Verfahren zur Zustands- und Prozessüberwachung und Vorrichtung hierfür

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustands- und Prozess- Überwachung eines technischen Systems, bei welchem mehrere Prozessparameter des technischen Systems überwacht werden und mindestens ein Kennwert des technischen Systems gemessen wird. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Zustands- und Prozessüberwachung eines technischen Systems.

Die DE 10 2004 025 574 A1 zeigt ein Verfahren zur Fehlererkennung in einem industriellen Prozess. Die Zustände einer den Prozess beschreibenden ersten Zustandsgleichung eines dynamischen Prozessmodels werden einer ersten Zustandsmenge zugeordnet. In gleicher Weise werden die Zustände einer den Prozess beschreibenden zweiten Zustandsgleichung einer zweiten Zustandsmenge zugeordnet. Ist eine Schnittmenge zwischen beiden Zu- standsmengen leer, so wird ein Fehler im Prozess detektiert.

Aus der DE 697 23 839 T2 ist ein Verfahren zum Überwachen eines indus- triellen Prozesses und/oder einer Datenquelle bekannt, bei welchem zeitveränderliche Daten gemessen werden. Die gemessenen Daten werden mit denen einer gewünschten Betriebsbedingung mithilfe von Mustern der Daten verglichen. Die US 5,859,964 zeigt ein System und ein Verfahren zur Ermittlung von Fehlern in einem Prozess zur Herstellung von Halbleiterscheiben. Es werden Messdaten erfasst und zu einem Computersystem übertragen. Im Computersystem wird ein Prozessmodell angewendet, um die Messdaten zu ana- lysieren.

Die DE 10 2005 060 245 B3 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung von Konzentrations-, Druck- und Temperaturprofilen von Gasen in Verbrennungsprozessen und deren Abgasströmen und -wölken. Bei diesem Verfahren werden die für eine Berechnung von Modellspektren notwendigen Absorptionskoeffizienten für jede Wellenzahl als Funktion von Druck und Temperatur betrachtet. Diese Funktionen werden durch eine interpolierende, 2-dimensi- onale, kubische Spline-Funktion angenähert und in rechteckige Teilbereiche unterteilt. Für jedes Teilrechteck gilt ein 2-dimensionales kubisches Polynom als interpolierende Funktion.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Zustands- und Prozessüberwachung eines technischen Systems dahingehend zu verbessern, dass Fehler des zu überwachenden Prozesses oder kritische Zustände des zu überwachenden technischen Systems auf der Grundlage angepasster Alarmschwellen sicher erkannt werden.

Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Zustands- und Prozessüberwachung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur Zustands- und Prozessüberwachung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 9 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Zustands- und Prozessüberwachung eines beliebigen technischen Systems. Es ist auch anwend- bar, wenn ausschließlich Zustände oder Prozesse überwacht werden sollen. Mehrere Prozessparameter des technischen Systems, wie beispielsweise Drehzahl oder Leistung werden überwacht. Mindestens ein Kennwert des technischen Systems, wie beispielsweise eine Temperatur oder ein Maß für die am technischen System auftretenden mechanischen Schwingungen wird gemessen. Bei der Messung des Kennwertes kann es sich beispielsweise um eine direkte Messung oder um eine indirekte Messung handeln, bei wel- eher der Kennwert aus direkt gemessenen Größen berechnet wird. Jedem der Prozessparameter ist ein Wertebereich zugeordnet, welcher sämtliche Werte des jeweiligen Prozessparameters umfasst, beispielsweise sämtliche zulässige oder sämtliche wahrscheinliche Werte. Die Wertebereiche der Prozessparameter sind jeweils in Intervalle unterteilt. Die Intervalle können gleich groß sein oder beispielsweise jeweils diejenigen Werte des jeweiligen Prozessparameters umfassen, die auf den Kennwert des technischen Systems einen quantitativ ähnlich oder gleich großen Einfluss haben. Jedem Intervall eines jeden der Wertebereiche der Prozessparameter ist eine Prozessparameterklasse zugeordnet, durch welche das jeweilige Intervall identi- fiziert werden kann. Im einfachsten Fall handelt es sich bei den Prozessparameterklassen um eine Durchnummerierung der Intervalle. Dabei steht jeweils eine natürliche Zahl für jeweils eines der Intervalle. Dies kann für jeden Prozessparameter in gleicher Weise erfolgen, sodass es für jeden der Prozessparameter beispielsweise eine Prozessparameterklasse 1 und eine Pro- zessparameterklasse 2 gibt. Eine Aufzählung von jeweils einer der Prozessparameterklassen für jeweils einen der Prozessparameter bildet ein Parame- terklassentupel. Beispielsweise steht das Parameterklassentupel (2, 1 ) dafür, dass der erste der Prozessparameter die Prozessparameterklasse 2 aufweist und dass der zweite der Prozessparameter die Prozess- parameterklasse 1 aufweist. Die Anzahl der möglichen Parameterklassentupel ergibt sich aus einer Anzahl der Prozessparameter und aus der Anzahl der Prozessparameterklassen eines jeden der Prozessparameter. Einer Vielzahl der Parameterklassentupel ist jeweils ein Alarmkennwert zugeordnet. Der Alarmkennwert kann beispielsweise als Voralarm oder als Hauptalarm definiert sein. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst einen Schritt, bei welchem die Prozessparameter des technischen Systems bestimmt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Prozessparameter gemessen werden. Die Prozessparameter liegen jedoch häufig bereits als Steuerdaten des technischen Systems vor und müssen lediglich erfasst werden, um im erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden zu können. In einem weiteren Schritt wird festgestellt, in wel- ehern der Intervalle der Wertebereiche sich die gemessenen bzw. erfassten Prozessparameter befinden. Weiterhin ist zu ermitteln, welche Prozessparameterklassen diesen Intervallen zugeordnet sind, beispielsweise dadurch, dass die zutreffende Prozessparameterklasse aus einer Zuordnungstabelle ausgelesen wird. Beispielsweise ist im Ergebnis dieser Schritte bekannt, dass einem Prozessparameter Drehzahl des technischen Systems die Prozessparameterklasse 3 zugeordnet ist, da eine Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute gemessen wurde, deren Wert sich in einen dritten von insgesamt 10 Intervallen des Wertebereiches des Prozessparameters Drehzahl befindet. In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den ermittelten Prozessparameterklassen eines der Parameterklas- sentupel gebildet. Dies erfolgt durch eine Aufzählung der ermittelten Prozessparameterklassen nacheinander für jeden der Prozessparameter. Im Weiteren wird der dem gebildeten Parameterklassentupel zugeordnete A- larmkennwert ermittelt, was beispielsweise durch ein Auslesen einer Zuord- nungstabelle erfolgen kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Kennwert des technischen Systems gemessen, beispielsweise periodisch oder kontinuierlich. Es wird ein Alarm ausgegeben, wenn der gemessene Kennwert den Alarmkennwert erreicht. Je nach Art des Kennwerts wird der Alarm ausgegeben, wenn der gemessene Kennwert größer oder gleich dem Alarmkennwert ist oder wenn der gemessene Kennwert kleiner oder gleich dem Alarmkennwert ist. Beispielsweise kann für einen diskret auftretenden Kennwert ein Erreichen darin bestehen, dass der gemessene Kennwert dem Alarmkennwert gleicht. Es können auch gleichzeitig mehrere der Kennwerte gemessen und mit den zugehörigen Alarmkennwerten verglichen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass ein Alarm für einen Fehler im Prozess oder für einen kritischen Zustand in Abhängigkeit von den Prozessparametern des technischen Systems ermittelt und ausgegeben wird. Unterschiedliche Kombinationen von Prozessparametern, d. h. unterschiedliche Parameterklassentupel können als unterschiedliche Betriebspunkte des technischen Systems angesehen werden. Die Alarm- kennwerte, d. h. die Alarmschwellen sind in Abhängigkeit von den Betriebspunkten des technischen Systems definiert. Hierdurch wird die Sicherheit der Ausgabe eines Alarms erhöht bzw. die Wahrscheinlichkeit für die Ausgabe eines Fehlalarms gesenkt. Bevorzugt werden die Alarmkennwerte vorab in einer Lernphase definiert. In der Lernphase durchlaufen die Prozessparameter des technischen Systems jeweils zumindest mehrere der Intervalle der in Intervalle unterteilten Wertebereiche der Prozessparameter. Folglich werden mehrere Prozessparameterklassen für jeden der Prozessparameter durchlaufen. Gleichzeitig werden mehrere der möglichen Parameterklassentupel durchlaufen, d. h. es werden verschiedene Betriebspunkte des technischen Systems erreicht. Jedem der durchlaufenen Parameterklassentupel wird ein Alarmkennwert zugeordnet. Der Alarmkennwert kann beispielsweise in einer Zuordnungstabelle abgelegt werden. Der Alarmkennwert ist durch einen Wert gebildet, welcher die A- larmschwelle des Kennwertes darstellt. Insofern der Kennwert beispielsweise durch eine Temperatur des technischen Systems gebildet ist, so ist ein Alarmkennwert durch eine explizite Temperaturangabe gebildet, beispielsweise 95° C. In einer Lernphase werden üblicherweise nicht sämtliche Intervalle der Wertebereiche aller Prozessparameter durchlaufen. Folglich treten nicht sämtliche Prozessparameterklassen und auch nicht sämtliche Parameterklassentupel auf. Den in der Lernphase nicht aufgetretenen Parameterklassentupel wird bevorzugt jeweils ein Alarmkennwert zugeordnet, welcher durch Inter- polation der Alarmkennwerte benachbarter Parameterklassentupel ermittelt wird. Bei benachbarten Parameterklassentupel handelt es sich beispielsweise um Parameterklassentupel, bei denen sich lediglich eine der Prozesspa- rameterklassen um Eins von der jeweiligen Prozessparameterklasse des nicht aufgetretenen Parameterklassentupels unterscheidet. Für die Interpolation können beliebige geeignete Funktionen verwendet werden. Alternativ kann der Alarmkennwert gleich dem Alarmkennwert des benachbarten Pa- rameterklassentupels gewählt werden.

