EP2297623A1 - Method for monitoring an industrial plant - Google Patents

Method for monitoring an industrial plant

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Publication number
EP2297623A1
EP2297623A1 EP09772536A EP09772536A EP2297623A1 EP 2297623 A1 EP2297623 A1 EP 2297623A1 EP 09772536 A EP09772536 A EP 09772536A EP 09772536 A EP09772536 A EP 09772536A EP 2297623 A1 EP2297623 A1 EP 2297623A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
detection
measurement data
elimination
data
measured data
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09772536A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hajrudin Efendic
Gerald Hohenbichler
Stephan M. Winkler
Andreas Schrempf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Primetals Technologies Austria GmbH
Original Assignee
Siemens VAI Metals Technologies GmbH Austria
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens VAI Metals Technologies GmbH Austria filed Critical Siemens VAI Metals Technologies GmbH Austria
Publication of EP2297623A1 publication Critical patent/EP2297623A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0218Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults
    • G05B23/0221Preprocessing measurements, e.g. data collection rate adjustment; Standardization of measurements; Time series or signal analysis, e.g. frequency analysis or wavelets; Trustworthiness of measurements; Indexes therefor; Measurements using easily measured parameters to estimate parameters difficult to measure; Virtual sensor creation; De-noising; Sensor fusion; Unconventional preprocessing inherently present in specific fault detection methods like PCA-based methods
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0218Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults
    • G05B23/0243Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults model based detection method, e.g. first-principles knowledge model
    • G05B23/0254Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults model based detection method, e.g. first-principles knowledge model based on a quantitative model, e.g. mathematical relationships between inputs and outputs; functions: observer, Kalman filter, residual calculation, Neural Networks

