Verfahren und System zur Zustandsüberwachung einer techni schen Einheit

Eine Zustandsüberwachung einer technischen Einheit zielt da rauf ab, die Beschaffenheit von einzelnen Komponenten bis hin zu gesamten Antriebssträngen und Anlagen zu beurteilen, um Stillstandzeiten zu vermeiden, Instandhaltungen zu planen und damit Kosten zu senken. Dazu kann es sinnvoll sein, mögliche schädliche Frequenzen im Betriebszustand einer Komponente bzw. eines Antriebsstrangs zu erkennen bzw. zu bestimmen. In Kenntnis dieser Schadfrequenzen - aber auch anderer Messpa rameter - können Messstellen für eine Sensorik definiert wer den und in einem Zustandsüberwachungs-System konfiguriert werden, um Messdaten der Komponente und/oder Anlage zu erfas sen. Für die erhaltenen Messdaten werden Berechnungsalgorith men definiert und konfiguriert, um daraus beispielsweise In formationen über Erreger- und/oder Schadfrequenzen zu erhal ten. Diese Frequenzen und daraus berechnete Indikatoren wie KPIs (Key Performance Indicators) können dann überwacht wer den, um bei auftretenden Veränderungen mögliche entstehende Schäden an den der technischen Einheit und den einzelnen Kom ponenten frühzeitig zu erkennen. Diese verschiedenen Schritte in einer Analysekette erfordern ein sehr hohes Maß an Exper- ten-Know-how und sind zudem in mathematischer Hinsicht kom plex und zeitintensiv . Wird nach erfolgreicher Inbetriebnahme einer solchen Zustandsüberwachung ein Alarm gemeldet, ist es erforderlich, einen Experten zu Rate zu ziehen, um den detek- tierten Fehler an einer Komponente und/oder Anlage zu identi fizieren, da bisher eine automatisierte Fehlererkennung keine annehmbaren Resultate liefert.

Es ist somit bisher ein Experte mit einem entsprechenden Ex pertenwissen im Bereich der Zustandsüberwachung erforderlich, um die Überwachung einer technischen Einheit wie einer In dustrieanlage durchzuführen. In der EP 3 015 936 Al wird ein elektromechanisches System mit mindestens einer mechanischen Komponente und mindestens einem elektrischen Sensor zum Erfassen von Messdaten be schrieben. Die Daten werden analysiert, um einen aktuellen Fehlermodus und eine ausgewählte Reparaturaktion zu bestim men, wobei der aktuelle Fehlermodus aus mehreren Fehlermodi von historischen Daten ausgewählt wird.

In der DE 102 45 953 Al wird ein Verfahren und eine Überwa chungsanlage zum zentralen Überwachen einer Mehrzahl von durch Rechner gesteuerten Anlagen beschrieben. Den Anlagen ist jeweils ein vernetzter Service- und Informations-Server zugeordnet, der über ein öffentliches Kommunikationsnetz mit einem Zentralserver verbunden ist, wobei der jeweilige Ser vice- und Informations-Server eine ermittelte Alarmsituatio nen als codierte, maschinenlesbare Alarmmeldung an den Zent ralserver versendet und dieser dieselbe an ein Empfangsgerät eines Servicetechnikers weiterleitet.

Die DE 20 2016 008397 Ul beschreibt ein System zur computer unterstützten Prognose zukünftiger Betriebszustände von Ma schinenkomponenten. Für die jeweils betrachtete Maschinenkom ponente wird mindestens ein Parameter ausgewählt, der für den Zustand der Maschinenkomponente repräsentativ ist. Der Para meter wird im laufenden Einsatz der Maschinenkomponente als Messwert erfasst. Der erfasste Messwert wird unter Berück sichtigung des Anwendungsfalls, bei dem die Maschinenkompo nente zum Einsatz kommt, in einen automatisch ablaufenden Prozess zum Auffinden einer Handlungsempfehlung eingespeist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und ein System für eine Zustandsüberwachung ei ner technischen Einheit und ihrer Komponenten zu schaffen, das sich durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet und da bei weniger komplex und zeitintensiv ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, und hinsichtlich eines Sys- tems durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen bevorzugte Ausge staltungen der Erfindung.

