DE4406723A1 - Verfahren zur Überwachung des Betriebszustands einer Maschine oder Anlage - Google Patents
Verfahren zur Überwachung des Betriebszustands einer Maschine oder AnlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Ein solches Verfahren ist aus der US-Patentschrift Nr.
4 352 293 bekannt. Bei diesem Verfahren werden zur Diagno
se des Betriebsverhaltens einer Turbomaschine Schwingungs
signale an verschiedenen Lagerstellen der Maschine aufge
nommen, einer eine Verstärkung, eine Fourier-Analyse und
einen Vergleich mit vorgegebenen Bezugswerten in Form ei
ner Trendanalyse aufweisenden Signalaufbereitung unterzo
gen und im Ergebnis dieser Signalaufbereitung erhaltene
Größen zusammen mit weiteren, den Betriebszustand der Ma
schine beschreibenden physikalischen Größen zusammengefaßt
und zum Zweck der Interpretation des Betriebszustandes mit
einer vorgegebenen Menge gespeicherter, typische Betriebs
zustände kennzeichnender und die gleiche Struktur wie das
aktuelle Signalmuster aufweisender gespeicherter Muster
("source patterns") in einer vorgegebenen Reihenfolge
verglichen und im Ergebnis dieses Vergleichs eine Art
Diagnose-Vektor erstellt, der schließlich gespeicherten
Diagnose-Vektoren mit jeweils einer bestimmten zugeordne
ten Diagnose-Aussage gegenübergestellt wird, wobei das Er
gebnis dieses letzten Vergleichs die Diagnose ist.
Dieses bekannte Verfahren bedient sich bei der Aufberei
tung der Signale einfacher Grundmuster und bei den in ihm
enthaltenen Vergleichsschritten strenger Ja/Nein-Aussagen
bzw. logischer "1"/"0"-Werte, was bei einer praktisch
unendlichen Anzahl möglicher, sich geringfügig unterschei
dender Schwingungs- und weiterer Betriebssignale gegenüber
einer begrenzten Anzahl typischer Betriebszustände ein vom
Ansatz her wenig zielgerichtetes Vorgehen ist und entweder
eine sehr große Anzahl gespeicherter Signalmuster (und
entsprechend große Speicherkapazität und Diagnosezeit) er
fordert oder die Gefahr erheblicher Fehler birgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Ver
fahren der eingangs genannten Art die Aussagekraft der Er
gebnisse bei gleichzeitiger Begrenzung der erforderlichen
Speicherkapazität und Zeit zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß ein Überwa
chungsverfahren mit Mustererkennung so auszubilden ist,
daß aus direkt in ihrer Zeitabhängigkeit erfaßten Meß-,
d. h. Schwingungs- und weiteren Betriebsdaten auf verschie
dene, dem Anwendungsfall und dem jeweiligen Parameter an
gepaßte Weise zunächst Kennwerte mit diagnostischer Rele
vanz gewonnen werden, die als Elemente in Betriebszu
standsvektoren eingehen, welche ihrerseits anschließend
einem Elementen-Vergleich mit mehrdimensionalen, Wahr
scheinlichkeitsaussagen enthaltenden Mustervektoren unter
zogen werden. Ergebnis des Vergleichs sind wahrscheinlich
keitsbeiträge zum Wahrscheinlichkeitswert des gesamten be
treffenden Mustervektors. Die Wahrscheinlichkeitswerte der
einzelnen Mustervektoren werden schließlich der Ausgabe
eines Identifikationssignals zugrundegelegt, welches eine
erhöhte Signifikanz hinsichtlich der die Maschine oder An
lage beschreibenden Kennwerte aufweist.
Insbesondere erfolgt die Auswertung der Betriebszustands
vektoren mittels einer Differenzbildung zu Zustandsvekto
ren, die im ungestörten (d. h. Soll-, Intakt- oder Neuzu
zustand der Maschine) ermittelt werden.
Ein wesentliches Merkmal dieser Weiterbildung des Verfah
rens besteht dabei darin, daß der ungestörte, intakte Zu
stand der zu überwachenden Maschine durch einen in glei
cher Weise strukturierten Zustandsvektor charakterisiert
ist, der als Bezugszustand für den aktuellen zu diagnosti
zierenden Zustandsvektor dient, und mit diesem elementwei
se zur Differenz gebracht wird. Die so gebildete Diffe
renz, die für die Abweichung vom ungestörten Zustand
steht, wird im weiteren mit dem Mustervektor verglichen.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens be
steht darin, zunächst - etwa durch Mittelwert-, Scheitel
wert- oder Effektivwertbildung, die Ermittlung der Ampli
tuden einzelner Linien eines Frequenzspektrums, die Er
mittlung der Zeigerwerte von Harmonischen der Rotordreh
zahl, Differenz- oder Quotientenbildung der Werte unter
einander sowie mittels Gradientenbildung - primäre Kenn
werte zu gewinnen und dann aus solchen durch erneute
Differenz- oder Verhältnisbildung miteinander sekundäre
Kennwerte zu bilden, wobei die primären und die sekundären
Kennwerte in den Betriebszustandsvektor eingehen.
