WO2005091097A1 | 2005-09-29 |
US4207567A | 1980-06-10 | |||
US20060155514A1 | 2006-07-13 |
Patentansprüche 1. Verfahren zur Funktionsanalyse von elektrischen Verbrauchern, bei dem ein von dem Verbraucher (1) erzeugtes Muster eines charakteristischen Parameters (F, P) ermittelt und mit einem Sollmuster des charakteristischen Parameters (F, P) während eines Normalzustandes des Verbrauchers (1) (Normalmuster) verglichen und bei signifikanter Abweichung ein Alarmsignal erzeugt wird, dadurch gekennzei chnet , dass eine die elektrische Leistungsaufnahme P eines Verbrauchers repräsentierende Impulsfolge derart erzeugt wird, dass die Impulsfrequenz F die Leistung P repräsentiert und das Frequenz-Leistungsverhältnis so eingestellt wird, dass die Impulsfrequenz F höher ist als eine Frequenz periodischer Lastwechsel (Lastwechselfrequenz) an dem Verbraucher (1) und dass das Muster des zeitlichen Verlaufes der Impulsfrequenz F oder der daraus ermittelten Leistungsaufnahme P des Verbrauchers mit dem Normalmuster verglichen wird und bei Abweichung das Alarmsignal erzeugt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zei chnet , dass die Impulsfrequenz F mindestens das Zehnfache der Lastwechselfrequenz beträgt. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a du r c h ge k e n n z e i ch n e t , dass die Impulsfrequenz F das 10 bis lOOOfache der Lastwechselfrequenz beträgt. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a du r c h ge k e n n z e i ch n e t , dass das Normalmuster aus dem Muster der Lastwechsel eines vorangegangenen Zeitabschnittes ermittelt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, d a du r c h ge k e n n z e i ch n e t , dass das Muster aus den Durchschnittswerten der Leistungsaufnahme P mehrer vorangegangener einander entsprechender Pulsintervalle T ermittelt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, d a du r c h ge k e n n z e i ch n e t , dass das das Muster der Lastwechsel gespeichert und daraus das Normalmuster ermittelt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, d a du r c h ge k e n n z e i ch n e t , dass das Normalmuster aus jeweils jüngeren Verläufen des Musters aktualisiert wird. 8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet , das s das Normalmuster über mindestens zwei Lastwechsel ermittelt wird. 9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet , das s das Normalmuster derart komprimiert wird, dass signifikante Teile des Musters ermittelt und nur diese abgespeichert werden und die entsprechenden Teile des Leistungsaufnahmemusters ermittelt mit den abgespeicherten signifikanten Teilen des Normalmusters verglichen werden. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsanalyse von elektrischen Verbrauchern, bei dem ein von dem
Verbraucher erzeugtes Muster eines charakteristischen
Parameters ermittelt wird. Dieses Muster wird mit einem Sollmuster des charakteristischen Parameters, das während eines Normalzustands des Verbrauchers ermittelt wurde
(Normalmuster) verglichen. Bei einer signifikanten
Abweichung des Normalmusters von dem Sollmuster wird ein Alarmsignal erzeugt. Es ist bekannt, verschiedene Einrichtungen hinsichtlich von Mustern aus charakteristischen Parametern laufend zu
untersuchen, um dabei Fehler oder die Notwendigkeit einer laufenden Instandhaltung abzuleiten. So ist beispielsweise eine Vibrationsanalyse oder eine Schwingungsanalyse eine bekannte Unterführungsmethode drehender Teile, die auf
Fehler, wie Unwuchten oder defekte Lager schließen lässt. Die Vibrationsanalyse ist ein Element der vorausschauenden Instandhaltung. Bei der Vibrationsanalyse werden die
Schwingungen von drehenden Teilen (z.B. von Walzen)
aufgezeichnet und analysiert. Anhand der Schwingungsmuster sowie der Schwingungsamplitude lassen sich Rückschlüsse auf den Zustand der drehenden Teile sowie der Lager ziehen.
Hierdurch lassen sich notwendige Reparaturen im Vorfeld erkennen und vor Ausfall der Maschine durchführen. Dadurch können Stillstandzeiten reduziert und in produktionsfreie Zeiten verlagert werden.
