Verfahren zur überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zur überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, sowie auf eine mit einem derartigen System ausgestattete industrielle Anlage.

Bei solchen Anlagen handelt es sich z.B. um Walzenstühle aufweisende Mühlen für die Getreideverarbeitung oder um Walzwerke für die Verarbeitung von Suspensionen wie Schokolade oder Farben. Insbesondere bei Getreidemühlen, die oftmals eine Vielzahl von Walzenstühlen enthalten, die in einem entsprechend grossen Mühlengebäude untergebracht sind, können die einzelnen Walzenpaare der Walzenstühle nicht ständig von einem Müller überwacht werden. Fehlerhafte Betriebszustände, wie Trockenlaufen, Wickeln oder Riemenschlupf, kann der geübte Fachmann zwar optisch oder akustisch wahrnehmen, doch setzt dies voraus, dass er neben dem betreffenden Walzenstuhl steht und diesen sowohl sehen als auch hören kann.

Vor allem bei hoch industrialisierten und weitgehend automatisierten Anlagen, die mit geringem Personalaufwand betrieben werden, ist es wichtig, einen Grossteil der traditionell durch das Personal wahrgenommenen überwachungsfunktion durch automatisierte, möglichst "intelligente" überwachungseinheiten zu ersetzen.

Dabei hat die überwachung von Walzenstühlen in einer von Mehlstaub geprägtem Umgebung eine besondere Bedeutung, da viele fehlerhafte Betriebszustände von Walzenstühlen nicht nur Einbussen bei der Produktqualität und eine schnelle und ungleichmäs- sige Abnutzung der Walzen zur Folge hat, sondern auch aufgrund örtlicher Erhitzungen der Walzen zu Walzenstuhl-Bränden und Mehlstaub-Explosionen führen kann. Dadurch bedingte Folgekosten durch Produktionsausfall und Unfallkosten können sehr hoch sein.

Bekannte Lösungen zielen daher auf eine örtliche Temperaturüberwachung der Walzenoberflächen ab.

An sich bekannte Vibrationsüberwachungen können keine komplexe Fehlerbewertung gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur ü- berwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, derart weiterzubilden, dass nicht nur das Vorhandensein irgendeines fehlerhaften Betriebszustandes, sondern auch eine Erkennung der Art des fehlerhaften Betriebszustandes möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 9 und durch das System gemäss Anspruch 18 gelöst.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Schritte auf:

a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals; b) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen e- lektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall; c) Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht, und Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum; d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c) bestimmte Abweichung zwischen den Spektren grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen den Spektren.

Auf diese Weise wird eine Abweichung vom fehlerfreien Normalbetrieb stets möglichst gering gehalten, so dass eine möglichst einheitliche Produktqualität auch über längere Betriebszeiträume gewährleistet wird.

Vorzugsweise erfolgt die Erfassung der Vibrationen in Schritt a) mittels eines am Lager der rotierenden Walze angebrachten Beschleunigungssensors. Es können auch mehrere Beschleunigungssensoren pro Lager verwendet werden, um z.B. die Vibrationsamplituden in verschiedenen Richtungen zu erfassen. Diese mehrdimensionalen Vibrationsinformationen können dann kombiniert werden, indem man die jeweiligen Frequenzspektren bestimmt und die Gesamtheit dieser Frequenzspektren auswertet. Man kann z.B. im Bereich des linken und des rechten Lagerendes jeweils einen Beschleunigungssensor für die x-Richtung, die y-Richtung und die z-Richtung, also insgesamt sechs Beschleunigungssensoren, installieren. Alternativ kann man aber auch mit nur einem Beschleunigungssensor pro Lager ausreichend viel Information aus dem Frequenzspektrum ablesen, um typische fehlerhafte Betriebszustände identifizieren zu können.

Für einen Achtwalzenstuhl, der insgesamt acht Walzen bzw. vier Walzenpaare in einem Maschinengestell aufweist, kann man auch schon mit jeweils einem Beschleunigungssensor pro Walzenlager ausreichend viel Information gewinnen, um typische fehlerhafte Betriebszustände des Walzenstuhls identifizieren zu können.

