DE102020103019B4

DE102020103019B4 - Procedure for self-monitoring of a technical process

Info

Publication number: DE102020103019B4
Application number: DE102020103019.3A
Authority: DE
Inventors: Walter Reichart; Peter Breh
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2022-08-18
Anticipated expiration: 2040-02-07
Also published as: DE102020103019A1

Abstract

Verfahren zur Selbstüberwachung eines verfahrenstechnischen Prozesses, wobei zur Bestimmung der Drucksituation eines strömungsfähigen Mediums in einer Rohrleitung ein Druckmessgerät vorgesehen ist,und wobei das Druckmessgerät eine Signalverarbeitungseinheit mit einem Mikrocontroller aufweist, die ein Ausgangssignal für eine Steuereinheit zur Überwachung und Steuerung des Prozesses zur Verfügung stellt,dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der vorherrschenden Drucksituation im Mikrocontroller ausgewertet wird und dabei die Fälle gezählt werden, bei denen die Druckänderung Δp in einem Zeitintervall Δt im Verhältnis zu einem Systemparameter G größer als ein Grenzwert g ist,wobei die Berechnung nach folgender Formel erfolgt:∑>gΔpΔtGund dabei der Systemparameter G aus dem Quotienten der Differenz von einem anlagenspezifischen oberem und unterem zulässigen Strömungsbereich und einer anlagenspezifischen Anstiegszeit tsgebildet wird und ein Wartungs- bzw. Kalibrierungsbedarf angezeigt wird, wenn diese Summe einen bestimmten Wert erreicht hat.Method for self-monitoring of a technical process, wherein a pressure gauge is provided to determine the pressure situation of a flowable medium in a pipeline, and wherein the pressure gauge has a signal processing unit with a microcontroller, which provides an output signal for a control unit for monitoring and controlling the process, characterized in that the time profile of the prevailing pressure situation is evaluated in the microcontroller and the cases are counted in which the pressure change Δp in a time interval Δt in relation to a system parameter G is greater than a limit value g, with the calculation being carried out according to the following formula :∑>gΔpΔtGand the system parameter G is formed from the quotient of the difference between a system-specific upper and lower permissible flow range and a system-specific rise time ts and a maintenance or calibration requirement indicated is used when this sum has reached a certain value.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstüberwachung eines verfahrenstechnischen Prozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for self-monitoring of a technical process according to the preamble of claim 1.

In der heutigen Prozess- und Verfahrenstechnik werden Prozessparameter, wie Temperatur, Druck und Strömung bzw. Durchfluss, in vielfältiger Form gemessen und zur Prozesssteuerung und -regelung eingesetzt. Dabei wird aus Gründen der Produkt- und Prozessqualität wie auch der Betriebssicherheit eine zuverlässige und langzeitstabile Erfassung dieser Prozessparameter mit bekannten Messfehlergrenzen immer wichtiger.In today's process and process engineering, process parameters such as temperature, pressure and flow or flow rate are measured in a variety of forms and used for process control and regulation. For reasons of product and process quality as well as operational safety, reliable and long-term stable recording of these process parameters with known measurement error limits is becoming increasingly important.

Prozessbedingt kann es zu exzessiven Ausschlägen dieser Prozessparameter kommen, was insbesondere für die den Prozess überwachenden Sensoren und Messgeräte, aber auch für die gesamte Anlage eine starke hydraulische Beanspruchung darstellt. Neben den tatsächlichen Beträgen dieser exzessiven Ausschläge der Prozessparameter sind auch die Anzahl von Fällen, in denen die gesamte Anlage exzessiven Verhältnissen ausgesetzt ist, und die Dauer dieser exzessiven Verhältnisse entscheidend für die allgemeine „Gesundheit“ der Anlage.Due to the process, these process parameters can deviate excessively, which represents a high level of hydraulic stress, particularly for the sensors and measuring devices monitoring the process, but also for the entire system. In addition to the actual magnitudes of these excessive process parameter excursions, the number of instances in which the entire plant is exposed to excessive conditions and the duration of these excessive conditions are critical to the overall “health” of the plant.