Derartige Funktionsanalysen sind mit einem nicht
unerheblichen technischen Aufwand verbunden. Insbesondere sind dabei spezielle Messfühler an den Geräten oder
Einrichtungen vorzusehen und entsprechende Leitungsführungen zu diesen Messfühlern. Außerdem hat die Anordnung von derartigen Messfühlern oder Sensoren zumeist auch einen Einfluss auf das Verhalten der Maschinen und Einrichtungen selbst . Die elektrische Leistung, die ein elektrischer Verbraucher über eine Zeiteinheit bezieht, wird als elektrische Energie bezeichnet. Die elektrische Energie, die ein Verbraucher bezieht, wird über einen Zähler ermittelt. Die Erfassung der elektrischen bedeutsamer elektrischer Verbraucher in
Industrieanalagen erfolgt zur Anlagenüberwachung und zur kostenstellenorient ierten Nachkalkulation heute in aller Regel ausschließlich über elektronische Impulsgeber zähler .
Ein derartiger Impulsgeber zähler weist einen Impulsausgang auf, an dem eine dem aktuellen Energiebezug entsprechende Impulszahl ausgegeben wird. Die Impulszahl kann je nach gewünschter Auflösung festgelegt werden. Üblicherweise liegen Impulszahlen zwischen 1 bis 10000 Impulsen pro kWh. Je nach der Leistungsaufnahme des angeschlossenen
Verbrauchers kann dann die Pulszahl, die 1 kWh entspricht, festgelegt werden. Dies wird auch als Impulswertigkeit bezeichnet .
Bei sehr geringer Leistungsaufnahme kann eine höhere
Pulszahl festgelegt werden und bei hoher Leistungsaufnahme eine entsprechend geringere, um die Impulspausen in einem sinnvollen Rahmen für eine weitere Auswertung zu halten, denn bei gleichem Energiebezug sind die Impulspausen bei geringer Impulswertigkeit (höhere Impulsanzahl je kWh) kürzer als bei höherer Impulswertigkeit (geringere Impulsanzahl je kWh)
In den Impulsgeberzählern wird nun entsprechend der
eingestellten Impulswertigkeit der Energieverbrauch des elektrischen Verbrauchers durch ein Zählen der Impulse über das Messzeitintervall ermittelt und zur Anzeige gebracht. So kann an einem solchen Zähler stets der Energieverbrauch seit dem Beginn der Messung zur Anzeige gelangen und entsprechend ausgewertet werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine
Funktionsanalyse vorzusehen, die mit erheblich verringertem Aufwand und möglicherweise unter Nutzung bereits vorhandener Einrichtungen durchgeführt werden kann.
Die Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 7 geben besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens an.
Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, dass von einem Impulsgeberzähler eine Impulsfolge ausgegeben wird, deren jeweils aktuelle Impulsfolgefrequenz die Höhe des jeweils momentanen Leistungsbezugs eines Verbrauchers repräsentiert. Dies spielt für die eigentliche Funktion eines Zählers keine Rolle, wurde jedoch als Erkenntnis bei der Erfindung
genut zt .
Gemäß der Erfindung wird mit dieser Erkenntnis eine die momentane elektrische Leistungsaufnahme eines Verbrauchers repräsentierende Impulsfolge erzeugt. Dies geschieht derart, dass die Impulswertigkeit und damit das Impulsfrequenz- Leistungsverhältnis so eingestellt werden, dass die
Impulsfrequenz stets höher ist als eine Frequenz
periodischer Lastwechsel (Lastwechselfrequenz) an dem
Verbraucher. Damit wird es möglich, während der Periode eines Lastwechsels mehrfach den aktuellen Impulsabstand und damit die aktuelle Impulsfrequenz und daraus wiederum die momentane Leistungsaufnahme zu messen.