Bezüglich der Weiterverarbeitung der durch den Vergleich
des Betriebszustandsvektors bzw. dessen Differenz mit den
einzelnen Mustervektoren gewonnenen Information besteht
eine bevorzugte Variante des Verfahrens darin, daß als
Identifikationssignal das dem Mustervektor mit dem höch
sten Wahrscheinlichkeitswert entsprechende Identifika
tionssignal ausgegeben wird.
Damit wird angezeigt, daß eine große Wahrscheinlichkeit
dafür besteht, daß ein bestimmter, durch den Mustervektor
eindeutig beschriebener Betriebszustand vorliegt.
Eine andere vorteilhafte Variante in dieser Hinsicht be
steht darin, daß der Wahrscheinlichkeitswert eines jeden
Mustervektors mit einem sich aus der Anzahl der relevanten
Elemente des Mustervektors und der Anzahl der diesen ent
sprechenden, aber nicht gültigen (beispielsweise abge
schalteten Meßstellen an der Maschine entsprechenden) Ele
mente des Zustandsvektors ergebenden Gültigkeitskennwert
multipliziert und das Produkt aus Wahrscheinlichkeitswert
und Gültigkeitskennwert der Mustervektoren bei der Synthe
se des auszugebenden Identifikationssignals zugrundegelegt
wird.
Damit wird berücksichtigt, daß ein hoher Wahrscheinlich
keitswert, der auf vergleichsweise wenigen gültigen Ele
menten des Zustandsvektors basiert, weniger signifikant
für die Beschreibung des Betriebszustandes sein kann als
ein niedrigerer Wert, der aber auf vielen gültigen Elemen
ten beruht.
Im Ergebnis wird wiederum - allerdings unter Einbeziehung
einer wichtigen zusätzlichen Information - ein bestimm
ter, durch einen Mustervektor beschriebener Betriebszu
stand identifiziert oder es kann angezeigt werden, daß
quasi ein "Misch-Zustand" aus mehreren, jeweils durch ei
nen Mustervektor eindeutig beschriebenen Betriebszuständen
anzunehmen ist.
Die Aufbereitung der Schwingungssignale und die nachfol
genden Schritte können in vorgegebenen Zeitabschnitten
- insbesondere während des An- und Abfahrens - und/oder zu
vorgegebenen Zeitpunkten - etwa in vor bestimmten Inter
vallen, die von der Rotordrehzahl abgeleitet sind - des
Betriebs der Maschine oder nur "bei Bedarf", wenn die Ab
weichung eines der Schwingungssignale oder sonstigen Be
triebsparameter von einem vorhergehend aufgenommenen Wert
einen vorgegebenen Betrag überschreitet, ausgeführt wer
den.
Zu den neben den Schwingungssignalen zur Erreichung einer
sicheren Diagnose gemessenen physikalischen Größen gehören
- in Abhängigkeit vom konkreten Anwendungsumfeld des Ver
fahrens - die Wellenlage und -bahn der Rotorwelle und/oder
die Lagermetalltemperatur und/oder der Lageröldruck und
-temperatur der Maschine. Zusätzlich relevant sind relati
ve und absolute Dehnungen. Außerdem werden solche Be
triebsparameter wie Leistung, Durchsatz, Druck etc. bevor
zugt ausgewertet.
Natürlich kommen (insbesondere bei komplizierten Anlagen)
auch andere Parameter in Frage, die ggf. mit der mechani
schen Funktion der Maschine bzw. Anlage nur in mittelbarem
Zusammenhang stehen.
So können bei der Überwachung eines Kernreaktors neben
Schwingungssignalen vom Reaktorgefäß bzw. vom Kühlkreis
lauf insbesondere radiometrische Meßwerte eine wichtige
Rolle spielen, während bei der Überwachung einer störungs
gefährdeten chemischen Anlage Prozeßparameter des darin
durchgeführten chemischen Prozesses von Bedeutung sind.
Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsge
mäßen Verfahrens besteht darin, mit dem im Ergebnis der
Verfahrensschritte gewonnenen Identifikationssignal die
überwachte Maschine oder Anlage unmittelbar zu steuern,
indem es einer Verarbeitungseinheit zugeführt, in dieser
zur Erzeugung eines Steuersignals weiterverarbeitet und
das Steuersignal schließlich einer Steuereinheit der Ma
schine oder Anlage zugeführt wird. Eine derartige Steue
rung kann beispielsweise auch darin bestehen, daß die Ma
schine oder Anlage stillgesetzt wird, wenn dies durch die
ausgewerteten Betriebsdaten geboten ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die
erhaltenen Betriebszustände repräsentierenden Kennwerte
auf einem Display in symbolischer Form angezeigt, so daß -
beispielsweise im Zusammenhang mit einer schematischen
Blockdarstellung der Anlage - deren Funktionsbereiche,
welche momentan Auffälligkeiten zeigen - farblich hervor
gehoben oder in sonstiger Weise gekennzeichnet werden kön
nen. Gleichzeitig oder bedarfsweise besteht auch die Mög
lichkeit, abweichende Betriebsparameter (Öltemperatur oder
Vibrationen) entsprechend mit ihrem aktuellen Wert anzu
zeigen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer
erläutert. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung des Verfahrens
in einer ersten Ausführungsform als Blockschalt
bild,
Fig. 2 eine grafische Darstellung zur weiteren Verdeutli
chung des Verfahrens gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Synthese eines
Zustandsvektors aus unterschiedlichen Elementen
bei einer abgewandelten Ausführungsform sowie
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verfahrens
schritte nach der Bildung des Zustandsvektors bei
der abgewandelten Ausführungsform.
Die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfin
dungsgemäßen Verfahrens soll zunächst anhand der Fig. 1
und 2 erfolgen, wobei in Fig. 1 die einzelnen bei dem Ver
fahren zu durchlaufenden Stufen dargestellt sind, während
in Fig. 2 die Struktur der nachfolgenden Beschreibung er
wähnten Vektoren für einen Maschinenzustand vertikal un
tereinander grafisch dargestellt sind. In der horizontalen
sind dabei die verschiedenen aufgenommenen, den Maschinen
zustand charakterisierenden Werte erkennbar.
Wie Fig. 1 zeigt, werden an der Welle 2 eines Generators 1
mittels eines Impulsgebers 3 ein Drehzahl-Signal und mit
tels eines Positionsfühlers 4 die Wellenlage sowie deren
Schwingungen, am Lager 2′ der Welle mittels eines Thermoe
lements 5 die Lagertemperatur und am Generatorgehäuse 6
mittels eines Schwingungsaufnehmers 7 dessen Schwingungen
in Abhängigkeit von der Zeit aufgenommen.
Die aufgenommenen Meßsignale werden nach einer Verstärkung
in Verstärkern 8a, 8b und 8c in je einem Analog-Digital-
Umsetzer 9a, 9b und 9c, denen durch einen Taktgeber 10 ein
aus dem Drehzahlsignal durch Vervielfachung gewonnenes
Triggersignal zugeführt wird, in digitale Signale umgewan
delt.
Unter der Steuerung durch eine Zeitbasis 11 (während der
An- und Abfahrphase sowie zur Kontrollaufzeichnung von
Meßwerten in regelmäßigen Abständen) bzw. aufgrund des Er
gebnisses einer Differenzierung der Meßwerte in Differen
ziergliedern 12a, 12b und 12c und einer Diskriminierung in
Diskriminatoren 13a, 13b und 13c, wobei die Steuerung über
ein ODER-Glied 14 mit (in diesem Fall) fünf Eingängen rea
lisiert wird, erfolgt eine Abspeicherung der Meßwerte in
einen Mehrkanalspeicher 15 während des An- und Abfahrvor
ganges sowie zu vorgegebenen Zeitpunkten oder dann, wenn
eine der Meßstellen einen gegenüber dem letzten aufgenom
menen Wert abweichenden Wert liefert. Dabei wird vom Im
pulsgeber 3 ein Drehzahlsignal in einem Drehzahlgeber 12d
erzeugt und entsprechend an einen Diskriminator 13d wei
tergegeben.
Gleichzeitig können die Meßwerte auf einer - hier zur Ver
einfachung weggelassenen - Anzeigeeinheit (etwa einem
Bildschirm) angezeigt werden, wobei gegebenenfalls die
die Tatsache, daß Meßwerte dargestellt und gespeichert
werden, auch zusätzlich optisch oder akustisch signali
siert werden kann.
Aus dem Mehrkanalspeicher 15 gelangen die Meßwerte zur Si
gnalverarbeitungseinheit 16, in der die Schwingungssignale
insbesondere einer Fourier-Analyse, der Bestimmung der
einzelnen Amplituden- und Phasenwerte der Harmonischen,
der Trennung von Gleich- und Gegenlaufanteil von Orbitgrö
ßen sowie gegebenenfalls einer Gradientenbildung unterzo
gen werden.