Die Folge exzessiver Verhältnisse sind Materialermüdung und erhöhter Verschleiß der im Prozess involvierten Sensoren und Aktoren, wie bspw. Pumpen und Ventile, aber auch Filter und Dichtungen. Deshalb wird bei den betroffenen Sensoren und Aktoren meist eine regelmäßige, oft auch vorbeugende Wartung, Kalibration und/oder Justage durchgeführt. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Kalibrationen bzw. den Wartungsintervallen hängt vom erlaubten Toleranzband und den Einsatzbedingungen des Sensors bzw. Aktors ab. Er wird an Hand von Erfahrungswerten so gewählt, dass das Toleranzband mit großer Wahrscheinlichkeit zwischen zwei aufeinander folgenden Kalibrationen bzw. Wartungen nicht verlassen wird.The consequences of excessive conditions are material fatigue and increased wear of the sensors and actuators involved in the process, such as pumps and valves, but also filters and seals. For this reason, regular and often preventive maintenance, calibration and/or adjustment is usually carried out on the affected sensors and actuators. The time interval between two calibrations or the maintenance intervals depends on the permitted tolerance range and the operating conditions of the sensor or actuator. It is selected on the basis of empirical values in such a way that there is a high probability that the tolerance band will not be left between two consecutive calibrations or maintenance work.

In vielen Anlagen ist es möglich, Dämpfungsglieder einzubauen, um diese exzessiven Verhältnisse räumlich einzugrenzen und damit die Sensoren und Aktoren vor derartigen Ausschlägen zu schützen. Jedoch sind diese Maßnahmen nicht immer einsetzbar bzw. müssen temporär ausgesetzt werden, bspw. während des Anlaufens des Prozesses, während der Reinigung bei Hygieneanlagen oder grundsätzlich bei abrasiven Medien, z.B. Schlämme. In diesen Fällen muss auf die zuvor erwähnte vorbeugende Wartung, Kalibration und/oder Justage zurückgegriffen werden.In many systems, it is possible to install damping elements in order to spatially limit these excessive conditions and thus protect the sensors and actuators from such deflections. However, these measures cannot always be used or must be suspended temporarily, e.g. during the start-up of the process, during cleaning of hygiene systems or generally with abrasive media, e.g. sludge. In these cases it is necessary to resort to the previously mentioned preventive maintenance, calibration and/or adjustment.

Jede Wartung, Justage bzw. Kalibration ist mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden, da der Sensor ausgebaut werden muss (Anlagenstillstand, Abbau von Anlagenteilen).Any maintenance, adjustment or calibration is associated with considerable effort and costs, since the sensor has to be removed (system downtime, dismantling of system parts).

Aus den Dokumenten DE 101 25 652 A1 , EP 1 892 597 A1 und WO 2005/059668 A1 sind jeweils Verfahren zur Überwachung technischer Anlagen bekannt, bei denen Prozessparameter hinsichtlich einer Über- oder Unterschreitung von Grenzwerten überwacht werden. Die AT 386 483 B offenbart ein Verfahren zum Ermitteln des Verschleißes von Hydraulikpumpen mittels einer Berechnung aus Druckmesswerten und Durchflussmesswerten, die während einer Leerlaufphase und einer Volllastphase erfasst wurden.From the documents DE 101 25 652 A1 , EP 1 892 597 A1 and WO 2005/059668 A1 Methods for monitoring technical systems are known in each case, in which process parameters are monitored with regard to exceeding or falling below limit values. the AT 386 483 B discloses a method for determining the wear of hydraulic pumps by means of a calculation from measured pressure values and measured flow values that were recorded during an idle phase and a full load phase.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Kalibrier- und Wartungsaufwand von den in einer Prozessanlage involvierten Sensoren und Aktoren zu reduzieren.The object of the invention is to reduce the calibration and maintenance effort for the sensors and actuators involved in a process installation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1. Advantageous refinements of the invention are specified in the dependent claims.