Eine Lastwechselfrequenz bestimmt der Fachmann in aller Regel aus der Periodendauer zwischen zwei gleichen oder ähnlichen wiederkehrenden Last zuständen . Beispielsweise kann die Lastwechselfrequenz durch die Drehzahl einer Motorwelle oder durch die Drehzahl einer Welle des Abtriebs bestimmt werden. Beispielsweise kann aber auch die Zeit von einem Beschicken eines Schmelzofens über das Schmelzen und den Abstich bis zur erneuten Beschickung die Periode eines
Lastwechsels darstellen.
Die Erfindung geht davon aus, dass beispielsweise das
Auftreten von Unwuchten an rotierenden Teilen immer mit einer Erhöhung des Stromverbrauchs sowie einer gravierenden Änderung der momentanen Leistungsaufnahme oder der
Momentanlastamplituden verbunden ist.
Deren Ausgangsfrequenz ist proportional zur Momentanlast der angeschlossenen Verbraucher. Jeder Lastwechsel wirkt sich demnach als Impulsfrequenzänderung aus. Dabei gilt, je höher die Frequenz desto genauer können Aussagen über die
Arbeitsweise der angeschlossenen Maschinen gemacht werden
Durch die die während eines Lastwechsels nunmehr mehrfach mögliche Bestimmung der momentanen Leistungsaufnahme wird es über eine entsprechende Auswertung und Speicherung möglich, ein Muster des zeitlichen Verlaufs der Impulsfrequenz oder der daraus ermittelten Leistungsaufnahme des Verbrauchers aufzunehmen. Dieses Muster kann dann wird mit einem
Normalmuster verglichen werden. Bei Abweichung der beiden Muster voneinander um einen festzulegenden signifikanten Bereich wird sodann ein Alarmsignal erzeugt. Das
Normalmuster kann beispielsweise ermittelt und hinterlegt werden, wenn der Verbraucher ein nachweislich normales
Verhalten zeigt, etwa nach einer Wartung oder einer
ErstInbetriebnahme . Das Normalmuster kann aber auch während des Betriebs aktualisiert werden, beispielsweise um
zulässige Driften zuzulassen, so dass diese nicht zu einer Fehlerauslösung führen.
Als Fehler, die zu einer Alarmauslösung führen, können unzulässige Driften, die beispielsweise durch eine langsam ansteigende Lagerreibung entstehend können und irgendwann zu einer Auslösung eines Sicherheitsschalters führen würden, rechtzeitig erkannt werden, beispielsweise vor einem
Abschalten. Aber auch so genannte StrukturSprünge können zu einer Alarmauslösung führen, wenn nämlich das aufgenommene Muster plötzlich von einem vorangegangen als Normalmuster festgelegtem Muster abweicht, beispielsweise bei einem plötzlich auftretenden Lagerschaden.
Es wurde vorstehend beschrieben liegen also
charakteristische Amplitudenfolgen der Leistungsaufnahme von
Anlagen im Normalbetrieb vor. Kündigt sich nun eine Störung an, die unterhalb der Störmeldeschwelle (z.B.
Überstromschut zeinrichtungen bei Elektromotoren)
konventioneller Schutzeinrichtungen liegt, und/oder durch Struktursprünge sichtbar wird, so kann ein angeschlossenes
Rechnersystem diese Abweichungen gegenüber einer
historischen Amplitudenfolge feststellen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es somit erreicht, dass ohnehin eingesetzte Zähler vor Verbrauchern für die Funktionsanalyse benutzt werden können, ohne dass hierfür besondere technische Einrichtungen vorzusehen sind. Die Kostenvorteile dieser Lösung liegen auf der Hand.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Impulsfrequenz mindestens das zehnfache der Lastwechselfrequenz beträgt. Mit einer derartigen Höhe der Impulsfrequenz wird sozusagen die Abtastrate festgelegt. Je höher also die Impulsfrequenz ist, desto genauer ist die Aussagekraft. Daher ist in einer weiteren besonderen Ausgestaltung vorgesehen, dass die Impulsfrequenz das zehn- bis tausendfache der Lastwechselfrequenz beträgt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, dass das Normalmuster aus dem Muster der
Lastwechsel eines vorangegangenen Zeitabschnittes ermittelt wird. Voraussetzung ist dabei natürlich, dass der
Verbraucher in dem vorangegangenen Zeitabschnitt in seinem Normalzustand bearbeitet hat. Dieser Normalzustand bringt üblicherweise signifikante periodische Änderungen der
Momentanlast mit sich, die in systemeigenen ständig
wiederkehrenden Belastungen ihre Ursache haben. Tritt nun ein Schaden an dem Verbraucher ein, der eine höhere
Momentanleistung erfordert, so weicht dieses Lastmuster aus dem aktuellen geschädigten Zustand von dem Normalmuster ab und dies wird zur Festlegung der Notwendigkeit eines
Alarmsignals genutzt.