Die Ergebnisse der Fourier-Analyse und der Trendanalysen
werden nach Durchlaufen einer Konditionierungseinheit 17
in einen zweiten (als Schreib-Lese-Speicher ausgebildeten)
Bezugswertspeicher (RAM) 18b für die Ermittlung von Gra
dienten, festgehalten und gelangen anschließend in den
Block 19 zur Berechnung des Betriebszustandsvektors Zi
nach einem vorbestimmten Algorithmus sowie zwecks Darstel
lung des Zustands in grafischer Form oder in einer Text
darstellung zu einer Anzeigevorrichtung 20. Bei der Über
tragung der Bezugswerte in den Speicher 18b wird gegeben
enfalls eine Gradientenbildung in dem Zeittakt der Ein
speicherung entsprechenden Zeitabständen durchgeführt.
Der Betriebszustandsvektar Zi wird zur Sicherstellung der
Verfügbarkeit als Mustervektor für spätere Diagnosen zu
nächst in einen Muster-Zwischenspeicher 21 eingeschrieben,
kann jedoch nach Abschluß der Diagnose natürlich ohne wei
teres wieder gelöscht werden, wenn sich herausstellt, daß
er nicht zur Erweiterung der Basis für spätere Diagnosen
geeignet ist. Im Normallfall wird er einer Weiterverarbei
tung zur Synthese eines Mustervektors (mit weiter unten
genauer erläuterter Struktur) unterzogen und als Schwell
wert im Haupt-Musterspeicher 22 gespeichert.
Für den beschriebenen Diagnosevorgang steht dieser Muster
vektor jedoch noch nicht unmittelbar zur Verfügung. Zu
nächst erfolgt ein Vergleich mit in einem Speicher 18a
festgehaltenen Bezugsvektor, welche Vergleichswerte dar
stellen, die auf einen Neu- oder Optimalzustand der Ma
schine bezogen sind. Eine Differenzbildung des in Block 19
gespeicherten Betriebszustandsvektors Zi mit dem Bezugs
vektor Bi aus dem Speicher 18a erfolgt in der Differenz
einheit 19a. Anschließend erfolgt ein elementenweiser
(wahrscheinlichkeitsbehafteter) Vergleich der jeweils ak
tuellen Differenz des Betriebszustandsvektors Zi - Bi mit
einem der bereits im Haupt-Musterspeicher 22 gespeicherten
Mustervektoren IPik in der Vergleichereinheit 23.
Das Ergebnis dieses Vergleichs ist eine Menge von Wahr
scheinlichkeitsbeiträgen, jeweils für den Vergleich eines
Elements des (Differenz-)Betriebszustandsvektors mit einem
Element eines der Mustervektoren, die in einer Addierstufe
24 zum Wahrscheinlichkeitswert des betreffenden Musters
aufsummiert werden, woraufhin zum Vergleich des Betriebs
zustandsvektors mit einem anderen der Mustervektoren über
gegangen wird, der ebenso wie der erste Vergleich abläuft
(vgl. dazu die Beschreibung zu Fig. 3 unten) usw., bis al
le Muster durchgeprüft sind.
Alle Wahrscheinlichkeitswerte werden sukzessiv in den
Speicher 25 eingespeichert und nach Abschluß der Ver
gleichsprozedur und Durchlaufen einer Divisionsstufe 25a
zur Division durch die Anzahl der addierten Wahrschein
lichkeitsbeiträge einer Sortierstufe 26 zugeführt, wo ein
Ordnen in der Reihenfolge der Wahrscheinlichkeit erfolgt,
woraufhin ein Aufruf des wahrscheinlichsten Musters mit
samt dessen Interpretation aus dem Haupt-Musterspeicher 22
als Darstellung des Diagnoseergebnisses auf einer Anzeige
vorrichtung 27 ausgelöst wird. Bei Ausgestaltung der An
zeigevorrichtung als Farbmonitor werden bevorzugt diejeni
gen Teile oder Bereiche der Maschine oder Anlage, welche
Auffälligkeiten zeigt, grafisch (oder farblich) hervorge
hoben. Dazu können dann auch entsprechende Kennwerte von
Betriebsparametern als Zahlenwerte sowie Mitteilungen im
Klartext dargestellt werden.
Sollte dem Bediener der Maschine die gelieferte Diagnose
noch nicht zufriedenstellen, so verfügt er mit der Einga
bevorrichtung 28 auch über die Möglichkeit, das oder die
nächst wahrscheinliche(n) Muster entsprechend der Reihen
folge im Sortierer mit der zugehörigen Interpretation aus
dem Haupt-Musterspeicher 22 abzurufen und auf der Anzeige
vorrichtung 27 darstellen zu lassen.