Prinzipiell reicht es auch aus, wenn nur ein Beschleuinigungssensor pro Walzenpaar verwendet wird, d.h., vier Beschleunigungssensoren pro Achtwalzenstuhl. Damit lässt sich auf jeden Fall eine Abweichung vom Normalbetrieb des Walzenstuhls feststellen.

Um darüber hinaus auch noch eine Fehleridentifizierung mit hoher Trennschärfe zwischen möglichen unterschiedlichen Fehlern, wie z.B. Trockenlaufen, Wickeln oder Riemenschlupf, zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, mehr als nur einen Sensor pro Walzenpaar zu verwenden. Durch die an verschiedenen Stellen eines Walzenlagers (z.B. linkes und rechtes Ende) und entlang verschiedener Messrichtungen (radiale x-Richtung, radiale y-Richtung orthogonal zur x-Richtung und axiale z-Richtung orthogonal zur x- Richtung und zur y-Richtung) aufgenommen Vibrationen und die daraus bestimmten jeweiligen Frequenzspektren ermöglichen durch die Auswertung einer Kombination von

Abweichungen eine sehr gute Fehieridentifizierung. Wenn der Fehler aber identifiziert wird, kann für manche Fehler sogar eine korrigierende Massnahme (Schritt d) automatisch ausgelöst werden. Das Personal wird dann durch einen Alarm erst dann involviert, wenn diese automatische Korrekturmassnahme keine Verringerung der Abweichung, d.h. keine Annährung an den Normalbetrieb bewirkt.

Zweckmässigerweise erfolgt die Bestimmung des momentanen Frequenzspektrums in Schritt b) mittels einer Foυrier-Transformation des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die von den Beschleunigungssensoren gelieferten analogen elektrischen Schwingungssignale zunächst durch einen Analog/Digital- Wandler digitalisiert werden, um anschliessend einer diskreten Fourier-Transformation unterzogen zu werden.

Die Besorgung des Referenz-Frequenzspektrums in Schritt c) kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.

Sie kann einerseits mittels einer vor dem Betrieb durchgeführten Kalibrierung erfolgen durch Erfassen der von der rotierenden Walze in einem Normalbetrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Normalbetriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals auf dieselbe Weise wie in Schritt a) und anschliessendes Bestimmen des Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall auf dieselbe Weise wie in Schritt b).

Andererseits, wenn die industrielle Anlage eine automatisierte Anlage mit einem ihren verschiedenen Anlagenteilen übergeordneten Leitsystem ist, kann die Besorgung des Referenz-Frequenzspektrums in Schritt c) ergänzend oder alternativ auch durch das Leitsystem erfolgen.

Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der momentanen Abweichung in Schritt c) durch arithmetische Weiterverarbeitung einer Vielzahl von Amplitudendifferenzen zwischen den Amplituden des momentanen Frequenzspektrums und des Referenz- Frequenzspektrums für eine Vielzahl jeweiliger Frequenzwerte der beiden Frequenz-

spektreπ. Insbesondere können dabei zur Bestimmung der Abweichung die Beträge der Amplitudendifferenzen aufsummiert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Bestimmung der momentanen Abweichung in Schritt c) durch die Erstellung der Differenzfläche zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum. Diese Differenzfläche kann afs Funktion der Frequenzen der beiden Spektren, d.h. als "Differenzspektrum" betrachtet werden. Aus seinem Verlauf lassen sich auch Rückschlüsse auf den ihm zugrunde liegenden Betriebsfehler treffen.

Ein weiteres erfindungsgemässes Verfahren zur überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Schritte auf:

a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals; b1 ) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen e- lektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall; b2) Speichern der bestimmten momentanen Frequenzspektren, die einen Stichpro- benumfang darstellen; b3) Klassieren der gespeicherten momentanen Frequenzspektren des Stichproben- umfangs gemäss mindestens einem ausgewählten Parameter der Frequenzspektren, um die Häufigkeitsverteilung mindestens eines Parameters innerhalb des Stichprobenumfangs zu erstellen sowie den Mittelwert und ein Abweichungsmass der Parameter-Häufigkeitsverteilung zu bestimmen; d ) Klassieren jedes während des Betriebs neu bestimmten Frequenzspektrums gemäss dem mindestens einen ausgewählten momentanen Parameter; c2) Bestimmen der Abweichung des momentanen ausgewählten Parameters von dem in Schritt b3) bestimmten Mittelwert des ausgewählten Parameters; und d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c2) bestimmte Abweichung grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen dem momentanen ausgewählten Parameter und dem. Mittelwert des ausgewählten Parameters.

