DD236242A3

DD236242A3 - Verfahren und schaltungsanordnung zur fehlerfrueherkennung an kraft- und arbeitsmaschinen

Info

Publication number: DD236242A3
Application number: DD26362084A
Authority: DD
Inventors: Alexander Grabner; Guenther Hessel; Axel Pohl; Klaus Gehrmann; Bernd Gross; Georg Kubon
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1984-05-31
Filing date: 1984-05-31
Publication date: 1986-06-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Fehlerfrueherkennung an Kraft- und Arbeitsmaschinen mit Kolbenbewegung und aehnlichen zyklisch arbeitenden Systemen durch Ueberwachung des technischen Zustandes. Es ist das Ziel der Erfindung, zur Fehlerfrueherkennung an Kraft- und Arbeitsmaschinen mit Kolbenbewegung ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, die kontinuierlich ueber eine laengere Betriebszeit fuer im Normalbetrieb arbeitende Maschinen einsetzbar sind, die automatisch arbeiten und mit Hilfe der Mustererkennung eine Zustandsklassifikation durchfuehren und entstehende Fehler auf vorgegebenem Vertrauensniveau automatisch signalisieren koennen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus den von der Maschine abnehmbaren Signalen Merkmalsvektoren zu ermitteln, um mit Hilfe der Mustererkennung den technischen Zustand der Maschine oder der Anlage zu beschreiben. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe fuer das Verfahren dadurch geloest, dass maschinentaktgebunden waehrend des normalen Betriebes aus den stochastischen Signalen mittels statistischer Signalverarbeitung Merkmalsvektoren extrahiert werden, mit deren Hilfe durch Anwendung von Mustererkennungsverfahren die Klassifikation des Maschinenzustandes vorgenommen wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Fehlerfrüherkennung an Kraft- und Arbeitsmaschinen mit Kolbenbewegung und ähnlichen zyklisch arbeitenden Systemen durch Überwachung des technischen Zustandes. Die Anwendung der Erfindungen ist dort gegeben, wo Meßgrößen zur Verfugung stehen, deren Schwankungscharakter in der Amplitude oder Zeit mit dem Zustand der Systeme oder einzelner Komponenten im Zusammenhang stehen und wo ein von dem zyklischen Prozeß abgeleitetes Taktsignal vorhanden ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bereits ein Verfahren zur Überwachung des Verschleißgrades und damit zur Fehlerfrüherkennung bekannt, das auf der meist diskontinuierlichen Analyse des Schmiermittels beruht, in dem Menge und Materialart der abgeriebenen Teilchen untersucht werden (DD-PS 129 487).

Mit diesem nicht automatisch arbeitenden Verfahren sind keine Wahrscheinlichkeitsaussagen über entstehende Fehler möglich.

Das Verfahren gestattet keinen kontinuierlichen Einsatz über eine längere Betriebszeit und keine Anwendung selbstlernender Mustererkennungsverfahren zur Zustandsklassifikation.

Es ist auch ein Verfahren bekannt, mit dem eine allgemeine Schall- und Vibrationsüberwachung der Maschinen oder eine Überwachung von periodisch mit dem Arbeitszyklus auftretenden Maximalwerten, wie Druck im Zylinderinnenraum, durchgeführt wird (EP-PS 0 031 800). Es werden Warnsignale abgegeben, wenn die Pegel ausgewählter Signale vorgegebene Grenzwerte überschreiten. Dieses nicht für den Normalbetrieb arbeitende Maschinen geeignete Verfahren gestattet keine Wahrscheinlichkeitsaussagen über entstehende Fehler, arbeitet nicht automatisch und nicht kontinuierlich über eine längere Betriebszeit.

Speziell für Dieselmotoren ist aus DE-OS 2 952 580 ein Klopfgeräuschdetektor bekannt, der mit Hilfe eines auf die beim Klopfbeginn auftretende Vibrationsfrequenz abgestimmten Beschleunigungsaufnehmers, diesen unerwünschten Prozeß nachweist. Auch diese Lösung gestattet keine Wahrscheinlichkeitsaussagen über entstehende Fehler und keine Anwendung von Mustererkennungsverfahren zur Zustandsklassifikation.