Gemäß eines ersten Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfah ren zur Zustandsüberwachung einer technischen Einheit mit ein oder mehreren Komponenten umfassend:

- Bestimmen von Parametern der technischen Einheit und/oder ihrer Komponenten, die einen Einfluss auf den Zustand der technischen Einheit und/oder ihrer Komponenten haben;

- Festlegen der Messstellen bei einer technischen Einheit und/oder ihrer Komponenten zur Anbrin gung von Sensoren für die Aufnahme von Messda ten;

- Auswählen von geeigneten Berechnungsalgorithmen für die bestimmten Parameter und Erstellen einer Softwareapplikation;

Implementieren der Softwareapplikation in einem Datenverarbeitungsmodul der technischen Einheit und/oder ihrer Komponenten und/oder einer exter nen Einheit, insbesondere in einer Cloud- Computing-Umgebung;

- Überwachen der technischen Einheit und/oder ih rer Komponenten mit den Sensoren;

- Weitergeben der Messdaten der Sensoren an das Datenverarbeitungsmodul, wo sie von der Soft wareapplikation verarbeitet werden;

- Ausgeben einer Fehler- oder Alarmmeldung, wenn die Softwareapplikation einen Fehler anhand der verarbeiteten Messdaten erkennt; und

- Ausgeben einer Handlungsempfehlung auf Basis der erkannten Fehler und der Korrelation der erfass ten und verarbeiteten Daten.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist eine Benutzerschnittstelle zum Erstellen der Software applikation vorgesehen. Vorteilhafterweise kann ein graphisches Modell der techni schen Einheit und/oder ihrer Komponenten erstellt werden.

In einer bevorzugten Weiterentwicklung ist eine Datenbank vorgesehen, in der Daten hinsichtlich der Eigenschaften und der Parameter der technischen Einheit und ihrer Komponenten sowie deren Verknüpfung gespeichert sind oder in die diese Daten importiert werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung ist bei dem Verfahren eine gespeicherte Bibliothek vorgesehen, die Messstellen für Sen soren an der technischen Einheit und/oder der Komponenten, Berechnungsalgorithmen für die Parameter und Betriebszustände der technischen Einheit und ihrer Komponenten enthält.

Vorteilhafterweise können die Sensoren physikalische und/oder chemische und/oder biologische Messgrößen erfassen.

In einer weiteren Ausgestaltung kann es sich bei den Berech nungsalgorithmen um logische Verknüpfungen, differenziale Ab leitungen, Filterverfahren, Hüllenverfahren, Fast Fourier Transformationen, Integralrechnungen und dergleichen handeln.

Gemäß eines zweiten Aspekts betrifft die Erfindung ein System zur Zustandsüberwachung einer technischen Einheit mit ein oder mehreren Komponenten, wobei das System ausgebildet ist, Parameter der technischen Einheit und/oder ihrer Komponenten, die einen Einfluss auf den Zustand der technischen Einheit und/oder ihrer Komponenten haben, zu bestimmen; Messstellen bei einer technischen Einheit und/oder ihrer Komponenten zur Anbringung bzw. zum Vorsehen von Sensoren für die Aufnahme von Messdaten festzulegen; geeignete Berechnungsalgorithmen für die bestimmten Parameter auszuwählen und eine Software applikation zu erstellen; die erstellte Softwareapplikation in einem Datenverarbeitungsmodul der technischen Einheit und/oder ihrer Komponenten und/oder einer externen Einheit, insbesondere einer Cloud-Computing-Umgebung, zu implementie ren; die technische Einheit und/oder ihrer Komponenten mit den Sensoren zu überwachen; Messdaten der Sensoren an das Datenverarbeitungsmodul weiterzugeben, wo sie von der Soft wareapplikation verarbeitet werden; und eine Fehler- oder Alarmmeldung auszugeben, falls die Softwareapplikation anhand der verarbeiteten Messdaten einen Fehler oder Alarm erkannt hat. Auf Basis der erkannten Fehler und der Korrelation der erfassten und verarbeiteten Daten ist das System ausgebildet, eine Handlungsempfehlung auszugeben.