Definitions

  • the present invention relates to a method for the pretreatment of measurement data for monitoring an industrial plant.
  • the invention relates to a method for monitoring systems, in particular complex systems of the iron and steel industry, with the steps of recording at least two channels of measurement data of a system, if necessary
  • Target channel f) use of currently determined measurement data and of the model formed to calculate a simulated value of the target channel, g) detection of false states by comparing between the current and the simulated value of the target channel.
  • Modern industrial plants for example blast furnaces or rolling mills, typically with a large number of coupled individual plants, are highly complex technical systems.
  • Today, hundreds of thousands of measuring sensors are permanently and real-time monitored (eg with a sampling time of 1 ms) to monitor these systems or processes, and special relevant data is displayed by a measuring data acquisition system. Due to the high demands on the operating personnel, however, FD is increasingly used in complex systems, since these methods allow computer-aided errors in the computer system
  • FD is also in the condition monitoring, engl.
  • Condition monitoring used by industrial equipment.
  • a system is monitored by means of a large number of measuring sensors and automatically generates a warning or error message when the system behavior changes, for example as a result of wear of components.
  • the measured data are typically various plant or process conditions, which are determined by sensors and usually in digital form of a
  • a channel of measured data is a series of measured values recorded by a sensor;
  • a destination channel is a channel of recorded video
  • Measurement data that contains or may contain relevant information about the behavior of the plant.
  • a model for the target channel based on one or more channels (excluding one target channel) of plant measurement data is created; By means of this model and depending on current measurement data, the values of a simulated target channel are calculated by a process computer and compared with current measured values of the target channel; if there are significant deviations between the simulated and the measured target channel, an error message is generated.
  • Data preprocessing pointed out in the course of the FD. Specifically, it is proposed to filter the measurement data to eliminate disturbances in the measurement data and thus to improve the performance of FD.
  • the object of the invention is to provide a method for monitoring of industrial plants, with which the quality of the recorded measurement data of the system improved and the size of the measurement data can be greatly reduced, without resulting in a significant loss of information.
  • offline ie.
  • FD fault conditions of the system
  • outliers are detected in the measurement data and then eliminated.
  • the elimination of an outlier occurs by replacing an outlier with an average of the affected channel.
  • the measurement data channels are smoothed, for example by the use of median filters, resulting in e.g. Measurement noise is reduced and, as in the detection and elimination of outliers, the quality of the measurement data is increased.
  • Data channel before downsampling determined and compared with the information content of a changed. With respect to the sampling time data channel. This results from downsampling, ie. by a reduction of the sampling frequency, no significant change in the information content, the sampling frequency is reduced, whereby a large reduction of the amount of data (a reduction of the sampling frequency by 50% reduces the amount of data also by 50%) is possible.
  • the measurement data are subjected to the process steps in the order of detection and elimination of "zero channels", detection and elimination of outliers, filtering and downsampling.This order results in a high quality of the measurement data and in a high efficiency of the inventive method.
  • the measurement data preferably after downsampling, are subjected to detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas, which further reduces the size of the measurement data and the formation of simple, static
  • a further advantageous embodiment is that, for different target channels, the steps of defining a target channel from the measured data, pretreatment of the measured data and measurement data based formation of at least one model of the target channel per target channel are each performed at least once, and models formed thereby in the detection of malfunction of the system be used. As a result, a particularly comprehensive monitoring of the system is achieved.
  • the steps of defining a target channel from the measured data, pretreatment of the measured data and measurement-data-based formation of at least one model of the target channel on at least one process computer are performed in parallel for different target channels. This is especially in online operation, ie. in the implementation of the method on one of the system associated process computer, given an early model availability.
  • the parallelization can be carried out either by a plurality of tasks or threads on a process computer, and / or by division into several process computers.
  • the detection and elimination of outliers contains a univariate and a multivariate step.
  • the univariate method step is particularly suitable for detecting and eliminating comparatively large outliers in one channel independently of other channels.
  • the multivariate step the distance of the measured values of all channels at a time becomes the total distribution determined, which also difficult to detect outliers can be detected and eliminated.
  • the measured data are subjected to a median filtering.
  • Median filters are known in the art and allow a very efficient smoothing of signals.
  • the downsampling of the measured data takes place taking into account the
  • Transinformation engl. Auto mutual information, between a channel before and after downsampling. This makes it possible to reduce the sampling frequency as a function of the loss of information due to the downsampling and thus set an optimized downsampling rate.