Weiterhin ist eine Einrichtung zur Funktionsprüfung von Ventilen von Kolbenmaschinen bekannt, die bei fremdgetriebener Maschine die metallischen Geräusche, die bei der Ventilarbeit entstehen, auf ihre Amplitudenwerte in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel prüft (EP-PS 0 031 806). Diese Einrichtung ist nicht kontinuierlich über eine längere Betriebszeit und nicht für im Normalbetrieb arbeitende Maschinen einsetzbar. Außerdem gestattet sie keine Zustandsklassifikation durch Mustererkennungsverfahren. Es ist schon ein

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Gerät zur Fehlerbestimmung an Komponenten von Hubschraubern bekannt, das mit einem Monitor arbeitet und eine Verfügbarkeitsvorhersage gestattet (WO 82/00886). Dieses Gerät ist ein Analogsignalmonitor und arbeitet nur im off-line-Betrieb und ohne automatischen Klassifikator.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, zur Fehlerfrüherkennung an Kraft- und Arbeitsmaschinen mit Kolbenbewegung ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, die kontinuierlich über eine längere Betriebszeit für im Normalbetrieb arbeitende Maschinen einsetzbar sind, die automatisch arbeiten und mit Hilfe der Mustererkennung eine Zustandsklassifikation durchführen und entstehende Fehler auf vorgegebenem Vertrauensniveau automatisch signalisieren können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus den von der Maschine abnehmbaren Signalen Merkmalsvektoren zu ermitteln, um mit Hilfe der Mustererkennung den technischen Zustand der Maschine oder der Anlage zu beschreiben. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für das Verfahren dadurch gelöst, daß maschinentaktgebunden während des normalen Betriebes aus den stochastischen Signalen mittels statistischer Signalverarbeitung Merkmalsvektoren extrahiert werden, mit deren Hilfe durch Anwendung von Mustererkennungsverfahren die Klassifikation des Maschinenzustandes vorgenommen wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn Schallemissions- und Körperschallsignale erfaßt und die digitalisierten, gespeicherten Zeitfunktionsrealisierungen in einem Speicher abgelegt werden, in dessen ersten Kanal ein konstanter Wert addiert wird.

Die weitere Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die statistische Signalverarbeitung mittels der Korrelationsanalyse vorgenommen wird und daß die Komponenten von Merkmalsvektoren durch abschnittsweise Integration der gemittelten Korrelationsfunktion ermittelt werden. Der Normalzustand der Maschinen wird aus der mehrdimensionalen Verteilung der Merkmalsvektoren durch Belehrung im Neuzustand mit Hilfe parameterfreier Schätzverfahren ermittelt. Die Merkmalsvektoren werden sowohl von den Mittelwerten als auch von den Streuungen der Merkmale gebildet. Der technische Zustand und seine Veränderungen während des Betriebes werden automatisch durch einen Klassifikator ermittelt und verschiedenen Zustandskiassen zugeordnet. Es ist sehr vorteilhaft, daß Irrtumswahrscheinlichkeiten für den Klassifikator auf verschiedenen Vertrauensniveaus festgelegt werden, wodurch unterschiedliche Alarmstufen entstehen und daß neben der aktuellen Klassifizierung auch eine Klassifizierung des Trends erfolgt. Zur Merkmalsextraktion wird ein Mikroprozessor mit getriggerter Meßsignalerfassung angewendet. Eine günstige Ausfürirungsform wird dann erreicht, wenn die Mustererkennungsprozeduren und die Langzeitspeicherung auf einem Prozeßrechner mit Massendatenspeicher durchgeführt werden, auf dem auch die Diagnoseresultate gespeichert werden. Für die Schaltungsanordnung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Körperschallaufnehmer, ein Ladungsverstärker, ein Demodulator und ein Filterverstärker in Reihe auf einen Auswahlschalter geführt sind, daß der Ausgang des Auswahlschalters über einen Tiefpaßfilter mit einem Multiplexer in Verbindung steht, daß der Ausgang des Multiplexers und ein Former auf einen Analog-Digital-Konverter geschaltet sind, daß ein Mikrorechner, der Bestandteil des Monitors ist, mit dem Multiplexer und dem Analog-Digital-Konverter verbunden ist und daß der Monitor mit einem Prozeßrechner in Verbindung steht, der mit Einrichtungen zur Fehlersignalisierung, zur Protokollierung und zur Speicherung der Diagnoseresultate verbunden ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an je einem Beispiel für das Verfahren und die Schaltungsanordnung zur automatischen Überwachung und Fehlerfrüherkennung von Hochdruckverdichtern, speziell für deren Ventile, näher erläutert werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung.

Für das Verfahren:

An der Oberfläche der Zylinder werden an geeigneten Meßorten mit speziellen Aufnehmern hochfrequente Körperschallsignale gemessen, die von der Digitalisierungseinrichtung synchron zum Kolbenhub erfaßt werden. Das Triggersignal wird mit Hilfe eines speziellen Sensors von der Kolbenstellung des Verdichters abgeleitet. Dadurch können Effekte, die sich im Körperschallsignal abbilden, bestimmten Ventilaktivitäten zugeordnet werden.