Die Lernphase des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt eine automatische Anpassung der Alarmkennwerte, d. h. der Alarmschwellen des technischen Systems, wobei hierfür zwei oder mehr Prozessparameter des techni- sehen Systems berücksichtigt werden. Es wird ein Alarmkennwertfeld generiert, bei welchem jeder Abschnitt für einen Betriebspunkt des technischen Systems steht. Ein solches Alarmkennwertfeld ist Ausdruck dessen, dass Fehler eines Prozesses oder kritische Zustände eines Systems mit mehreren Prozessparametern korrelieren.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine automatische Anpassung der Alarmkennwerte dadurch, dass diese in einer weiteren Lernphase neu definiert werden. In der weiteren Lernphase durchlaufen die Prozessparameter des technischen Systems jeweils zumindest eines der Intervalle der in Intervalle unterteilten Wertbereiche, wobei jedem der durch die Prozessparameterklassen der durchlaufenen Intervalle gebildeten Parameterklassentupel ein Alarmkennwert neu zugeordnet wird. Die den Parameterklassentupeln zugeordneten Alarmkennwerte werden bevorzugt jeweils dadurch definiert, dass in der Lernphase gemessene Kennwerte vordefiniert erhöht oder verringert werden. Folglich wird ein Kenn-wert, der während des Auftretens eines Parameterklassentupels gemessen wird, nach einer Vorschrift erhöht oder verringert, um als Alarm- kennwert diesem Parameterklassentupel zugeordnet zu werden. Die Vorschrift zum Erhöhen oder Verringern der Kennwerte besteht bevorzugt darin, dass die gemessenen Kennwerte um ein vordefiniertes Maß erhöht oder verringert werden oder mit einem vordefinierten Faktor multipliziert werden. Es ergibt sich somit eine vordefinierte absolute oder prozentuale Erhöhung bzw. Verringerung des Kennwerts, um den Alarmkennwert zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Überwachung von technischen Systemen oder von auch natürlichen Systemen, wie beispielsweise biologischen Systeme geeignet. Der zu messende Kennwert ist bevorzugt eine physikalische oder chemische Eigenschaft, welche auf einen kritischen Zustand und/oder einem Fehler in einem Prozess des Systems schließen lässt. Der Kennwert kann beispielsweise eine physikalische Größe wie die Tempe- ratur oder der Druck sein. Viele mechanische und elektromechanische Geräte und Anlagen neigen zu mechanischen Schwingungen, die zu einem kritischen Zustand oder einem Prozessfehler führen können. Für derartige Geräte und Anlagen ist der für das erfindungsgemäße Verfahren zu messende Kennwert bevorzugt durch ein Maß für die Qualität und/oder Quantität der im Gerät oder in der Anlage auftretenden mechanischen Schwingungen gebildet.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu überwachenden Prozessparameter sind entsprechend dem technischen System zu wählen. Je nach Art des technischen Systems kommt eine Vielzahl an Größen in Frage, wie beispielsweise Drehzahl, Drehmoment, Kraft, Leistung, Arbeit, Druck, Weglänge, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Temperatur, Volumen, Volumenstrom und Strömungsgeschwindigkeit. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zustands- und Prozessüberwachung eines technischen Systems ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert, beispielsweise dadurch, dass das erfindungsgemäße Verfahren als Software-Programm in der Firmware der Vorrichtung gespeichert ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Wertebereiche der Prozessparameter und die Anzahl der Intervalle der Wertebereiche der Prozessparameter jeweils einstellbar. Hierdurch ist es einer bedienenden Person möglich, diese das erfindungsgemäße Verfahren beeinflussenden Größen nachträglich zu verändern, um die Vorrichtung beispielsweise an sich verändernde technische Systeme anpassen zu kön- nen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt durch ein modular aufgebautes Online-Überwachungssystem gebildet, welches an dem zu überwachenden Gerät oder an der zu überwachenden Anlage angeordnet wird und dort eine permanente Überwachung ermöglicht. Ein solches Überwachungssystem kann einfach und aufwandsarm an unterschiedliche zu überwachende Geräte und Anlagen angepasst werden.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nachfolgend eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben.