  • a further advantageous embodiment is that the detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas taking into account statistical variables for the variability.
  • the measured data preferably after the
  • Fig. 5 Plot of a section of the target channel xio before and after the step of detection and elimination of outliers
  • Fig. 7 Plot of a section of the channel X20 before and after
  • Step Filtering Fig. 8 Schematic representation of the downsampling
  • Fig. 9 plot of the target channel xio before and after the step
  • Fig. 13 Plot of the target channel xio before and after the step Detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas and the channels xio, X20 and x. 7
  • the measurement data are, for example, signals from pressure, force, displacement, velocity, acceleration or temperature sensors, which were recorded for subsequent use in an FD method.
  • the channel xio was selected as the target channel (tenth column of MD).
  • the channels Xi to X20 are shown graphically above the measured data index.
  • the channels 9 and 17 were identified as zero channels and eliminated.
  • the dimension of the measurement data matrix after the step of detection and elimination of "zero channels" is 19498 x 18, ie the amount of data has been reduced to 90%.
  • the individual channels ie. the individual columns of the measurement data matrix
  • a univariate ie. based on only one channel
  • detection and elimination of outliers subject This eliminates "big" outliers.
  • the detection of outliers can be done in two ways:
  • test criterion G s is calculated for each measured value X 1 .
  • the one-sided test is an outlier
  • the check for outliers is analogous to the global procedure, but is limited to the viewing window.
  • Outliers in turn, have a measurement data matrix which is free of univariate outliers but still has the original dimension.
  • This process step can be performed following univariate detection and elimination of outliers.
  • any outliers due to the so-called Mahalanobis distance or the distance due to the so-called principal component analysis of a measured value vector x (a row vector of the measured data matrix) are detected by the overall distribution. Any outliers found are marked and replaced by local averages.
  • the Mahalanobis distance as well as the principal component analysis are e.g. known from
  • a principal component analysis of the measured data is carried out.
  • the main components of the measurement data matrix ie. the eigenvalues and eigenvectors, either via an eigenvalue analysis or a SVD (Singular value decomposition) of the covariance matrix is calculated.
  • Noise or other interfering signals are removed from individual channels of the measuring signals.
  • a median filter with a viewing window of size N (referred to as filter order) is used.
  • each measured value x k of a channel is given by _ _ (mean value (x k _ (N _ 1) / 2 , ..., x i + (7V _ 1) / 2 ) for odd N ⁇ mean value (x k _ N / 2 , ..., x k + N / 2 ) for even N replaced.
  • the downsampling of the measured data is carried out taking into account the transinformation (auto-mutual information, see chapter 3.3.1.3 "Entropy-oriented measures" from the gutter) AMI ( ⁇ ) between a channel before the downsampling and the same channel after the downsampling.
  • the transinformation AMI ( ⁇ ) is calculated from k
  • H (A) - ⁇ p (u j) • log 2 p (u j) the entropy of the channel A to Down Sampling
  • AMI ( ⁇ ) H (A) + H (A) - H (A, A) Transinformation between A and A
  • the optimal downsampling rate i with ie [r mn , T n ⁇ x ].
  • the optimal downsampling rate ie. that ⁇ , where as little information as possible is lost with the greatest possible data reduction, is the first local minimum of AMI ( ⁇ ), ie. AMI ( ⁇ -1)> AMI ( ⁇ ) ⁇ AMI ( ⁇ + 1). If such a minimum can not be found, then one uses a scaled one
  • Transinformation AMI ( ⁇ ) AMI ( ⁇ ) + e TF ° clor -1, so that a local minimum can be found.
  • the factor ⁇ Fa k to r is a scaling factor and can be selected appropriately.
  • the target channel is shown before and after downsampling, but of course, downsampling is applied to all channels.
  • FIG. 10 also shows the transinformation AMI ( ⁇ ) and the scaled transinformation AMI ( ⁇ ) * over ⁇
  • a redundancy signal cross-correlation between the target channel X and Y within the viewing window
  • RED (J) corr (X local J local ).
  • the redundant channels are deleted from the measurement data matrix.
  • a redundant channel to a destination channel already too represents a simple model of the target channel that can be used for error detection. Due to this process step, the measurement data matrix was reduced to 5.89% of the original data volume.
  • substantially constant operating points are to be identified from the measured data.
  • a viewing window with size NVAR is used, which is applied to the target channel.
  • This process step reduced the measurement data matrix to 4.4% of the original data volume.
  • the resulting measurement data matrix is the basis for a subsequent formation of at least one model for the target channel.
  • a process computer assigned to the installation calculates a simulated target channel, which is used for the comparison between the simulated and the measured target channel, on the basis of currently determined measurement data of the installation and the generated model. If there are significant deviations between these two channels, a warning or an error message is generated.
  • the detection of faulty states of a system can be carried out particularly comprehensively if not only one model of a destination channel is created, but for each of the different destination channels at least one model for the respective destination channel is formed and models formed thereby are used in the FD. Further steps, such as the identification or the isolation of errors, e.g. the publication
  • FIG. 14 shows in a flow chart the most important method steps in the pretreatment of the measured data.
  • at least two channels of measured data eg from different sensors, such as pressure, temperature, speed or force sensors
  • the originally present measurement data (1) in the pretreatment of the measurement data (7) are successively the method steps