Die elektrischen Signale von den in dieser Weise taktgebunden erfaßten Meßgrößen wie zum Beispiel Körperschall und Druck werden digitalisiert und gespeichert. Zur problemangepaßten Signal-Strukturerkennung wird die Korrelationsfunktion ermittelt, in der sich sowohl die Zeitabstände als auch die Amplituden von Ereignissen gut abbilden. In einer Ausführungsvariante des Verfahrens werden die Meßsignale durch eine Digitalisierungseinrichtung in äquidistanten Zeitabschnitten At abgetastet und in einem Speicher der Länge N als Datenwerte {x„}, η = 1,2,...N abgelegt. Aus diesen Datenwerten werden für eine Anzahl von Arbeitszyklen die Autokorrelationsfunktionen R^_x der Meßsignale nach

-i-T X-O -42 M M)

geschätzt und in einem Resultatfeld akkumuliert. .

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und des Auflösungsvermögens können die Signale in mehrere Teile zerlegt werden, von denen die Autokorrelationsfunktionen geschätzt werden. Eine besonders leistungsfähige Ausführungsvariante des beschriebenen Verfahrens besteht darin, den Datenwerten {x_n} einen vom Triggersignal abgeleiteten Impuls zu überlagern. Das resultierende Signal hat dann die Form

x¹ (y4t) = X (f&t) ⁺

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Die Korrelationsfunktion dieses modifizierten Signales

/?xx · A** + Rm * R*a ⁺ Rsx (3)

enthält außer den beiden Autokorrelationsfunktionen H_x,, R₆₆ die Kreuzkorrelationsfunktionen R_x5 + R_6x. Da die Funktionen χ_γΔ11 und δ(γΛΐ) synchron zum Kolbenhub, also korreliert sind, verschwinden ihre Kreuzkorrelationsfunktionen nicht. Es wird damit erreicht, daß sich bei einer bestimmten Form und Lage des Impulses δ_(νΔ,) wie in (2) angegeben, in der Autokorrelationsfunktion zusätzlich die

Zeitfunktion des Signales abbildet. \

Aus den Autokorrelationsfunktionen ausgewählter Meßsignale, die in der beschriebenen Weise modifiziert werden, erfolgt die Berechnung der Elemente der Merkmalvektoren durch Integration der Korrelationsfunktion über vorgegebene Bereiche. ·..,» Der technische Zustand der Kolbenverdichter, insbesondere ihrer Ventile wird auf der Grundlage dieser Merkmalvektoren mit Verfahren der Mustererkennung klassifiziert. Grundlage der automatischen Klassifizierung ist bei dem Verfahren eine Belehrung. Für jeden Verdichter einer größeren Verdichterstation werden nach der Inbetriebnahme oder nach Instandsetzungen aus einer größeren Zahl von Realisierung die Referenz- oder Normalvektoren geschätzt.

Zur automatischen Fehlerfrüherkennung werden in der Überwachungsphase die aktuell bestimmten Merkmalvektoren von einem Klassifikator auf vorgegebenen Vertrauensniveaus mit den Normalvektoren verglichen. Bei Niveauüberschreitungen zum Beispiel der α, = 0,5 % und a₂ = 1 % Quantile der Verteilungen erfolgt die Alarmierung des Anlagenpersonals.

Eine besonders empfindliche Frühwarnung in bezug auf sich entwickelnde Fehlfunktionen erhält man dadurch, daß die Klassifikation nicht nur auf der Basis der Mittelwerte der Komponenten der Merkmalvektoren erfolgt, sondern auch die Streuungen der Merkmale berücksichtigt werden. Durch diesen zweiten Typ von Merkmalvektoren, deren.Elemente die Steuungen sind, werden bereits geringe Instabilitäten der Arbeitsweise der Verdichter erkannt. Außer der Klassifizierung bezüglich der aktuellen Realisierungen der Merkmalvektoren erfolgt auch die Klassifizierung bezüglich des zeitlichen Trends. Dadurch werden mit dem Verschleiß einhergehende langsame Abweichungen erkennbar.

