DE4017448A1 - Verfahren zur diagnose der mechanischen eigenschaften von maschinen - Google Patents
Verfahren zur diagnose der mechanischen eigenschaften von maschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose der mechani
schen Eigenschaften von Maschinen, die rotierende Bauteile auf
weisen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Eine optimale Ausnutzung von Produktionsanlagen führt dazu, daß
dort vorhandene Maschinen sehr stark belastet werden, und als
Folge hiervon treten häufiger Schäden und Maschinenausfälle
auf. Der Zustand dieser Maschinen (z. B. Pumpen, Kompressoren,
Turbinen, Elektromotoren, Ventilatoren und Werkzeugmaschinen)
muß daher unabhängig von deren Leistung, Größe und Einsatzart
routinemäßig gemessen werden, wobei der zeitliche Trend inter
essant ist und eventuell mit Grenzwerten verglichen wird.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-OS 33 14 005) wird
die für den Zustand der Maschinen aussagekräftige Maschinen
diagnose durch Trend- und Grenzwertüberwachung der Maschinen
schwingungen gelöst. Dieses Verfahren basiert im wesentlichen
auf Grenzwertüberwachung von verschiedenen Kenngrößen, die aus
der detektierten Maschinenschwingung gewonnen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle und zu
verlässige Methode anzugeben, aus routinemäßig gewonnenen
Schwingungsbildern typische bekannte Maschinenfehler zu dia
gnostizieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Verfahren die Merkmale
des Kennzeichens des Anspruchs 1 auf und ist mit den Merkmalen
der Unteransprüche in vorteilhafter Weise weiterzubilden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst sogenannte
Fehler- oder Schädigungsbilder, z. B. Korrosion, Ermüdung, Ver
schleiß, unsachgemäße Nutzung, Unwucht etc., aus dem Schwin
gungsverhalten der Maschine gewonnen und als Mustersignal mit
dem Detektionssignal im Frequenzbereich verglichen.
Das Mustersignal wird beispielsweise mit Hilfe eines Beschleu
nigungsaufnehmers aufgenommen und als Schwingungsbeschleuni
gungssignal zu einem Signalwandler geführt. Dort wird das
detektierte Zeitsignal verstärkt und in eine Schwinggeschwin
digkeit und/oder einen Schwingweg umgewandelt. Weiter kann also
das Mustersignal je nach Bedarf in einer dieser Signalformen
benutzt werden. Das analoge Mustersignal wird sodann in vor
teilhafter Weise in einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert
und mittels einer FFT-Transformation (Fast-Fourier-Transforma
tion) in die Frequenzebene transformiert. Das somit aus einer
Anzahl von Frequenzspektren bestehende Mustersignal kann auf
einfache Weise im Speicher eines Digitalrechners abgespeichert
werden. Das Detektionssignal wird dagegen regelmäßig während
des Betriebes der Maschine erfaßt und mit den abgespeicherten
Mustersignalen auf Gleichheit oder Ähnlichkeit untersucht.
Auch das Detektionssignal kann in vorteilhafter Weise von einem
Beschleunigungsaufnehmer gewonnen werden und auf gleichem Wege
wie das Mustersignal verarbeitet werden.
Im Digitalrechner können die beiden Signale mit Hilfe des er
findungsgemäßen Korrelationsverfahrens gemäß Unteranspruch 4
verglichen werden. Der mathematische Zusammenhang zur Erlangung
einer Aussage über die Korrelation der beiden Signale ergibt
sich hierbei aus dem Matrizenprodukt der einzelnen Korrela
tionswerte jedes Verfahrensschrittes. Für den i-ten Korrela
tionswert gi gilt:
und für den folgenden Wert
Die Korrelation zwischen den einzelnen Mustersignalwerten m und
Detektionssignalwerten s kann symbolisch auch als Korrelationsprodukt
dargestellt werden.
Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 und 3 Frequenzspektren der zu untersuchenden Signale,
Fig. 4 bis 6 Ersatzschaltbilder einer Korrelation und
Fig. 7 eine weitere Darstellung der Frequenzspektren zeigen.
In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild zur Auswertung von
Mustersignalen M und Detektionssignalen S dargestellt, wobei
das Mustersignal M am Eingang der Schaltung das Schwingungs
signal einer zu untersuchenden, hier nicht dargestellten
Maschine im Zeitbereich darstellt, welches bei vorgegebenen
Fehlern bzw. Schädigungen erfaßt worden ist. Das Detektions
signal S stellt das laufend im Betrieb der Maschine aufgenom
mene Schwingungssignal dar. Beide Signale sind beispielsweise
Ausgangssignale von Beschleunigungsaufnehmern, so daß die ent
sprechenden Beschleunigungssignale aM(t) bzw. aS(t) die
Schwingbeschleunigung im Muster- bzw. Detektionsfall darstel
len.