Die einzige Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in welchem ein Alarmkennwertfeld dargestellt ist. Das dargestellte Alarmkennwertfeld ist eine Funktion von zwei Größen, nämlich von einer Prozessvariable 1 und von einer Prozessvariable 2. Die beiden Prozessvariablen stellen Prozessparameterklassen eines technischen Systems dar. Die Prozessvariable 1 kann acht vordefinierte Prozessparameterklassen annehmen. Die Prozessvariable 2 kann sechs vordefinierte Prozessparameterklassen annehmen. Jede der Prozessparameterklassen repräsentiert ein Intervall eines Wertebereichs eines Prozess- Parameters des zu überwachenden technischen Systems. Die Prozessvariablen können beispielsweise durch eine am technischen System auftretende Drehzahl gebildet sein. Ein Wertebereich der Drehzahl von beispielsweise 0 bis 3000 Umdrehungen pro Minute ist in acht gleiche Intervalle unterteilt. Die Beschriftung der Achsen der Prozessvariablen, d. h. die Zahlen 1 bis 8 bzw. 1 bis 6 bezeichnen die Nummer des Intervalls des Wertebereichs und bilden somit die Prozessparameterklassen. Jedes Paar der Prozessparameterklassen, welches durch die jeweiligen Nummern der Prozessvariablen gebil- det ist, stellt einen Betriebspunkt des zu überwachenden technischen Systems dar. Jedem dieser Betriebspunkte ist erfindungsgemäß eine Amplitude auf einer z-Achse des Diagrams zugeordnet. Die Amplitude steht für einen Alarmkennwert, d. h. für eine Alarmschwelle, bei deren Erreichen erfin- dungsgemäß ein Alarm ausgegeben wird. Folglich werden durch das erfindungsgemäße Verfahren Alarmkennwerte benutzt, die von beiden der Prozessvariablen bzw. Prozessparameterklassen abhängig sind. Es können aber auch mehr als zwei Prozessparameter für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden, deren Prozessparameterklassen ein Parameter- klassentupel entsprechend der Anzahl der Prozessparameter bilden.