In einer Weiterentwicklung des Systems ist eine Benutzer schnittstelle zum Erstellen der Softwareapplikation vorgese hen .

Vorteilhafterweise umfasst das System ein graphisches Modell der technischen Einheit und/oder ihrer Komponenten.

In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Datenbank vorgese hen, in der Daten hinsichtlich der Eigenschaften und Parame ter der technischen Einheit und ihrer Komponenten und ihrer Verknüpfung gespeichert sind oder in die diese Daten aus ei ner Product Lifecycle Software (PLM) importiert werden kön nen .

Vorteilhaftweise ist eine in einem Datenspeicher gespeicherte Bibliothek vorgesehen, die Messstellen für Sensoren an der technischen Einheit und/oder der Komponenten, Berechnungsal gorithmen für die Parameter und Betriebszustände der techni schen Einheit und ihrer Komponenten enthält.

Vorteilhafterweise sind die Sensoren ausgebildet, physikali sche und/oder chemische und/oder biologische Messgrößen zu erfassen .

In einer weiteren Ausgestaltung kann es sich bei den Berech nungsalgorithmen um logische Verknüpfungen, differenziale Ab leitungen, Filterverfahren, Hüllenverfahren, Fast Fourier Transformationen, Integralrechnungen und dergleichen handeln. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Benutzer schnittstelle zur Erstellung einer erfindungsgemäßen Soft wareapplikation zur Überwachung des Zustands einer techni schen Einheit und/oder ihrer Komponenten;

Figur 2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der einzelnen Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zusätzliche Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung oder ihrer Ausführungsbeispiele werden durch die ausführliche Be schreibung in Verbindung mit den Ansprüchen ersichtlich.

Fig. 1 zeigt eine Benutzerschnittstelle 10 (User Interface) für einen Benutzer zum Erstellen einer Softwareapplikation eines Zustandsüberwachungs-Systems 100. Die Benutzerschnitt stelle 10 umfasst einen Editor 20, mit dem ein digitaler Zwilling einer technischen Einheit 30 dargestellt werden kann. Bei der technischen Einheit 30 kann es sich beispiels weise um einen Motor handeln, der aus verschiedenen Komponen ten 32, 34, 36, 38 besteht. Es kann sich aber auch z. B. um einen Antriebsstrang einer Industrieanlage handeln.

Der Editor 20 kann verschiedene Elemente 21, 22, 23, 24, 25, enthalten, die Editier-Funktionen wie das Herunterladen eines Bildes aus einer Bilddatei, das Bearbeiten eines Bildes durch Drehen, Verkleinern, Ausschneiden etc., das Abspeichern des Bildes und weitere Funktionalitäten beinhalten. Des Weiteren kann auf eine Datenbank 40 zurückgegriffen werden, die Eigen schaften 42 und Parameter 44 der gesamten technischen Einheit 30 und der Komponenten 32, 34, 36, 38 enthält. Zu den Parame tern 44 können beispielsweise Drehzahlfrequenzen und Schad frequenzen bei einem Motor gehören oder auch das Drehmoment des Motors bei einer bestimmten Geschwindigkeit. Es sind so- mit Wechselbeziehungen zwischen verschiedenen Parametern 44 einer technischen Einheit 30 darstellbar. Bei komplexen tech nischen Einheiten 30, wie beispielsweise einem Motor, können somit die einzelnen Komponenten 32, 34, 36, 38 mit ihren mög lichen Erregerfrequenzen erfasst werden.

Des Weiteren können aus der Datenbank 40 graphische Bilder 46 der technischen Einheit 30 und ihrer Komponenten 32, 34, 36, 38 heruntergeladen werden, beispielsweise von einem Lager ei nes Getriebes oder einem Antriebsstrang, so dass ein graphi sches Modell der technischen Einheit 30 erstellt werden kann.

Ist die technischen Einheit 30 mit ihren Komponenten 32, 34, 36, 38 in der Datenbank 40 nicht erfasst, so kann der Benut zer die jeweilige technischen Einheit 30 und der Komponenten 32, 34, 36, 38 in der Datenbank 40 aufnehmen.