In einer abgewandelten (nicht abgebildeten) Ausführungs
form ist der Ausgang des Haupt-Musterspeichers 22 auch mit
einem Steuerbefehlsspeicher verbunden, in dem jedem Mu
stervektor eine Menge von Steuerbefehlen für den Generator
zugeordnet ist, die abgerufen und einer Steuereinheit des
Generators zugeführt werden, um den weiteren Betrieb
- gegebenenfalls bis hin zur Notabschaltung - aufgrund der
gewonnenen Diagnose direkt zu steuern. Natürlich verfügt
der Bediener auch in diesem Falle über eine Eingriffsmög
lichkeit.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4
die Methodik bei der Synthese des Betriebszustandsvektors,
die Struktur der Mustervektoren und der Ablauf der eigent
lichen Diagnose noch einmal in Art eines Flußdiagramms (in
zwei Abschnitten) bei einer abgewandelten Ausführungsform
skizziert. Die dargestellten Flußdiagramme entsprechen
Blockschaltbildern von Vorrichtungen zur Durchführung des
beanspruchten Verfahrens.
In Fig. 3 sind neben den Triggersignal drei unterschied
lich zu handhabende Signaltypen zu unterscheiden: Wechsel
spannungssignale ("AC-Signal"), Gleichspannungssignale
("DC-Signal") und Binärsignale, welche Eingangssignale
bilden.
Das Triggersignal wird nach Bedarf einer Vervielfachung
unterzogen und damit der Abtastimpuls für die Steuerung
des Abtastzeitpunktes und der Eckfrequenz eines der
Analog-Digital-Wandlung der AC-Signale vorgeschalteten An
tialiasfilters gewonnen.
Aus der erfaßten und nach Verstärkung, Filterung und
Analog-Digital-Wandlung gespeicherten Zeitfunktion der
AC-Signale erfolgt durch Fourier-Analyse die Bestimmung der
Frequenzanteile mit Amplitude und Phasenwinkel und ggf.
weiterer Kennwerte.
Für die DC-Signale ist nach der Verstärkung und A/D-Wand
lung ebenfalls ein Abspeichern eines einer Zeitfunktion
entsprechenden Signals und anschließend eine Mittelwert
bildung vorgesehen, während die Binärsignale lediglich
konditioniert werden.
Im weiteren erfolgt optional sowohl eine Differenzbildung
zu zeitlich vorher ermittelten Kennwerten zur Ermittlung
von Gradienten und/oder fest definierten (beispielsweise
durch eine statistische Mittelwertbildung erhaltenen) Be
zugswerten und (beispielsweise durch Bildung von Quotien
ten aus Kennwerten) die Bildung abgeleiteter, sekundärer
Kennwerte.
Alle derart erfaßten Werte werden zusammen mit den binären
Statussignalen zu einem fest strukturierten Zustandsvektor
(Betriebszustandsvektor) Zi zusammengefaßt.
Dieser strukturierte Zustandsvektor bildet - wie in Fig. 4
gezeigt - die Basis für die weiteren Verfahrensschritte.
Im ersten der in Fig. 3 dargestellten Schritte erfolgt un
ter Heranziehung einer Wissensbasis, die einem Satz der
weiter oben erwähnten Mustervektoren bzw. von Mustern ent
spricht, zunächst die Berechnung der Wahrscheinlichkeits
beiträge für die einzelnen Elemente eines Mustervektors.
Jeder Mustervektor IPik besitzt dabei eine identische
Struktur wie der Zustandsvektor Zi und wird durch eine
dreidimensionale Matrix mit folgenden Elementen je Zu
standsstrukturelement gebildet:
i = Index des Strukturelements
k = 1 - Schwellwert
k = 2 - Direktor mit Zusatzinformation ob Minimum, Maximum, Sollwert oder boolscher Wert
k = 3 - Wahrscheinlichkeit des Erreichens des Schwellwer tes bei der Interpretation
Die Zusatzinformation zum Schwellwert (Index k=2) beinhal tet die Aussage, ob
i = Index des Strukturelements
k = 1 - Schwellwert
k = 2 - Direktor mit Zusatzinformation ob Minimum, Maximum, Sollwert oder boolscher Wert
k = 3 - Wahrscheinlichkeit des Erreichens des Schwellwer tes bei der Interpretation
Die Zusatzinformation zum Schwellwert (Index k=2) beinhal tet die Aussage, ob
- - die Wahrscheinlichkeit sich auf die Unterschreitung des Schwellwertes
m = min : Minimum
- - die Wahrscheinlichkeit sich auf die Überschreitung des Schwellwertes
m = max : Maximum
- - die Wahrscheinlichkeit sich auf die Erreichung des Schwellwertes
m = soll : Sollwert
- - die Wahrscheinlichkeit sich auf den wert "true" bezieht
m = bool : boolscher Wert
- - das Element nicht relevant ist
m = nicht relevant.