Die Schritte b1 ), b2) und b3) stellen einen Lernmodus dar, während dem der Betrieb erfasst und kumulativ abgespeichert wird, und somit quasi als "normaler Betriebszustand" erlernt wird. Ausgehend von diesem normalen Betriebszustand wird dann in Schritt c2) eine Abweichung bestimmt, die als Grundlage für die zu treffende Massnah- me in Schritt d) herangezogen wird.

Wenn die industrielle Anlage eine automatisierte Anlage mit einem ihren verschiedenen Anlagenteilen übergeordneten Leitsystem ist, kann auch hier die in Schritt b3) durchgeführte Klassierung und Erstellung der Häufigkeitsverteilung mit Mittelwert und Abwei- chungsmass vor dem aktuellen Betrieb der Anlage erfolgen, in dem Leitsystem abgespeichert werden und von diesem für den aktuellen Betrieb bereitgestellt werden.

Ein der Parameter-Häufigkeitsverteilung zugrunde liegender Gesamt-Stichprobenum- fang kann einen ersten Teil-Stichprobenumfang sowie einen zweiten Teil-Stichproben- umfang aufweisen. Dabei wird der erste Teil-Stichprobenumfang vor dem aktuellen Betrieb der Anlage erfasst und abgespeichert, und der zweite Teil-Stichprobenumfang wird während des aktuellen Betriebs der Anlage erfasst und ggf. abgespeichert. Der erste Teil-Stichprobenumfang stammt z.B. aus dem Repertoire eines übergeordneten Leitsystems, während der zweite Teil-Stichprobenumfang z.B. aus dem Lernbetrieb stammt.

Die in Schritt d) ausgelöste Massnahme kann die Abgabe eines optischen und/oder a- kustischen Alarmsignals sein. Die Abschaltung zumindest eines Teils der Anlage kann erfolgen, wenn die bestimmte Abweichung grösser ist als eine geduldete Maximal- Abweichung, die grösser als die Grenz-Abweichung ist, wobei die Maximal-Abweichung vorzugsweise zwischen dem 1 ,5-fachen und dem 5-fachen der Grenz-Abweichung liegt.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Verfahren erfolgt eine Klassierung der Spektren nach mehreren Parametern, und zwar durch:

b3) Klassieren der gespeicherten momentanen Frequenzspektren des Stichproben- umfangs gemäss mehrerer ausgewählter Parameter der Frequenzspektren, um die Häufigkeitsverteilung jedes dieser Parameter innerhalb jedes Stichprobenum-

fangs zu erstellen sowie den Mittelwert und ein Abweichungsmass der jeweiligen Parameter-Häufigkeitsverteilung zu bestimmen; d) Klassieren jedes während des Betriebs neu bestimmten Frequenzspektrums ge- mäss jedem der ausgewählten momentanen Parameter; c2) Bestimmen der jeweiligen Abweichung des jeweiligen momentanen ausgewählten Parameters von dem in Schritt d ) bestimmten Mittelwert des jeweiligen ausgewählten Parameters; und d) Auslösen einer Massnahme, falls mindestens eine der in Schritt c2) bestimmten jeweiligen Abweichungen grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen dem momentanen ausgewählten jeweiligen Parameter und dem Mittelwert des jeweiligen ausgewählten Parameters.

Durch die Heranziehung mehrerer Parameter und die Auswertung ihrer jeweiligen Abweichungen kann eine mehrdimensionale Fehleridentifizierung erfolgen, bei der jedem Fehler mehrere typische Abweichungen der jeweiligen Parameter zugeordnet werden können, um durch das mehrdimensionale Parameter-Abweichungsmuster besser identifiziert werden zu können.