Für jede technische Einheit 30 und ihrer Komponenten 32, 34, 36, 38 sind somit Informationen bzw. Daten hinsichtlich ihrer Eigenschaften 42, ihrer Parameter 44 und wie diese Parameter miteinander verknüpft sind, in der Datenbank 40 gespeichert. Des Weiteren ist eine Bibliothek 50 vorgesehen, die Messstel len 52 für Sensoren an der technischen Einheit 30 und/oder der Komponenten 32, 34, 36, 38, Berechnungsalgorithmen 54 für Parameter 44 und Betriebszustände 56 der technischen Einheit 30 und ihrer Komponenten 32, 34, 36, 38 enthält. Bei den Sen soren kann es sich beispielsweise um Drucksensoren, Piezo- sensoren, Drehzahlsensoren und/oder Temperatursensoren han deln. Bei den Berechnungsalgorithmen 54 kann es sich um logi sche Verknüpfungen, differenziale Ableitungen, Filterverfah ren, Hüllenverfahren, Fast Fourier Transformation, Integral rechnung und dergleichen handeln.

Aus den Einzelkomponenten 32, 34, 36, 38 kann ein Nutzer ein graphisches Modell der technischen Gesamteinheit 30 zusammen setzen und designen. Er kann dabei die passenden Komponenten 32, 34, 36, 38 auswählen und die Komponenteneigenschaften 42 aus der Datenbank 40 hinzufügen. Es ist auch möglich, in ei- ner späteren Phase weitere technische Komponenten hinzuzufü gen .

Der Benutzer erhält somit eine Übersicht über aller verfügba ren Messstellen 52, Berechnungsmethoden bzw. Berechnungsalgo rithmen 54 und Betriebszustände 56 und kann daraus eine Soft wareapplikation für die Überwachung der technischen Einheit 30 und ihrer Komponenten 32, 34, 46, 38 erstellen.

Darüber hinaus können Editoren-Rechte vergeben werden, so dass nur ein berechtigter Experte bzw. Nutzer die Software applikation erweitern und editieren kann.

Sobald alle Komponenten 32, 34, 36, 38 mit ihren Eigenschaf ten 42 in der Datenbank 40 eingepflegt worden sind, wird die erstellte technische Einheit 30 mit einem Dateinamen versehen und in der Datenbank 40 abgespeichert.

Der Benutzer und weitere Benutzer mit entsprechenden Rechten können erstellte und gespeicherte technische Einheiten 30 einsehen und diese dazu verwenden, ein Zustandsüberwachungs- Projekt zu erstellen. Besteht eine solche zusammengesetzte komplexe technische Einheit 30 aus bereits vorbekannten Ein heiten 30, so können die in der Datenbank 40 abgespeicherten graphischen Modelle automatisch miteinander verknüpft werden, um daraus eine neue Softwareapplikation bestehend aus einer Verkettung von bekannten Softwareapplikationen zu erstellen. Damit können in einfacher Weise komplexe technische Einheiten 30 bestehend aus einer Vielzahl von Sub-Einheiten 30 darge stellt und für sie graphische Modelle und Softwareapplikatio nen entwickelt werden.

Ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer technischen Ein heit 30 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst daher die folgenden Schritte:

In einem Schritt S10 werden Parameter 44 einer technischen Einheit 30 und/oder ihrer Komponenten 32, 34, 36, 38, die einen Einfluss auf den Zustand der technischen Einheit 30 und/oder ihrer Komponenten 32, 34, 36, 38 haben, bestimmt bzw. ermittelt. Hierbei kann es sich bei einem Motor bei spielsweise um die Erreger- und/oder Schadfrequenzen handeln.

In einem Schritt S20 werden Messstellen 52 bei einer techni schen Einheit 30 und/oder ihrer Komponenten 32, 34, 36, 38 zur Anbringung von Sensoren für die Aufnahme von Messdaten festgelegt .

In einem Schritt S30 werden für die bestimmten Parameter 44 geeignete Berechnungsalgorithmen 54 ausgewählt und daraus wird eine Softwareapplikation erstellt.

In einem Schritt S40 wird die erstellte Softwareapplikation in einem Datenverarbeitungsmodul der technischen Einheit 30 und/oder ihrer Komponenten 32, 34, 36, 38 und/oder einer ex ternen Einheit wie einer Cloud-Computing-Umgebung implemen tiert .