Die Erstellung dieser Wissensbasis erfolgt durch Eingabe
der Strukturelemente der Matrix mit Zuordnung zu einer In
terpretation.
Der im ersten Schritt nach Fig. 4 zu ermittelnde Wahrsch
einlichkeitsbeitrag FWi stellt sich als Funktion der Dif
ferenz von Zustandsvektors Zi und Bezugsvektor Bi einer
seits sowie dem Mustervektor IPik andererseits dar, d. h.
für jedes Strukturelement gilt:
FWi = f (Zi-Bi, IPik).
Die Funktion hängt davon ab, ob der das betreffende Struk
turelement darstellende Wert ein Minimal-, Maximal-, Soll-
oder Boolscher Schwellwert ist, und sie kann frei als ma
thematisch geschlossene Funktion oder punktweise definiert
werden.
In zwei bevorzugten Ausgestaltungen sind folgende Funktio
nen anzuwenden:
FWi = (1-x + (2x-1)*IPi3)n n = 1,3,5, . .
mit x = (IPi1/(Zi-Bi) für IPi2 = min,
x = (Zi-Bi)/IPi1 für IPi2 = max und
x = Zi für IPi2 = bool mit Zi = 0 für ′false′ bzw. Zi = 1 für ′true′
mit x = (IPi1/(Zi-Bi) für IPi2 = min,
x = (Zi-Bi)/IPi1 für IPi2 = max und
x = Zi für IPi2 = bool mit Zi = 0 für ′false′ bzw. Zi = 1 für ′true′
für IPi3 < 50%: FWi = IPi3 * e-x²/2d²; für d < 0
für IPi3 = 50%: FWi = 0,5;
für IPi3 < 50%: FWi = (1-IPi3) * (1-e-x²/2d²); für d < 0
mit x = (Zi-Bi)/IPi1 für IPi2 = min, max, soll
und x = Zi für IPi2 = bool mit Zi = 0 für ′false′ bzw. Zi = 1 für ′true′
für IPi3 = 50%: FWi = 0,5;
für IPi3 < 50%: FWi = (1-IPi3) * (1-e-x²/2d²); für d < 0
mit x = (Zi-Bi)/IPi1 für IPi2 = min, max, soll
und x = Zi für IPi2 = bool mit Zi = 0 für ′false′ bzw. Zi = 1 für ′true′
Für den Minimum- und Maximum-Direktor wird dabei je
weils nur die halbe Glockenkurve, für den Sollwert
die gesamte verwendet.
Wenn der Wahrscheinlichkeitswert des Strukturelementes
IPi3 auf "nicht relevant" gesetzt ist, so ist in jedem
Fall
FWi = 0.
Dieser Wert wird ebenfalls auf Null gesetzt, wenn das
Strukturelement im Zustandsvektor nicht gültig ist (z. B.
wenn die Meßstelle abgeschaltet ist).
Der Exponent n bzw. Delta (d) sind Maße für die Steilheit
der Funktion FW. Mit größeren Werten wird eine größere
Schärfe der Bewertung erreicht. Letzteres bewirkt eine
präzisere Interpretation, setzt aber eine fundierte Wis
sensbasis voraus.
Jedes Strukturelement ·IPi und Zi-Bi bringt somit einen
Wahrscheinlichkeitsbeitrag zum Wahrscheinlichkeitswert der
jeweiligen Interpretation durch Summierung über die Anzahl
der Strukturelemente.
Zur Erhöhung der Signifikanz der Aussage wird die so ge
bildete Summe auf die Anzahl der "relevanten" Strukturele
mente bezogen. Dieser Wert soll als Wahrscheinlichkeits
summe der Interpretation bezeichnet werden. Er berechnet
sich als
wobei Ganz die Gesamtanzahl aller Strukturelemente NRanz
die Anzahl der auf "nicht relevant" gesetzten Strukturele
mente ist.
Für die Durchführung einer Diagnose mittels eines Zu
standsvektors wird sequentiell für jeden dreidimensionalen
Mustervektor, wie oben beschrieben, die Wahrscheinlich
keitssumme der Wahrscheinlichkeitswerte gebildet. Diejeni
ge durch den Mustervektor festgelegte Kennwertkombination
für einen Betriebszustand der Maschine oder Anlage, wel
cher die höchste Wahrscheinlichkeitssumme aufweist, wird
als die den Anlagenzustand am besten beschreibende Kenn
wertkombination für den jeweiligen Zustandsvektor ausgege
ben.