Im Fokus der Erfindung stehen Prozesse mit einem strömenden Medium, so dass die gesamte Prozessanlage neben Sensoren auch eine Vielzahl von Aktoren, bspw. Ventile, Klappen und dergleichen, sowie Filter und Dichtungen umfassen kann. Der allgemeine Zustand der Anlage hängt dabei maßgeblich von der Funktionsfähigkeit dieser Aktoren, Filter und Dichtungen ab, welche durch alterungsbedingte Drift- und Degradationseffekte beeinflusst wird.The focus of the invention is on processes with a flowing medium, so that the entire process plant can also include a large number of actuators, for example valves, flaps and the like, as well as filters and seals, in addition to sensors. The general condition of the system depends significantly on the functionality of these actuators, filters and seals, which is influenced by age-related drift and degradation effects.

Vor diesem Hintergrund ist es Kern der Erfindung, den Zustand der Anlage durch ein Druckmessgerät zu überwachen. Als Druckmessgeräte kommen insbesondere kapazitive und mit Dehnungsmessstreifen bzw. Piezoelementen arbeitende Messgeräte infrage. Alle diese Messprinzipien sind seit vielen Jahren bekannt. Mithilfe der von diesem Messgerät erfassten und an eine Signalverarbeitungseinheit weitergegebenen Informationen kann nun eine voraussagende Diagnose hinsichtlich einer Wartung bzw. Kalibrierung der in der Prozessanlage involvierten Sensoren, Aktoren, Filter und Dichtungen abgeleitet werden. Hierfür werden zwei für die Beanspruchung dieser Geräte und Elemente wesentliche Einflussfaktoren ausgewertet: die Anzahl sehr schneller Druckänderungen sowie das Erreichen bzw. Überschreiten von besonders hohen Druckwerten.Against this background, the core of the invention is to monitor the condition of the system using a pressure gauge. In particular, capacitive measuring devices and measuring devices working with strain gauges or piezo elements come into consideration as pressure measuring devices. All of these measuring principles have been known for many years. Using the information recorded by this measuring device and forwarded to a signal processing unit, a predictive diagnosis with regard to maintenance or calibration of the sensors, actuators, filters and seals involved in the process installation can now be derived. For this, two important influencing factors for the stress on these devices and elements were evaluated: the number of very rapid pressure changes and the reaching or exceeding of particularly high pressure values.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the drawing.

1 zeigt beispielhaft die graphische Darstellung eines Druckverlaufs über der Zeit, wobei in 1 eine ereignisorientierte Betrachtung der allgemeinen Beanspruchung der Prozessanlage erfolgt. 1 shows an example of a graphical representation of a pressure curve over time, with 1 an event-oriented consideration of the general stress on the process plant is carried out.

Ein Druckmessgerät erfasst kontinuierlich den in der Anlage vorherrschenden Druck. Diese Messwerte werden hinsichtlich ihrer Änderung ausgewertet und die damit einhergehende Geschwindigkeit der Druckänderungen ermittelt. In 1 sind hierbei durch dicke Striche bestimmte Ereignisse gekennzeichnet, die für die Auswertung hinsichtlich der Geschwindigkeit der Druckänderungen als ein wesentlicher Einflussfaktor für die hydraulische Beanspruchung der Prozessanlage herangezogen werden sollen. Dabei sind vorliegend Ereignisse gemeint, bei denen eine sehr schnelle Druckänderung erfolgt ist. Mit ASP und AEP ist jeweils die untere bzw. obere Grenze des zulässigen Druckbereichs gekennzeichnet. Der Quotient aus diesem zulässigen Druckbereich und einer anlagenspezifischen Anstiegszeit t_s wird nachfolgend als Systemparameter G bezeichnet. Die Anstiegszeit t_s ist hier eine spezifische Zeit, in der die Strömung von Null auf Ihren Nennwert ansteigt. Sie kann von Anlagentyp zu Anlagetyp verschieden sein. Bei gleichen Anlagen ist ihr Wert aber typischerweise gleich.A pressure gauge continuously records the pressure prevailing in the system. These measured values are evaluated with regard to their change and the associated speed of the pressure changes is determined. In 1 Here, certain events are marked by bold lines, which are to be used for the evaluation with regard to the speed of the pressure changes as a significant influencing factor for the hydraulic stress on the process plant. In the present case, events are meant in which a very rapid change in pressure has taken place. The lower and upper limits of the permissible pressure range are marked with ASP and AEP. The quotient of this permissible pressure range and a system-specific rise time t _s is referred to below as the system parameter G. The rise time t _s is here a specific time in which the flow increases from zero to its nominal value. It can vary from system type to system type. However, their value is typically the same for the same systems.