Das Muster kann dabei aus den Durchschnittswerten der
Leistungsaufnahme mehrerer vorangegangener einander
entsprechender ZeitIntervalle ermittelt werden. Durch eine solche Herangehensweise wird sichergestellt, dass sich eventuelle Abweichungen in den jeweilig aktuellen
Lastmustern zu einem repräsentativen Normalmuster
ausmitteln .
Zweckmäßigerweise wird in einer Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens das Muster der Lastwechsel gespeichert und daraus das Normalmuster ermittelt. Dieser Rechenvorgang kann auch während des laufenden Betriebes erfolgen, da die gespeicherten Lastwechselmuster ja im statischen Zustand vorliegen. Ist sodann das Normalmuster erneut berechnet, kann dieses anstelle des bisherigen
Normalmusters genommen werden. Insofern kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Normalmuster aus jeweils jüngeren Verläufen des Musters aktualisiert wird. Durch eine derartige Aktualisierung können eventuelle Lastdriften am Verbraucher auskalibriert werden .
Es besteht natürlich die Möglichkeit, das Normalmuster über mehrere Lastwechselperioden, d.h. mindestens zwei
Lastwechselperioden, hinweg aufzunehmen. Hierbei kann auch eine Langzeitspeicherung, beispielsweise von der ersten Inbetriebnahme des Verbrauchers erfolgen. Zur Eliminierung zufälliger Fehler bei der Normalmusterermittlung ist es auch möglich, das Normalmuster aus mehreren Mustern, die über einander entsprechende Zeiträume aufgenommen wurden, beispielsweise über eine Mittelung zusammenzusetzen.
Insbesondere zur Unterstützung einer Langzeitspeicherung kann eine Datenkompression zweckmäßig sein. Dabei ist es möglich, das Normalmuster nach signifikanten Merkmalen zu durchsuchen, was auch über mehrere vergleichsweise Muster geschehen kann. Daraus können dann signifikante Daten ermittelt werden. Treten beispielsweise innerhalb einer Periode an den gleichen zeitlichen Stellen signifikant hohe oder niedrige Amplituden auf, kann es hinreichend sein, nur diese Spektren der Maxima oder Minima als Normalmuster zu speichern. Das Vergleichsmuster braucht dann nur nach diesem Spektrum durchsucht zu werden, um zu einer Aussage über den Grad der Übereinstimmung zu gelangen. Die Anzahl der Daten wird damit signifikant reduziert. Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den
zugehörigen Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine Darstellung der Umsetzung einer gemessenen Leistungsaufnahme eines Verbrauchers in eine
Impulsfolgefrequenz;
Fig. 2 eine Darstellung eines signifikanten Verlaufes
Lastenaufnahme an einem Verbraucher über das in Fig. 1 dargestellte Verfahren im Normalbetrieb des Verbrauchers;
Fig. 3 eine Darstellung des Musters der Lastaufnahme an einem Verbraucher bei Vorliegen einer Störung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5 eine Darstellung einer typischen unauffällige
Amplitudenfolge eines Asynchronmotors mit angeschlossener Förderpumpe ;
Fig. 6 eine Darstellung einer Auffälligkeit bei dem in Fig. 5 gezeigten Verhalten durch einen langsam stetigen Anstieg, beispielsweise hervorgerufen durch eine zunehmende
Lagerreibung;
Fig. 7 eine Darstellung einer Auffälligkeit bei dem in Fig. 5 gezeigten Verhalten durch einen langsam stetigen Anstieg, beispielsweise hervorgerufen durch Lagerbruch;
Fig. 8 eine Darstellung einer Auffälligkeit bei dem in Fig. 5 gezeigten Verhalten eines Asynchronmotors mit
angeschlossener Förderpumpe durch sekundäre Überhitzung der Fördermechanik ; Fig. 9 eine Darstellung einer Auffälligkeit bei dem in Fig. 5 gezeigten Verhalten eines Asynchronmotors mit
angeschlossener Förderpumpe infolge einer Resonanzschwingung durch schnellen Verschleiß und
Fig. 10 einen Verlauf mit verschiedenen Lastwechseln und Warn- und Auslösebereiche für Fehler- und Störmeldungen.
