Nesse caso, os possíveis candidatos a sensor poderão ser determinados tão precocemente quanto antes da detecção de uma falha in a sensor 1-i, em particular tão precocemente quanto durante a concepção do sistema 10 ou durante a operação normal do sistema 10. Na etapa S4, valores de similaridade são calculados, sendo que um valor de similaridade é calculado, em cada caso, para cada agrupamento entre o sensor defeituoso F e os possíveis candidatos a sensor. O cálculo dos valores de similaridade é feito, nesse caso, em particular com base nos dados de sensor antes da detecção de uma falha em um sensor F. Para esse fim, tal como já acima descrito, é possível armazenar os dados de sensor antes da ocorrência da falha.
[0052] Na etapa S5, os dados de sensor virtuais são calculados para o sensor defeituoso. Esses dados de sensor virtuais podem substituir os dados de sensor do sensor defeituoso em outras etapas de processo. Os dados de sensor virtuais são calculados, nesse caso, usando os dados de sensor com o maior valor de similaridade. Opcionalmente, será igualmente possível usar os dados de sensor de uma pluralidade de sensores 1-i com um valor de similaridade correspondentemente elevado para o cálculo dos dados de sensor virtuais.
[0053] O sistema 10 poderá, em seguida, ser controlado com base nos dados de sensor, sendo que os dados de sensor do sensor defeituoso são substituídos pelos dados de sensor virtuais. Nesse caso, o controle do sistema 10 poderá, em particular, também abranger uma detecção de estados operacionais críticos.
[0054] Em suma, a presente invenção refere-se ao monitoramento de um sistema técnico por meio de dados de sensor. No evento de falha de um sensor, nesse caso, o sensor defeituoso, dados de sensor virtuais são criados com base nos demais sensores funcionais. Nesse caso, os sensores para o cálculo dos dados de sensor virtuais são selecionados em dois estágios. De acordo com uma primeira etapa, primeiramente, os possíveis candidatos a sensor são determinados com base em uma abordagem baseada em conhecimento e na topologia do sistema. Uma segunda etapa envolve a etapa de calcular uma correlação matemática entre os dados de sensor de um sensor defeituoso e os possíveis candidatos a sensor para o cálculo dos dados de sensor virtuais. Desta maneira, esses sensores que formam uma base adequada para o cálculo dos dados de sensor virtuais poderão ser identificados.

Claims (13)

REIVINDICAÇÕES
1. Aparelho de monitoramento (2), caracterizado pelo fato de compreender: - um dispositivo de recepção (21) projetado de modo a receber os dados de sensor de uma pluralidade de sensores (1-i); e - um dispositivo de avaliação (22) projetado de modo a detectar uma falha em um primeiro sensor (F) dentre a pluralidade de sensores (1-i), e calcular os dados de sensor virtuais que substituem os dados de sensor do primeiro sensor defeituoso (F), - sendo que o dispositivo de avaliação (22), para o cálculo dos dados de sensor virtuais, determina uma lista de candidatos a sensor a partir da pluralidade de sensores (1-i), determina um respectivo valor de similaridade para os candidatos a sensor e calcula os dados de sensor virtuais para o primeiro sensor defeituoso (F) usando os dados de sensor do sensor que tem o maior valor de similaridade.
2. Aparelho de monitoramento (2), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de avaliação (22) é projetado de modo a armazenar os dados de sensor recebidos emitidos pela pluralidade de sensores (1-i), e em que o dispositivo de avaliação (22) calcula os valores de similaridade usando os dados de sensor armazenados que foram armazenados antes da detecção de uma falha no primeiro sensor (F).
3. Aparelho de monitoramento (2), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende um banco de dados (23) projetado de modo a prover informações com respeito à pluralidade de sensores (1-i), e em que o dispositivo de avaliação (22) é projetado de modo a criar a lista de candidatos a sensor usando as informações com relação à pluralidade de sensores (1-i) que são providas no banco de dados (23).
4. Aparelho de monitoramento (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de avaliação (22) é projetado de modo a determinar os candidatos a sensor usando as relações espaciais ou funcionais dos sensores individuais (1-i).
5. Aparelho de monitoramento (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de avaliação (22) é projetado de modo a criar uma especificação de computação a fim de calcular os dados de sensor virtuais a partir dos dados de sensor do sensor (1-i) que tem o maior valor de similaridade.
6. Aparelho de monitoramento (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a etapa de calcular os dados de sensor virtuais compreende o cálculo de um valor de confiabilidade corrente para os dados de sensor virtuais calculados.
7. Aparelho de monitoramento de um sistema (10), caracterizado pelo fato de compreender: - uma pluralidade de sensores (1-i) projetados, em cada caso, de modo a prover os dados de sensor que correspondem, em cada caso, a um valor de medição detectado; - um aparelho de monitoramento (2), como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, e - um dispositivo de controle (3) projetado de modo a controlar o sistema (10) usando os dados de sensor recebidos e os dados de sensor virtuais calculados.
8. Método de monitoramento de um sistema (10), caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas de: - receber (S1) os dados de sensor de uma pluralidade de sensores (1-i); - detectar (S2) uma falha em um primeiro sensor (F) dentre a pluralidade de sensores (1-i);
- determinar (S3) uma lista de candidatos a sensor dentre a pluralidade de sensores (1-i); - determinar (S4) um valor de similaridade para cada sensor na lista de candidatos a sensor, e - calcular (S5) os dados de sensor virtuais que substituem os dados de sensor do primeiro sensor (F), sendo que os dados de sensor virtuais são calculados usando os dados de sensor do sensor que tem o maior valor de similaridade.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a etapa de determinar (S4) os valores de similaridade compreende um cálculo de uma correlação entre os dados de sensor do primeiro sensor (F) e os dados de sensor dos candidatos a sensor.
10. Método, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que a etapa de determinar (S3) a lista de candidatos a sensor é realizada antes de detectar uma falha no primeiro sensor (F).
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que um valor de qualidade é atribuído a cada sensor na lista de candidatos a sensor, e em que um valor de confiabilidade é calculado para os dados de sensor virtuais usando os valores de qualidade.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma etapa de armazenamento dos dados de sensor recebidos da pluralidade de sensores (1-i), e em que a etapa de determinar (S4) o valor de similaridade é realizada usando os dados de sensor armazenados que foram recebidos antes de detectar uma falha no primeiro sensor (F).
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a etapa de determinar (S4) o valor de similaridade é realizada usando os dados de sensor armazenados dentro de uma predeterminada janela de tempo.
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