Für die hydraulische Beanspruchung entscheidend ist die Druckänderung Δp in einem Zeitintervall Δt im Verhältnis zu dem genannten Systemparameter G. Die Summe von Ereignissen, bei denen dieses Verhältnis größer als ein vorgegebener Grenzwert g ist, lässt auf einen zu erwartenden Wartungsaufwand schließen. Vorteilhafterweise entspricht g einem Wert > 0,1, insbesondere > 0,12, und das Aufsummieren der Ereignisse übernimmt ein Mikrocontroller als Teil der elektronischen Signalverarbeitungseinheit des Druckmessgeräts.The pressure change Δp in a time interval Δt in relation to the system parameter G mentioned is decisive for the hydraulic stress. Advantageously, g corresponds to a value >0.1, in particular >0.12, and a microcontroller, as part of the electronic signal processing unit of the pressure measuring device, takes over the summation of the events.

Die im Mikrocontroller ablaufende Berechnung kann wie folgt zusammengefasst werden: $h y d r a u l i s c h e A n l a g e n b e a n s p r u c h u n g = \sum_{> g} \frac{\frac{Δ p}{Δ t}}{G} = \sum_{> g} \frac{\frac{Δ p}{Δ t}}{\frac{A E P - A S P}{t s}}$

The calculation running in the microcontroller can be summarized as follows:

H y i.e right a and l i s c H e A n l a G e n b e a n s p right and c H and n G = \sum_{> G} \frac{\frac{Δ p}{Δ t}}{G} = \sum_{> G} \frac{\frac{Δ p}{Δ t}}{\frac{A E P - A S P}{t s}}

Ein typischer Wert für die Druckänderung ist bspw. 50 bar bei einer Anstiegszeit t_s von 1 Millisekunde. Jedes Ereignis, bei dem der o.g. Quotient einen vorgegebenen Schwellwert g erreicht, wird vom Mikrocontroller registriert und aufsummiert abgespeichert. Wenn diese Summe einen bestimmten Wert erreicht hat, wird dem Anwender angezeigt, dass eine Wartung bzw. Kalibrierung der gesamten Prozessanlage vorgenommen werden sollte, um Messfehler zu vermeiden.A typical value for the pressure change is, for example, 50 bar with a rise time t _s of 1 millisecond. Every event in which the above-mentioned quotient reaches a specified threshold value g is registered by the microcontroller and stored as a total. When this sum has reached a certain value, the user is informed that maintenance or calibration of the entire process plant should be carried out in order to avoid measuring errors.

Claims

Method for self-monitoring of a technical process, wherein a pressure gauge is provided to determine the pressure situation of a flowable medium in a pipeline, and wherein the pressure gauge has a signal processing unit with a microcontroller, which provides an output signal for a control unit for monitoring and controlling the process, characterized in that the time profile of the prevailing pressure situation is evaluated in the microcontroller and the cases are counted in which the pressure change Δp in a time interval Δt in relation to a system parameter G is greater than a limit value g, with the calculation being carried out according to the following formula :

\sum_{> G} \frac{\frac{Δ p}{Δ t}}{G}

and the system parameter G is formed from the quotient of the difference between a plant-specific upper and lower permissible flow range and a plant-specific rise time t _s and a maintenance or calibration requirement is indicated when this sum has reached a certain value.

procedure after claim 1 , characterized in that the duration of the time is also recorded in which the pressure value has reached an upper threshold value.

procedure after claim 2 , characterized in that the level of exceeding the threshold value is also evaluated.