Wie in Figur 4 dargestellt, ist ein Verbraucher 1 über einen Zähler 2 mit einem Stromversorgungsnetz 3 verbunden. Im Haushalt wird üblicherweise nicht jeder einzelne Verbraucher 1 über den Zähler in seinem Stromverbrauch kontrolliert, sondern der Haushalt selbst stellt einen Verbraucher 1 dar. Die erfindungsgemäße Funktionsanalyse kann sich auf die hinter einem Zähler befindlichen Verbraucher beziehen, in Falle eines Haushalts folglich auf die Gesamtheit aller Verbrauchereinheiten. Soll hier die Auflösung auf eine einzelne Verbrauchereinheit beziehen, müsste diese mit einem eigenen Zähler versehen werden, wodurch diese dann den
Gegenstand für die erfindungsgemäße Funktionsanalyse
darstellt .
In Industrieanlagen werden beispielsweise zur
Kostenkontrolle einzelne Maschinen oder Maschinengruppen als Verbraucher 1 über Zähler 2 gezählt. An derartigen Maschinen sind dann über einen entsprechenden Abtrieb 4 angetriebene Einrichtungen 5 angeschlossen. Unterschiedliche Belastungen der angetriebenen Einrichtungen 5 werden über den Abtrieb 4 auf den Verbraucher 1 zurückwirken. Aber auch der
Verbraucher 1 hat unter Umständen eigene Belastungen. Diese Belastungen bewirken eine erhöhte Leistungsaufnahme des Verbrauchers 1 aus dem Stromversorgungsnetz 3.
Üblicherweise wird über den Zähler 2 die Momentanleistung des Verbrauchers 1 gemessen und eine entsprechende
Impulsfolge an eine Verbrauchsauswerteeinrichtung 6
übermittelt .
Die Impulsfrequenz kann dadurch beeinflusst werden, dass das Frequenzleistungsverhältnis verändert wird. Üblicherweise wird in dem Zähler beispielsweise eine Impulswertigkeit derart definiert, dass ein Impuls die Leistung von 0,1 bis 1000 Watt repräsentiert. Das heißt, abgeleitet aus der
Läuferscheibenumdrehung von herkömmlichen FERRARIS-Zählern wird ein Impuls erzeugt, sobald beispielsweise 1000 Watt verbraucht sind. Je höher also die Frequenz auftretender Impulse ist, desto höher ist die aufgenommene
Momentanleistung des Verbrauchers. Wenn nun den Impulsen andere Leistungswerte zugeordnet werden, beispielsweise nur 200 Watt, so wird ersichtlich, dass dadurch das Auftreten von Impulsen ohnehin schon schneller erfolgt bei gleicher Momentanleistung. Dementsprechend kann mit der Definition dieses Frequenzleistungsverhältnisses die Abtastrate festgelegt werden. Wie in Figur 1 dargestellt, treten am Impulsausgang 7 des Zählers 2 die Impulse des oberen Diagramms auf. Dabei ist ersichtlich, dass die Pulsfolgefrequenzen sich vom Abschnitt 8 zum Abschnitt 9, 10 und 11 deutlich verändert. So
repräsentieren die unterschiedlichen Folgefrequenzen der Abschnitte 8 bis 11 einen unterschiedlich hohen
Stromverbrauch pro Zeiteinheit, d.h. eine unterschiedliche Momentanleistung, die vom Verbraucher 1 während der
Zeitabschnitte 8 bis 11 aufgenommen wird, wie dies an dem untenstehenden Diagramm in Figur 1 dargestellt ist. Derartige unterschiedliche Lastaufnahmen während
verschiedener Zeitabschnitte 8 bis 11 führen dann zu einem Verlauf, der in Figur 2 dargestellt ist. Da die
Pulsfolgefrequenz f proportional zur Leistung p ist, zeigt Figur 2 entweder das Bild der Pulsfolgefrequenz über die Zeit oder die Leistung über die Zeit. Wie erkennbar ist, ist über jeweils eine Periodendauer T in dem Diagramm eine
Wiederholung des Lastfolgemusters zu erkennen. In Figur 2 ist ein Normalbetrieb dargestellt, also ein Betrieb, in dem der Verbraucher 1 bzw. die angetriebene Einrichtung 5 eine normale Funktion aufweisen.