In Signalwandlerschaltungen UM und US werden diese Signale je
weils in Schwinggeschwindigkeitssignale VM(t) bzw. VS(t) bzw.
in Schwingwegsignale SM(t) bzw. SS(t) umgewandelt. Beide Si
gnale werden jeweils über einen Analog/Digital-Umsetzer ADM
bzw. ADS einer Frequenztransformationsschaltung FFTM bzw. FFTS
zugeführt. Zwei beispielhafte Verläufe eines Mustersignals M
und eines Detektionssignals S im Frequenzbereich sind unterhalb
der Bausteine FFTM bzw. FFTS skizziert. Die Analog/Digital-
Wandler ADM und ADS können als Bestandteile eines Digitalrech
ners PC, der noch einen Speicher SP und einen Korrelator
programmbaustein MEVA aufweist, ausgeführt sein. Das Ausgangs
signal des Frequenztransformationsbausteins FFTM wird hierbei
in den Speicher SP geladen und dort für die Korrelation mit dem
Detektionssignal S zur Verfügung gehalten. Zur Korrelation, die
anschließend beschrieben wird, werden das Detektionssignal S
und ein abgespeichertes Mustersignal M miteinander verglichen,
wobei das Ausgangssignal A das Ergebnis dieser Korrelation dar
stellt.
Im folgenden wird anhand von Beispielen erläutert, wie die
Fehler- bzw. Schädigungsbilder, die als Mustersignale M abge
speichert sind, mit jeweils im Betrieb erfaßten Detektions
signalen S korreliert und so insgesamt für die Maschinen
diagnose verwendet werden.
Im linken Teil der Fig. 2 ist eine Folge von Spektrallinien
eines Mustersignals M gezeigt, bei denen untersucht werden
soll, ob und an welchen Stellen dieses Mustersignal M im
rechten Teil, der das Detektionssignal S zeigt, enthalten ist.
Wird der Vergleich stückweise vorgenommen, so wird das Muster
signal M Abtastwert für Abtastwert am Detektionssignal S vor
beigeschoben, und es werden dabei jeweils übereinanderliegende
Spektrallinien des Mustersignals M und des Detektionssignals S
verglichen. Besteht das Mustersignal M beispielsweise aus n
Werten, dann sind nach jeder Verschiebung n Vergleiche erfor
derlich; diese können darin bestehen, jeweils das Verhältnis
von Detektionssignalwert zu Mustersignalwert zu bilden. Sind
alle n Verhältnisse gleich, liegt das gesuchte Mustersignal M
in der Signalfolge des Detektionssignals S vor. Die Verhältnis
bildung ist relativ aufwendig und führt insbesondere nur dann
zum Ziel, wenn der entsprechende Signalabschnitt des Detek
tionssignals S bis auf einen konstanten Verstärkungsfaktor
exakt mit dem Mustersignal M übereinstimmt. Hierbei muß man
davon ausgehen, daß die Signale mehr oder weniger durch addi
tive oder nichtlineare Störungen verzerrt sind, d. h., man er
hält in der Regel anstelle einer Übereinstimmung eine mehr oder
weniger große Ähnlichkeit zwischen Detektionssignal S und
Mustersignal M.
Es ist somit vorteilhaft, für jede Verschiebung aus den betref
fenden Detektionssignal- und Mustersignalwerten eine Zahl zu
ermitteln, die angibt, wie groß die gerade vorliegende Ähnlich
keit ist. Eine derartige Zahl läßt sich dadurch gewinnen, daß
nach jeder Verschiebung übereinanderstehende Werte von Muster
signal M und Detektionssignal S multipliziert werden und alle
Produkte addiert werden.
Ein Beispiel für diese Vorgehensweise ist in der Fig. 3 ange
geben, wo im oberen Teil das detektierte Signal S mit Spektral
linien S1, S2, S3, in der Mitte verschiedene Positionen 1 . . . 5
eines Mustersignals M mit ebenfalls einer Anzahl Spektrallinien
relativ zum Detektionssignal S und im unteren Teil das Korre
lationsergebnis G mit den einzelnen Korrelationswerten g1 . . .
g5 dargestellt sind.