Eine Aussage über den Grad der Gültigkeit der Wahrschein
lichkeit läßt sich für jeden Mustervektor zusätzlich tref
fen durch einen Gültigkeitskennwert GW. Dieser errechnet
sich aus dem Verhältnis der Anzahl aller relevanten Struk
turelemente des Mustervektors abzüglich der Anzahl der
Elemente im Zustandsvektor, die bei "relevant" gesetzten
Werten im Mustervektor keine Gültigkeit besitzen, und der
Gesamtzahl der Elemente eines Vektors:
GW = (Ganz - NRanz - NGWanz) / Ganz
mit NGWanz = Anzahl der nicht gültigen Werte im Zustands
vektor, für die im Mustervektor ein relevantes Element
vorhanden ist.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht
auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei
spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar,
welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Claims (13)
1. Verfahren zur Überwachung des Betriebszustands einer
Maschine oder Anlage, insbesondere einer Turbomaschine,
bei dem Schwingungssignale an Teilen der Maschine oder An
lage aufgenommen, einer - insbesondere eine Verstärkung,
eine Fourier-Analyse und/oder einen Vergleich mit vorgege
benen Bezugswerten aufweisenden - Signalaufbereitung un
terzogen und im Ergebnis dieser Signalaufbereitung erhal
tene Größen zusammen mit weiteren, den Betriebszustand der
Maschine oder Anlage beschreibenden physikalischen Größen
zu einem Betriebszustandsvektor zusammengefaßt und zum
Zweck der Interpretation des Betriebszustandes mit gespei
cherten, typische Betriebszustände kennzeichnenden und die
gleiche Struktur wie der Betriebszustandsvektor aufweisen
den Mustervektoren verglichen werden, wobei im Ergebnis
dieses Vergleichs ein eine Kenngröße für den Betriebs zu
stand der Maschine oder Anlage beinhaltendes Identifika
tionssignal ausgegeben wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Mustervektoren drei- oder mehrdimensionale Matri zen verwendet werden, die in jedem einem Element des Be triebszustandsvektors entsprechenden Element eine den Ver gleich mit jenem Element des Betriebszustandsvektors be treffende Wahrscheinlichkeitsaussage enthalten,
daß der Vergleich des Betriebszustandsvektors mit den Mu stervektoren jeweils als Vergleich deren einzelner Elemen te ausgeführt wird, wobei als Ergebnis jedes Teilschritts des Vergleichs einzelner Elemente unter Verwendung der zu gehörigen Wahrscheinlichkeitsaussage ein Wahrscheinlich keitsbeitrag zum Wahrscheinlichkeitswert des jeweiligen, eine Kenngröße des Betriebszustands der Maschine bildenden Mustervektors ermittelt wird,
daß die Wahrscheinlichkeitsbeiträge für alle Elemente ei nes Mustervektors zu dessen Wahrscheinlichkeitswert auf summiert werden,
daß die Summe der Wahrscheinlichkeitsbeiträge durch die Anzahl der Wahrscheinlichkeitsbeiträge dividiert wird,
daß sequentiell auf diese Weise die Wahrscheinlichkeits werte der Mustervektoren ermittelt werden und
daß das auszugebende Identifikationssignal in Abhängigkeit von den für die Mustervektoren ermittelten Wahrscheinlich keitswerten festgelegt wird.
dadurch gekennzeichnet,
daß als Mustervektoren drei- oder mehrdimensionale Matri zen verwendet werden, die in jedem einem Element des Be triebszustandsvektors entsprechenden Element eine den Ver gleich mit jenem Element des Betriebszustandsvektors be treffende Wahrscheinlichkeitsaussage enthalten,
daß der Vergleich des Betriebszustandsvektors mit den Mu stervektoren jeweils als Vergleich deren einzelner Elemen te ausgeführt wird, wobei als Ergebnis jedes Teilschritts des Vergleichs einzelner Elemente unter Verwendung der zu gehörigen Wahrscheinlichkeitsaussage ein Wahrscheinlich keitsbeitrag zum Wahrscheinlichkeitswert des jeweiligen, eine Kenngröße des Betriebszustands der Maschine bildenden Mustervektors ermittelt wird,
daß die Wahrscheinlichkeitsbeiträge für alle Elemente ei nes Mustervektors zu dessen Wahrscheinlichkeitswert auf summiert werden,
daß die Summe der Wahrscheinlichkeitsbeiträge durch die Anzahl der Wahrscheinlichkeitsbeiträge dividiert wird,
daß sequentiell auf diese Weise die Wahrscheinlichkeits werte der Mustervektoren ermittelt werden und
daß das auszugebende Identifikationssignal in Abhängigkeit von den für die Mustervektoren ermittelten Wahrscheinlich keitswerten festgelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Betriebszustandsvektor
durch Differenzbildung zwischen dem aktuellen Zustand und
einem vorgegebenen Soll-, Anfangs- oder Optimalzustand er
halten wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
daß das ausgegebene Identifikationssignal einer Verarbei
tungseinheit zugeführt und in dieser zur Erzeugung eines
Steuersignals für die Maschine weiterverarbeitet wird und
daß das Steuersignal einer Steuereinheit der Maschine zu
geführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus den als Funktion der Zeit erfaßten und aufbereite ten Schwingungssignalen primäre Kennwerte berechnet wer den,
daß aus den primären Kennwerten und fest vorgegebenen so wie variablen Bezugswerten und/oder anderen primären Kenn werten sekundäre Kennwerte ermittelt werden und
daß aus den primären und sekundären Kennwerten und ausge wählten Betriebsgrößen der Maschine der Betriebszustands vektor gebildet wird.