Wie in Figur 3 dargestellt, ist bei einem Auftreten eines vermutlichen Schadens an dem Verbraucher 1 bzw. der
angetriebenen Einrichtung 5 eine Abweichung des
Lastfolgemusters vom Normalmuster aus Figur 2 deutlich erkennbar.
Wie in Figur 4 dargestellt, wird nun die Impulsfolge aus dem Impulsausgang 7 auch auf einen Rechner 12 gegeben. Dieser Rechner 12 vergleicht nunmehr das Muster gemäß Figur 3 mit dem Muster gemäß Figur 2, welches er als Normalmuster abgespeichert hat. Durch diesen Vergleich stellt er eine Auffälligkeit fest und gibt ein Alarmsignal aus. Dies kann selbstverständlich in Form eines akustischen oder optischen oder andersartigen Signals, beispielsweise einer SMS- Benachrichtigung erfolgen. Dieses ist in Figur 4 nicht näher dargestellt .
In Figur 2 und Figur 3 ist auch jeweils eine untere
Störmeldeschwelle 13 und eine obere Störmeldeschwelle 14 eingezeichnet. Diese Störmeldeschwellen haben die allgemeine Funktion, dass bei Unterschreiten der unteren
Störmeldeschwelle, wie dies beispielsweise bei einer
Unterbrechung des Impulsausganges 7 oder bei einem
Abschalten des Verbrauchers 1 geschehen kann, die jeweils für sich Störungen darstellen können, ein üblicherweise ein Alarmsignal ausgelöst. In gleicher Weise wird auch ein
Überschreiten der oberen Störmeldeschwelle, beispielsweise bei einer auftretenden Überlast, signalisiert. Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, liegen die Störungen jedoch innerhalb der beiden Störmeldeschwellen und würden normalerweise nicht zur Auslösung eines Störsignals führen. Durch das
erfindungsgemäße Verfahren des Mustervergleichs wird jedoch auch bei Störungen, die nicht von den Störmeldeschwellen 13 und 14 erfasst sind, eine Alarmierung erfolgen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der
Leistungsverlauf eines Asynchronmotors mit angeschlossener Förderpump dargestellt. Fig. 5 zeigt dabei mit Kurve den Normalbetrieb, bei dem nur kleinere Schwankungen der
Leistungsaufnahme auftreten. Unterschiede in den einzelnen Lastwechselperioden sind nicht zu erkennen.
Einen sehr ähnlichen Verlauf zeigt Fig 6. Rein optisch scheint die gleichmäßige Kurve der Fig. 5 hier weiter zu bestehen. Allerdings tritt ein langsam wirkender Verschleiß ein, der den Mittelwert der Leistungsaufnahme ganz leicht und kaum spürbar ansteigen lässt. Allerdings wird durch das erfindungsgemäße Verfahren der langsame Anstieg 16 sichtbar, obwohl auch keine Unterschiede in den Lastwechselperioden erkennbar sind. Anders verhält es sich bei Fig. 7. Hier wurde die gleiche Messung wie in Fig. 5 protokolliert. Allerdings zeigen sich hier im Vergleich zu dem Normalmuster nach Fig. 5 deutliche Unterschiede. Auch sind hier die Lastwechselperioden T L deutlich erkennbar, die jeweils einer Umdrehung der
Motorwelle oder einer Abtriebswelle eines angeschlossenen Getriebes entsprechen. Jeweils in einer ersten Teilperiode 17 einer Lastwechselperiode T L ist ein normales Verhalten festzustellen. Jedoch in einer zweiten Teilperiode 18 ist ein deutliches Schwanken mit eine großen Amplitude der aufgenommenen Leistung P erkennbar, bevor die Kurve in einer dritten Teilperiode 19 wieder ein normales Verhalten zeigt. Dies ist auf einen Lagerbruch zurückzuführen, bei dem jeweils in der zweiten Teilperiode 18 der Umdrehung die Leichtgängigkeit der Motor- oder der Abtriebswelle erschwert ist was zu einem erhöhten Leistungsbedarf führt.