Vorzugsweise bilden die in Schritt c2) bestimmten mehreren jeweiligen Abweichungen eine momentane Parameter-Abweichungskombination und werden mit zuvor bestimmten, für gewisse fehlerhafte Betriebszustände der Anlage charakteristischen Abweichungskombinationen verglichen, wobei als fehlerhafter Betriebszustand derjenige fehlerhafte Betriebszustand identifiziert wird, für den eine beste übereinstimmung zwischen der momentanen Parameter-Abweichungskombination und seiner charakteristischen Abweichungskombination besteht.

Zweckmässigerweise werden dann bei Identifizierung eines fehlerhaften Betriebszustandes (Ist-Betriebszustand) in Schritt d) spezifische Massnahmen getroffen, die das Ausmass des identifizierten fehlerhaften Betriebszustands verringern und den fehlerhaften Betriebszustand näher an den Normal-Betriebszustand (Soll-Betriebszustand) heranführen.

Ein erfindungsgemässes System zur überwachung des Betriebszustandes rotierender

Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Elemente auf:

> Vibration-Erfassungsmittel zum Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals;

> Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel zum Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall;

> Vergleichsmittel zum Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht;

> Abweichung-Bestimmungsmittel zum Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz- Frequenzspektrum;

> Betätigungsmittel zum Auslösen einer Massnahme in der industriellen Anlage.

Vorzugsweise weist das Vibration-Erfassungsmittel einen am Lager der rotierenden Walze angebrachten Beschleunigungssensor auf. Es können auch mehrere derartige Sensoren an diesem Lager oder in seiner unmittelbareren Nähe derart angebracht sein, dass sie vorzugsweise Amplituden von Vibrationsbewegungen in verschiedenen Richtungen aufnehmen können, wie z.B. in zwei zueinander orthogonalen Richtungen (x- Richtung und y-Richtung) und jeweils orthogonal zur Axialrichtung (z-Richtung) der Welle. Dies ermöglicht eine differenzierte Informationserfassung als Grundlage für eine treffsichere Fehleridentifizierung.

Das Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel kann einen Rechner zur Durchführung einer Fourier-Transformation aufweisen. Ebenso können das Vergleichsmittel und das Abweichung-Bestimmungsmittel einen Rechner aufweisen. Vorzugsweise werden aber das Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel, das Vergleichsmittel sowie das Abweichung-Bestimmungsmittel auf ein und demselben Rechner implementiert.

Vorzugsweise ist das erfindungsgemässe System in dem Leitsystem einer automatisier-

ten industriellen Anlage integrierbar. Dies ermöglicht eine kostengünstige Nachrüstung vorhandener industrieller Anlagen mit dem erfindungsgemässen System.

Bei Mühlenanlagen, die eine Vielzahl von Walzenstühlen enthalten, wird das erfin- dungsgemässe System im Innern eines jeweiligen Walzenstuhls angebracht, wobei darauf geachtet wird, dass alle Kabel zwischen den einzelnen Beschleunigungssensoren und einer elektronischen Verarbeitungseinheit bzw. einem Rechner möglichst kurz verkabelt sind. Am besten erreicht man dies, wenn man vorzugsweise den Rechner möglichst zentral in den einzelnen Walzenstühlen anordnet, so dass alle Signalkabel zwischen den einzelnen Sensoren und dem Rechner im wesentlichen dieselbe Länge haben.

Zweckmässigerweise ist in der mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthaltenden industriellen Anlage mindestens ein System gemäss einem der vorhergehenden Absätze angeordnet, das der mindestens einen oder den mehreren rotierenden Walzen jeweils zugeordnet ist. Somit können Fehler bei jeder rotierenden Walze unabhängig voneinander festgestellt und ggf. identifiziert werden.

Vorzugsweise weist die industrielle Anlage mindestens einen überwachungsbildschirm auf, welcher der mindestens einen rotierenden Walze zugeordnet ist und deren Betriebszustand anzeigen kann. Somit kann das Betriebspersonal sich einen schnellen überblick über den Betriebszustand jeder einzelnen, mindestens eine rotierende Walze aufweisenden Anlageneinheit verschaffen.