Das Detektionssignal S nach Fig. 3 enthält in diesem Fall das
Mustersignal M und besteht ansonsten nur aus Nullwerten. Sind
das Detektionssignal S und das Mustersignal M deckungsgleich,
so sind alle Korrelationswerte g1 . . . g5 positiv, und die Summe
ist maximal (Gmax). Bei einer Verschiebung aus dieser Posi
tion wird die Summe kleiner, weil die Korrelationswerte g1 . . .
g5 zum Teil unterschiedliches Vorzeichen bekommen und sich bei
der anschließenden Addition größtenteils kompensieren. Für den
Idealfall der exakten Übereinstimmung von Detektionssignal S
und Mustersignal M arbeitet dieses Verfahren sehr genau. Aber
auch wenn die Signalwerte geringfügig vom Sollverlauf abwei
chen, zeigt sich die noch weitgehende Ähnlichkeit des Detek
tionssignals S mit dem Mustersignal M durch das Fortbestehen
des Maximums (Gmax). Dieses kann beispielsweise bei Überschrei
ten eines geeignet gewählten Schwellwertes detektiert werden
und somit auf die Existenz und die Lage des Mustersignals M
im Detektionssignal S geschlossen werden. Die Höhe des Schwell
wertes legt dabei fest, bis zu welchem Grad an Ähnlichkeit ein
Signalabschnitt im Detektionssignal S noch als eventuell ver
zerrtes Mustersignal M gedeutet werden soll.
Der Vorgang des Verschiebens, der Produktbildung und der Addi
tion stellen die Verfahrensschritte der Korrelation dar. Fig.
4 zeigt den vorher beschriebenen Vorgang schematisch durch
eine Korrelation eines weiteren Detektionssignals S mit einem
Mustersignal M.
Ein weitgehend automatisiertes Korrelationsverfahren beruht
darauf, daß das Korrelationsergebnis gleichbleibt, wenn man,
anstatt mit dem Mustersignal M am Detektionssignal S entlang
zufahren, die Signalfolge des Detektionssignals in umgekehrter
Richtung am Mustersignal M entlangschiebt. Man kann z. B. die
Folge der Spektralwerte des Detektionssignals S seriell in ein
hier nicht näher dargestelltes Schieberegister eingeben und
nach jeder Verschiebung die Registerinhalte mit Koeffizienten,
die den Mustersignalwerten m gleich sind, multiplizieren und
alle Produkte addieren. Dieses Verfahren ist schematisch in
Fig. 5 dargestellt.
Gemäß der Verfahrensvariante nach Fig. 5 kann nach zwei Alter
nativen vorgegangen werden. Entweder die Detektionssignal
werte s werden von rechts nach links durch ein Schieberegister
geschoben und es werden die Mustersignalwerte m von links nach
rechts angeordnet oder es werden die Detektionssignalwerte s in
umgekehrter Richtung durch das Schieberegister geschoben und es
werden die Mustersignalwerte m ebenfalls umgekehrt angeordnet.
Schieberichtung der Detektionssignalwerte s und Anordnung der
Mustersignalwerte m sind also stets entgegengesetzt gerichtet;
das Korrelationsergebnis G ist in beiden Fällen identisch. Ent
hält das einlaufende Detektionssignal S das gesuchte Muster
signal M, so tritt das Korrelationsmaximum Gmax dann auf, wenn
der entsprechende Signalabschnitt voll im Korrelationsregister
steht, d. h., wenn der letzte Wert des Signalabschnitts in das
Schieberegister eingelaufen ist.
Das erläuterte Verfahren läßt sich auf einem herkömmlichen
Digitalrechner PC (vgl. Fig. 1), beispielsweise auf einem
Personalcomputer, in der Programmiersprache BASIC realisieren.
Ein Beispiel für ein solches Programm mit den beiden oben er
läuterten Alternativen ist unten angegeben.
Die Detektionssignalwerte s aus einem Schieberegister SR gemäß
Fig. 6 werden bei der Ausführung dieses Programms mit den
Mustersignalwerten m eines weiteren Schieberegisters SK korre
liert, wobei das Ergebnis im Schieberegister RG abgelegt wird.
Bevor ein Signal in ein Eingangsschieberegister SE eingegeben
wird, werden die dort bereits gespeicherten Werte um eine Zelle
nach rechts bzw. links verschoben (Programmzeilen 50 . . . 70);
dabei fällt der "älteste" (ganz rechts bzw. links stehende)
Wert heraus. Dann wird der neue Wert eingegeben (Programmzeile
80). Anschließend beginnt die eigentliche Korrelation (Pro
grammzeile 100 . . . 120), deren Ergebnis in das Ausgangsregister
SG eingeschrieben wird (Programmzeile 130). Das Eingeben der
Daten in die Korrelatoranordnung nach Fig. 6 sowie das Ablegen
der Ergebnisse wird durch die Schleife mit der Laufvariablen
(Programmzeilen 40 . . . 140) vorgenommen.