In Fig. 8 ist der Verlauf 20 bei einer sekundären
Überhitzung eines Teils, beispielsweise eines Lagers, erkennbar. In der ersten Phase 21 zeigt der Verbraucher noch ein normales Verhalten der Leistungsaufnahme. In der zweiten Phase 22 ist ein deutlicher Anstieg der bezogenen Leistung P erkennbar. Das Lager erwärmt sich und läuft zunehmend schwerer. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur des Lagers erhöht dessen Schwergängigkeit nicht weiter und die Leistungsaufnahme bleibt auf dem hohen Niveau in Phase 23. Der Schwingungsverlauf 24 in Fig. 9 weist auf instabiles
Schwingungsverhalten des Verbrauchers hin (z.B. „Rattern" von Lagerteilen oder dergleichen) , das zu einem Ausfall führen kann. Fig. 10 zeigt einen Verlauf mit verschiedenen Lastwechseln und Warn- und Auslösebereiche für Fehler- und Störmeldungen. Bei dauerhafter Belastung sprechen Überstromschut zeinrich- tungen wie thermische auslösende Motorschutzschalter an. Unterhalb dieser Schwelle lassen sich mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren, wie bereits bei Fig. 2
beschrieben, kritische Zustände vorausschauend erkennen und abstellen .
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das
erfindungsgemäße Verfahren, vergleichbar mit einem
medizinischen Elektrokardiogramm (EKG) ist. Das
Elektrokardiogramm (EKG) ist in der Medizin die Aufzeichnung der Summe der elektrischen Aktivitäten aller
Herzmuskelfasern. Elektrokardiogramm wird auch als
Herzspannungskurve oder auch als Herzschrift bezeichnet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, in aufgezeichneten Amplitudenfolgen Veränderungen im
Lastverhalten zu erkennen und zu interpretieren, wie dies in den Figuren 5 bis 9 dargestellt ist. Der erfindungsgemäßen Lösung ging die Erkenntnis voraus, der veränderte Amplitudenverlauf bei einer Impulsvorgabe der strombezugsabhängigen Messung ab 1 Hz, Aussagen über den Zustand der Anlage liefern kann, sofern historische Daten vorliegen. Erhöht man die Ausgabefrequenz auf 30 Hz bis zu 1 kHz, können wesentlich genauere Aussagen getroffen werden. Insofern ist die Amplitudenfolge immer ein Spiegelbild des Verschleißes der Mechanik hinter einem elektromotorischen Antrieb oder der Energieeffizienz bzw. Verschleiß zustandes eines thermoelektrischen Systems. Die Amplitudenüberwachung („EKG") erkennt somit ähnlich der medizinischen Betrachtung der Herzfrequenz und des
Herzrhythmus eines biologischen Organismus, eine möglicher Weise negative Veränderung zum Sollzustand. Die erfindungsgemäße Funktionsanalyse beinhaltet die schnelle (1 Hz bis 30 kHz) Aufzeichnung der Summe der mechanischen Belastungen und Lastwechsel, die sich in einer temporären Erhöhung der aufgenommenen elektrischen Leistung ausdrückt .