dadurch gekennzeichnet,
daß aus den als Funktion der Zeit erfaßten und aufbereite ten Schwingungssignalen primäre Kennwerte berechnet wer den,
daß aus den primären Kennwerten und fest vorgegebenen so wie variablen Bezugswerten und/oder anderen primären Kenn werten sekundäre Kennwerte ermittelt werden und
daß aus den primären und sekundären Kennwerten und ausge wählten Betriebsgrößen der Maschine der Betriebszustands vektor gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Identifikationssignal das dem Mustervektor mit dem höch
sten Wahrscheinlichkeitswert zugeordnete Identifikations
signal ausgegeben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wahrscheinlichkeitswert jedes Mustervektors mit einem sich aus der Anzahl der relevanten Elemente des Mu stervektors und der Anzahl der diesen entsprechenden, aber nicht gültigen Elemente des Zustandsvektors ergebenden Gültigkeitskennwert multipliziert und
daß das Produkt aus Wahrscheinlichkeitswert und Gültig keitskennwert der Mustervektoren bei der Synthese des aus zugebenden Identifikationssignals zugrundegelegt wird.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wahrscheinlichkeitswert jedes Mustervektors mit einem sich aus der Anzahl der relevanten Elemente des Mu stervektors und der Anzahl der diesen entsprechenden, aber nicht gültigen Elemente des Zustandsvektors ergebenden Gültigkeitskennwert multipliziert und
daß das Produkt aus Wahrscheinlichkeitswert und Gültig keitskennwert der Mustervektoren bei der Synthese des aus zugebenden Identifikationssignals zugrundegelegt wird.
7. Verfahren nach einem vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Aufbe
reitung der Schwingungssignale und die nachfolgenden
Schritte in vorgegebenen Zeitabschnitten und/oder zu vor
gegebenen Zeitpunkten des Betriebs der Maschine oder wenn
die Abweichung eines der Schwingungssignale oder sonstigen
Betriebsparameter von einem vorhergehend aufgenommenen
Wert einen vorgegebenen Betrag überschreitet, ausgeführt
werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß zu den vorgegebenen Zeitab
schnitten der An- und der Abfahrvorgang der Maschine zäh
len.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, da
durch gekennzeichnet, daß die vorgege
benen Zeitpunkte aus der Umdrehung des Rotors der Maschine
abgeleitet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß der Schritt
der Ermittlung der primären Kennwerte eine Mittel-,
Scheitel- oder Effektivwertbildung über einen vorgegebenen
Zeitraum sowie die Bestirnung von harmonischen Signalan
teilen mit Amplitude und Phase aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß der Schritt
der Ermittlung der sekundären Kennwerte die Bildung von
Differenzen oder Quotienten aus primären Kennwerten bein
haltet.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im Falle
eines durch mehrere Zustandsvektoren beschreibbaren Zu
stands der Maschine oder Anlage als Elemente des resultie
renden Betriebszustandsvektors Wahrscheinlichkeitswerte
verwendet werden und der Schritt der Ermittlung dieser
Wahrscheinlichkeitswerte als Elementen-Vergleich der ein
zelnen Zustandsvektoren mit ihnen entsprechenden einzelnen
Mustervektoren unter Aufsummierung der sich in den Schrit
ten des Elementen-Vergleichs ergebenden Wahrscheinlich
keitsbeiträge ausgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zu den
weiteren physikalischen Größen die Wellenlage und -bahn
und/oder die Lagertemperatur und/oder der Lageröldruck der
Maschine, relative und/oder absolute Dehnungen sowie ande
re beim Betrieb der Maschine regelmäßig zu überwachende
Betriebsparameter, wie Leistung, Durchsatz oder Drehzahl
gehören.
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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R071 | Expiry of right |