Vorteilhaft ist es, wenn bei einer mehrere rotierende Walzen und mehrere erfindungs- gemässe Systeme aufweisenden industriellen Anlage die einzelnen Systeme miteinander und mit einer überwachungszentrale vernetzt sind, wobei eine drahtlose Vernetzung der einzelnen Systeme mit der überwachungszentrale besonders vorteilhaft ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung nicht einschränkend aufzufassender Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung anhand einer Walzenstuhl-überwachung zeigt;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Algorithmus ist; und

Fig. 3 eine Online-Klassifikation bei einem Walzenstuhl in einer Mühle zeigt.

In Fig. 1 ist das Funktionsprinzip der Erfindung schematisch dargestellt. über.zwei Sensoren 1 , 2. die im Innern einer Maschine (Walzenstuhl) M im Bereich der Lager 3, 4 zweier Walzen 5, 6 angeordnet sind, werden Vibrationen der Maschine M erfasst. Diese Vibrationen erfahren bei Schritt S1 eine Signalverarbeitung (Analog/Digital-Wandlung und Fourier-Transformation), um aus dem Signal im Zeitraum (zeitliches Vibrationssignal) ein Signal im Frequenzraum zu erzeugen (Frequenzspektrum: relative Amplituden als Funktion der Frequenz in Hz). Dieses Frequenzspektrum enthält Information, die für die Art der Maschine, deren Normalbetrieb oder Nicht-Normalbetrieb kennzeichnend ist. Diese Spektren können klassifiziert werden, und ausserhalb des Normalbereichs liegende Spektren deuten auf eine Fehlfunktion hin.

Aus dem Klassifikationsmuster wird bei Schritt S2 Information gewonnen, mit der bei Schritt S3 eine Beurteilung des Betriebszustandes erfolgt, Zumindest wird eine Entscheidung Normalbetrieb oder fehlerhafter Betrieb getroffen, um die Maschine M weiterlaufen zu lassen oder abzustellen. Dies kann unter Mitwirkung einer Bedienperson oder vollautomatisch erfolgen.

!n Fig. 2 ist ein Algorithmus schematisch dargestellt, der bei der Erfindung verwendet werden kann. Auf der linken Seite ist ein Referenz-Frequenzspektrum dargestellt, das für den fehlerfreien Normalbetrieb der Maschine repräsentativ ist ("Fingerabdruck" für Normalbetrieb, Sammlung von Spektrum-"Prototypen"). Auf der rechten Seite ist schematisch dargestellt, wie eine Abweichung zwischen einem momentanen Frequenzspektrum ("Neues Spektrum") und dem Referenz-Frequenzspektrum über ein Unähn- lichkeitsmass bestimmt wird. Wenn die Abweichung bzw. das Unähnlichkeitsmass um mehr als eine Grenzabweichung δd nach oben oder nach unten abweicht, wird dies als

fehlerhafter Betrieb gewertet Ein Alarm oder eine Gegenmassnahme werden ausgelöst. Dadurch ist eine überwachung der Maschine M (siehe Fig. 1) gewährleistet.

In Fig. 3 ist eine Online-Klassifikation für einen Walzenstuhl einer Mühle dargestellt. Sobald die Abweichung δd der Klassifizierungen einen normierten Grenzwert überschreitet, wird dies als Beginn eines fehlerhaften Betriebs gewertet. In Fig. 3 werden ab einem Zeitpunkt 1400 diverse Fehler aufgrund einer Abweichung δd erkannt, die einen normierten Grenzwert überschreitet.

Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von Beschleunigungssensoren beschränkt. Die Vibrationen können auch über Dehnungssensoren, wie z.B. piezoelektrische Materialien oder Widerstandsstreifen, erfasst werden. Die Abweichung zwischen Referenz-Frequenzspektrum und momentanem ^• Frequenzspektrum kann auch durch Vergleich statistischer Parameter wie Mittelwert und Standardabweichung erfolgen.