Somit ist die Impulsfolge der elektrischen Belastung eines Asynchronmotors ein Spiegelbild der Mechanik hinter dem Antrieb. Der Läufer des Asynchronmotors dreht sich immer langsamer als das Drehfeld an den Spulen der Primärseite. Die Drehzahl am Betriebspunkt wird sich immer um einige Prozente unterhalb der zugehörigen Synchrondrehzahl
einstellen. Diese Differenz wird als Schlupf bezeichnet und ist belastungsabhängig. Die Lastabhängigkeit erzwingt einen höheren Motorstrom. Bei dauerhafter Belastung sprechen
Überstromschut zeinrichtungen wie thermische auslösende
Motorschut z Schalter an. (siehe Abb.12) Unterhalb dieser Schwelle lassen sich mit dem EKG-Strom kritische Zustände vorausschauend erkennen und abstellen.
Aus den Messungen ergeben sich charakteristische
Amplitudenfolgen, die bestimmten Störungsmustern zugeordnet werden können. Eine Kalibrierung bzw. Anpassung auf jedes angeschlossene elektrische System ist durch den Fachmann oder durch eine selbst adaptierende Software möglich. Bei letzterer Vorgehensweise wird ein Zeitabschnitt automatisch zur Basisamplitudenfolge erklärt. Der Rechner überwacht dann Veränderungen außerhalb eines bestimmten Toleranzbereiches. Besonders Augenmerk wird dabei auf sich spontan ändernden oder sich logarithmisch ändernden Amplitudenfolgen in einer Torzeit tl bis tn gelegt. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren bei der Errichtung eines Energiemanagementsystems mit geringen Mehrkosten für die Errichtung eines solchen Systems, einen bedeutenden Betrag zur Qualitätssicherung und Vermeidung von
Spontanausfällen an Produktionssystemen leisten. Charakteristische Amplitudenfolgen sind:
- Normalbetrieb (Fig. 5)
- langsam driftende Veränderungen (Fig. 6)
- Veränderungen im Reibungswiderstand (Fig. 7) - Veränderungen Temperatur (Fig. 8)
- Veränderungen im Schwingungsverhalten (Fig. 9)
- Ausblenden von Lastwechseln, übliche fertigungsbedingte Schwankung (Fig. 10)
Aus den Amplitudenfolgen können Schlüsse zu einem
Ausfallverhalten gezogen werden. Grundsätzlich hat sich folgende Herangehensweise bewährt:
Die aufgezeichneten Leistungsmittelwerte und Echt Zeitwerte in der Amplitudenfolge von 1 Hz - 1 kHz lassen funktionale Schlüsse zu. Diese werden in geeigneter Weise dargestellt und als Fehlermeldungen generiert.
Es ist davon auszugehen, dass Messstellen an technischen Systemen zur Aufnahme von Druck, Temperatur,
Reibungsverlusten usw. in der Summe sich in spezifischen Amplitudenfolgen ausdrücken und selektiert werden können. Demzufolge ist die von Impulsgeberzählern gemessene
Leistungsvariation, Ausdruck einer bestimmten Fehlerquelle.
Das Integrationsverhalten moderner elektrischer
Impulsgeberzähler lässt Abtastraten bis 30 kHz zu. Die hochpräzise Messung der Messschaltkreise garantiert eine höchstempfindliche Messwertaufnahme der Ereignisergebnisse aus Strom und Spannung bzw. Leistungsaufnahme.
Die sich ankündigende Funktionsveränderung in Richtung Ausfall eines elektrischen Systems, drückt sich immer in einer driftenen, zyklischen oder periodischen Änderung der Leistungsaufnahme aus, z. B. bei Asynchronmotoren.
Verfahren zur Funktionsanalyse von elektrischen Verbrauchern
Bezugszeichenliste
1 Verbraucher
2 Zähler
3 Stromversorgungsnet z
4 Abtrieb
5 angetriebene Einrichtung
6 VerbrauchsausWerteeinrichtung
7 Impulsausgang
8 Abschnitt
9 Abschnitt
10 Abschnitt
11 Abschnitt
12 Rechner
13 obere Störmeldeschwelle
14 untere Störmeldeschwelle
15 Normalbetrieb
16 ansteigende Kurve
17 erste Teilperiode
18 zweite Teilperiode
19 dritte Teilperiode
20 Verlauf bei sekundärer Überhitzung
21 erste Phase zweite Phase dritte Phase