Für die Schaltungsanordnung:

Zur Sicherung eines stabilen akustischen Kontaktes sind an jedem Kolbenverdichter einer Verdichterstation ein oder mehrere Körperschallaufnehmer 1 fest installiert, die mit in unmittelbarer Nähe angeordneten Vorverstärkern 2 verbunden sind. Nach den Vorverstärkern 2 sind in Reihe Demodulatoren 3, Filterverstärker 4 und Auswahlschalter 5 angeordnet. Nach dem Auswahlschalter 5 ist ein Tiefpaßfilter 6 angebracht, der mit einen Multiplexer 7 verbunden ist, dessen Ausgang ebenso wie ein Former 8 auf einen Analog-Digital-Konverter 9 geschaltet ist. Der Mikrorechner 10 ist mit dem Multiplexer 7 und dem Analog-Digital-Konverter 9 verbunden. Der Mikrorechner 10 steht mit einem zur Betriebsinstrumentierung gehörenden Prozeßrechner 11 in Verbindung, an den eine Fehlersignalisation 12, eine Protokollierung 13 und ein Speicher für die Diagnoseresultate 14 angeschlossen sind.

Die im Mikrorechner 10 bestimmten Merkmalsvektoren werden zur aktuellen Zustandsklassifikation und zur Trendanalyse über einen Datenbus in den zentralen Prozeßrechner 11 übertragen. Die Alarmierung des Operators bei auftretenden Fehlern wird von diesem Prozeßrechnersystem unter Berücksichtigung des allgemeinen Anlagenzustandes durchgeführt.

Claims

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Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Fehlerfrüherkennung an Kraft- und Arbeitsmaschinen mit Kolbenbewegung und ähnlich zyklisch arbeitenden Systemen, bei dem aus Meßgrößen gewonnene Signale verarbeitet werden, gekennzeichnet dadurch, daß maschinentaktgebunden während des normalen Betriebes aus den stochastischen Signalen mittels statistischer Signalverarbeitung Merkmalsvektoren extrahiert werden, mit deren Hilfe durch Anwendung von Mustererkennungsverfahren die Klassifikation des Maschinenzustandes vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß Schallemissions- und Körperschallsignale erfaßt und die digitalisierten, gespeicherten Zeitfunktionsrealisierungen in einem Speicher abgelegt werden, in dessen ersten Kanal ein konstanter Wert addiert wird.
3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die statistische Signalverarbeitung mittels der Korrelationsanalyse vorgenommen wird und daß die Komponenten von Merkmalsvektoren durch abschnittsweise Integration der gemittelten Korrelationsfunktion ermittelt werden.
4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Normalzustand der Maschinen aus der mehrdimensionalen Verteilung der Merkmalvektoren durch Belehrung im Neuzustand mit Hilfe parameterfreier Schätzverfahren ermittelt wird.
5. Verfahren nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß Merkmalsvektoren sowohl von den Mittelwerten als auch von Streuungen der Merkmale gebildet werden.
6. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der technische Zustand und seine Veränderungen während des Betriebes automatisch durch einen Klassifikator ermittelt und verschiedenen Zustandskiassen zugeordnet werden.
7. Verfahren nach Punkt 1 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß Irrtumswahrscheinlichkeiten für den Klassifikator auf verschiedenen Vertrauensniveaus festgelegt werden, wodurch unterschiedliche Alarmstufen entstehen.
8. Verfahren nach Punkt 1, 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß neben der aktuellen Klassifizierung auch eine Klassifizierung des Trends erfolgt.
9. Verfahren nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß zur Merkmalextraktion ein Mikroprozessor mit getriggerter Meßsignalerfassung angewendet wird.
10. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Mustererkennungsprozeduren und die Langzeitspeicherung auf einem Prozeßrechner mit Massendatenspeicher durchgeführt werden, auf dem auch die Diagnoseresultate gespeichert werden.
11. Schaltungsanordnung zur Fehlerfrüherkennung an Kraft- und Arbeitsmaschinen mittels Meßsignalverarbeitung in einem Monitor, gekennzeichnet dadurch, daß ein Körperschallaufnehmer, ein Ladungsverstärker, ein Demodulator und ein Filterverstärker in Reihe auf einen Auswahlschalter geführt sind, daß der Ausgang des Auswahlschalters über einen Tiefpaßfilter mit einem Multiplexer in Verbindung steht, daß der Ausgang des Multiplexers und ein Former auf einen Analog-Digital-Konverter geschaltet sind, daß ein Mikrorechner, der Bestandteil des Monitors ist, mit dem Multiplexer und dem Analog-Digital-Konverter verbunden ist und daß der Monitor mit einem Prozeßrechner in Verbindung steht, der mit Einrichtungen zur Fehlersignalisierung, zur Protokollierung und zur Speicherung der Diagnoseresultate verbunden ist.

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