In einem Schritt S50 wird die technischen Einheit 30 und/oder ihre Komponenten 32, 34, 36, 38 mit den an den Messstellen angebrachten Sensoren überwacht.

In einem Schritt S60 werden die Messdaten der Sensoren an ein Datenverarbeitungsmodul weitergegeben, das die erstellte Softwareapplikation zur Verarbeitung der Messdaten ausführt. In einem Schritt S70 wird eine Fehler- oder Alarmmeldung aus gegeben, wenn die Softwareapplikation einen Fehler erkannt hat .

In einem Schritt S80 wird eine Handlungsempfehlung auf Basis der erkannten Fehler und der Korrelation der erfassten und verarbeiteten Daten ausgegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Zustandsüberwa chung einer technischen Einheit bezüglich Komplexität und Zeitaufwand erheblich vereinfacht werden. Eine Softwareapplikation einer technischen Einheit 30 bein haltet die gesamten technischen Daten für ein Zustandsüberwa- chungs-Proj ekt, so dass eine automatische Zustandsüberwachung durchgeführt werden kann. Nach Erstellung der Softwareappli kation, die vorzugsweise ein graphisches Modell der techni schen Einheit 30 enthält, kann diese direkt beispielsweise aus einer Cloud-Computing-Umgebung auf die technische Einheit 30 und/oder ein anderes Endgerät transferiert werden. Dann kann mit der konfigurierten Zustandsüberwachung begonnen wer den .

Aus dem graphischen Modell und der Softwareapplikation der technischen Einheit 30 können zentral alle, für eine Auswer tung benötigten Informationen errechnet werden. Im Fehlerfall kann durch Auswertung aller verfügbaren Informationen aus er fassten und berechneten Daten sowie deren Korrelation unter einander eine automatische Beurteilung und Handlungsempfeh lung abgeleitet werden.

Darüber hinaus können technische Einheiten 30 und Komponenten 32, 34, 36, 38 zwischen Nutzern und Nutzergruppen ausge tauscht werden, die Zugang zu dieser Softwareapplikation ha ben. Dadurch kann die Erstellung von Zustandsüberwachungs- Projekten weiter vereinfacht werden, da auf einen Pool von bereits erstellten Softwareapplikationen für eine beliebige Anzahl von technischen Einheiten 30 zurückgegriffen werden kann .

Für Komponenten 32, 34, 36, 38, die Drehbewegungen ausführen, wie beispielsweise ein Lager, wird eine automatische Berech nung und Überwachung von kritischen Schadfrequenzen ermög licht. Dadurch kann eine regelbasierte Fehlererkennung mit Handlungsanweisungen, abhängig von den jeweiligen Schadfre quenzen, durchgeführt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit eine Software applikation einer technischen Einheit 30 auf Basis von digi talen Zwillingen der Komponenten 32, 34, 36, 38 der techni- sehen Einheit 30 automatisch erstellt werden, die vorzugs weise das auch eine graphische Modellieren der technischen Einheit 30 mitumfasst. Durch die logische Verknüpfung der Komponenten 32, 34, 36, 38 mit Informationen zu Eigenschaften 42 wie beispielsweise mechanischen Dimensionen und Parametern 44 wie beispielweise Erregerfrequenzen können Berechnungs algorithmen 54 ausgewählt werden. Eine Zustandsüberwachung der technischen Einheit 30 und ihrer Komponenten 32, 34, 36, 38 wird von der Softwareapplikation durchgeführt, indem Mess daten von Sensoren, beispielsweise mit Sollwerten, die sich aufgrund der bestimmten Parameter und Berechnungsalgorithmen ergeben, verglichen werden.

Somit kann ein vollständiges Zustandsüberwachungsprojekt er stellt und der technische Zustand einer technischen Einheit 30, wie beispielsweise ein Antriebsstrang oder eine einzelne Komponenten 32, 34, 36, 38, überwacht und hinsichtlich ihres Betriebszustandes automatisch beurteilt werden. Damit kann eine Handlungsempfehlung ausgegeben werden, wie mit einer er kannten Fehlersituation umgegangen werden kann.