Die Korrelation läßt sich zur weiteren Verdeutlichung mathema
tisch durch ein Matrizenprodukt wie folgt darstellen. Für den
i-ten Korrelationswert gi gilt:
und für den folgenden Wert
Die Korrelation zwischen den einzelnen Mustersignalwerten m und
Detektionssignalwerten s kann symbolisch auch als Korrelationsprodukt
dargestellt werden.
Ein weiteres Beispiel zur Ausführung des Verfahrens wird
anhand der Fig. 7 erläutert, wo oben das Mustersignal M an
gegeben ist, auf das die Korrelation einzustellen ist. Ein
Korrelator K wird symbolisch durch einen Block dargestellt, in
den die Mustersignalwerte m eingezeichnet sind. Diese stimmen
mit den Mustersignalwerten m überein, nur sind sie von rechts
nach links angeordnet, da das Mustersignal M hier von links
eingeschoben wird. Unter dem Korrelator K sind die Eingangs
und Ausgangssignale S, G angegeben. Die Eingangssignalfolge
besteht hierbei aus einem Mustersignal M und einer Zufallsfolge
(beide getrennt durch eine Anzahl von Nullwerten). Am Ausgang
des Korrelators K erscheint, sobald das Muster M voll im Kor
relator K steht, ein deutliches Maximum. Verläßt der Muster
abschnitt den Korrelator K, werden die Werte am Ausgang klei
ner. Die anschließende Zufallsfolge ist trotz ihrer größeren
Amplitude nicht in der Lage, ein Ausgangssignal zu liefern,
welches das Korrelationsmaximum Gmax des Mustersignals M er
reicht, d. h., die Zufallsfolge enthält keinen Abschnitt, der
mit dem Mustersignal M übereinstimmt.
Die Erfindung ist vor allem bei der Überwachung und Diagnose
von Maschinen mit rotierenden Teilen in Produktionsanlagen
anwendbar.
Claims (5)
1. Verfahren zur Diagnose der mechanischen Eigenschaften von
Maschinen, die rotierende Bauteile aufweisen,
- - bei dem Schwingungen der rotierenden Bauteile und/oder der gesamten Maschine als Detektionssignal (S) erfaßt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - das Detektionssignal (S) mit einem schnellen Frequenztrans formationsverfahren (FFT) aus dem Zeitbereich in den Fre quenzbereich transformiert wird und daß
- - im Frequenzbereich das Detektionssignal (S) mit einem Muster signal (M) verglichen wird und Abweichungen des Detektions signals (S) vom Mustersignal, das bei einem vorgegebenen Normalzustand oder bei bekannten Fehlerbildern gebildet ist, angezeigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß
- - das Mustersignal (M) und das Detektionssignal (S) jeweils als Beschleunigungssignal (aM(t) bzw. aS(t)) aufgenommen werden,
- - sodann jeweils in ein Geschwindigkeitssignal (VM(t), VS(t)) oder ein Wegsignal (SS(t); SM(t)) umgewandelt werden,
- - diese Signale (VM(t), VS(t); SS(t), SM(t)) digitalisiert und in den Frequenzbereich transformiert werden und daß
- - das Mustersignal (M) und das Detektionssignal (S) mit Hilfe eines Korrelatorprogramms in einem Digitalrechner (PC) mit einander verglichen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß
- - eine Anzahl von Mustersignalen (M) bei vorgegebenen Fehler bildern der Maschine ermittelt und in einem Speicher (SP) des Digitalrechners (PC) abgelegt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - zur Korrelation die einzelnen Spektralanteile der Frequenz spektren in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten des Mustersignals (M) und des Detektionssignals (S) miteinander multipliziert werden und eine Addition aller so gewonnenen Produkte vorgenommen wird, wobei
- - nach jedem dieser Verfahrensschritte die Spektralanteile entweder des Mustersignals (M) oder des Detektionssignals (S) gegenüber dem jeweils anderen Signal um einen vorge gebenen Betrag (Δf) im Frequenzbereich verschoben werden und die Korrelation jeweils neu durchgeführt wird, so daß sich ein Gesamtkorrelationswert als Ver gleichsergebnis ergibt.
Applications Claiming Priority (1)
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