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Abstract

The invention relates to a method for monitoring plants, in particular complex plants in the iron and steel industry, comprising the steps of recording at least two channels of measurement data of a plant, optionally saving the measurement data, defining a target channel from the measurement data, pre-processing the measurement data, creating at least one model of the target channel based on the measurement data and using the model so generated and the currently determined measurement data for detecting erroneous states of the plant. The object of the invention is to provide a method for monitoring industrial plants which improves upon the quality of the recorded measurement data of the plant and which can significantly reduce the amount of measurement data without resulting in a significant loss of information. This object is accomplished in a method in which the measurement data are, in the measurement data pre-processing step, subjected to the processing steps of 1) detection and elimination of "null channels", 2) detection and elimination of outliers, 3) filtering, 4) downsampling.

Description

Verfahren zur Überwachung einer Industrieanlage Method for monitoring an industrial plant
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung von Messdaten zur Überwachung einer Industrieanlage.The present invention relates to a method for the pretreatment of measurement data for monitoring an industrial plant.
Konkret betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen von Anlagen, insbesondere komplexe Anlagen der Eisen- und Stahlindustrie, mit den Schritten Aufnehmen von mindestens zwei Kanälen von Messdaten einer Anlage, gegebenenfallsSpecifically, the invention relates to a method for monitoring systems, in particular complex systems of the iron and steel industry, with the steps of recording at least two channels of measurement data of a system, if necessary
Abspeichern der Messdaten, Definition eines Zielkanals aus den Messdaten, Vorbehandlung der Messdaten, messdatenbasierte Bildung mindestens eines Modells des Zielkanals und Verwendung des so generierten Modells und aktuell ermittelter Messdaten zur Detektion von Fehlzuständen der Anlage.Storage of the measurement data, definition of a target channel from the measurement data, pretreatment of the measurement data, measurement data based formation of at least one model of the target channel and use of the model thus generated and currently determined measurement data for the detection of malfunction of the plant.
Rechnergestützte Verfahren zur Überwachung von Anlagen bzw. Prozessen sind dem Fachmann unter den Begriffen Fault Diagnosis oder Fault Detection (nachfolgend kurz FD) bekannt, siehe z.B. WO 02/086726 Al. Diese Verfahren zur Detektion von Fehlzuständen in komplexen Industrieanlagen beinhalten folgende Verfahrensschritte:Computer-aided methods for monitoring installations or processes are known to the person skilled in the art under the terms Fault Diagnosis or Fault Detection (hereinafter FD for short), see e.g. WO 02/086726 Al. These methods for the detection of fault conditions in complex industrial plants include the following method steps:
a) Messdatenerfassung von mindestens zwei Kanälen einer Anlage, b) gegebenenfalls Abspeichern der Messdaten, c) Definition eines Zielkanals aus den erfassten Kanälen der Messdaten, d) gegebenenfalls Vorbehandlung der Messdaten, e) messdatenbasierte Bildung mindestens eines Modells desa) measuring data acquisition of at least two channels of a plant, b) optionally storing the measurement data, c) defining a target channel from the acquired channels of the measurement data, d) optionally pretreatment of the measurement data, e) measuring data based formation of at least one model of the
Zielkanals, f) Verwendung aktuell ermittelter Messdaten und des gebildeten Modells zur Berechnung eines simulierten Werts des Zielkanals, g) Detektion von Fehlzuständen durch das Vergleichen zwischen dem aktuellen und dem simulierten Wert des Zielkanals. Moderne Industrieanlagen, beispielsweise Hochöfen oder Walzwerke, typischerweise mit einer großen Anzahl gekoppelter Einzelanlagen, sind hochkomplexe technische Systeme. Heute werden zur Überwachung dieser Anlagen bzw. Prozesse hunderte bis tausende Messsensoren durch ein Messdatenerfassungssystem permanent und in Echtzeit (z.B. mit einer Abtastzeit von 1 ms) erfasst und besondere relevante Daten dargestellt. Aufgrund der hohen Anforderungen an das Bedienpersonal wird bei komplexen Anlagen jedoch zunehmend FD eingesetzt, da diese Verfahren es erlauben, rechnergestützt Fehler inTarget channel, f) use of currently determined measurement data and of the model formed to calculate a simulated value of the target channel, g) detection of false states by comparing between the current and the simulated value of the target channel. Modern industrial plants, for example blast furnaces or rolling mills, typically with a large number of coupled individual plants, are highly complex technical systems. Today, hundreds of thousands of measuring sensors are permanently and real-time monitored (eg with a sampling time of 1 ms) to monitor these systems or processes, and special relevant data is displayed by a measuring data acquisition system. Due to the high demands on the operating personnel, however, FD is increasingly used in complex systems, since these methods allow computer-aided errors in the computer system
Anlagen zu detektieren und gegebenenfalls einen betroffenen Anlagenbereich zu identifizieren. FD wird außerdem in der Zustandsüberwachung, engl. Condition monitoring, von Industrieanlagen eingesetzt. Auch in diesem Fall wird eine Anlage mittels einer Vielzahl von Messsensoren überwacht und bei einer - sich beispielsweise aus einer Abnützung von Komponenten ergebenden - Veränderung des Anlagenverhaltens selbsttätig eine Warnung oder Fehlermeldung generiert. Bei den Messdaten handelt es sich typischerweise um diverse Anlagen- bzw. Prozesszustände, welche von Sensoren ermittelt und meist in digitaler Form von einemDetect equipment and, if necessary, identify an affected plant area. FD is also in the condition monitoring, engl. Condition monitoring, used by industrial equipment. In this case too, a system is monitored by means of a large number of measuring sensors and automatically generates a warning or error message when the system behavior changes, for example as a result of wear of components. The measured data are typically various plant or process conditions, which are determined by sensors and usually in digital form of a
Messdatenerfassungssystem aufgenommen werden. Unter einem Kanal von Messdaten versteht man eine Aneinanderreihung von Messwerten, die von einem Sensor aufgenommen wurden; unter einem Zielkanal versteht man einen Kanal der aufgenommenenRecorded data acquisition system. A channel of measured data is a series of measured values recorded by a sensor; A destination channel is a channel of recorded video
Messdaten, welcher relevante Informationen über das Verhalten der Anlage enthält bzw. enthalten kann. In der einfachsten Form der FD wird ein, auf einen oder mehreren (ausgenommen ein Zielkanal) Kanälen von Messdaten der Anlage basierendes, Modell für den Zielkanal erstellt; mittels dieses Modells und in Abhängigkeit von aktuellen Messdaten werden die Werte eines simulierten Zielkanals durch einen Prozessrechner berechnet und mit aktuellen Messwerten des Zielkanals verglichen; bei signifikanten Abweichungen zwischen dem simulierten und dem gemessenen Zielkanal wird eine Fehlermeldung generiert.Measurement data that contains or may contain relevant information about the behavior of the plant. In the simplest form of the FD, a model for the target channel based on one or more channels (excluding one target channel) of plant measurement data is created; By means of this model and depending on current measurement data, the values of a simulated target channel are calculated by a process computer and compared with current measured values of the target channel; if there are significant deviations between the simulated and the measured target channel, an error message is generated.
In der Veröffentlichung H. Efendic, L. del Re und G. Frizberg. Iterative Multi-Step Diagnosis Process for Engine Systems. Präsentiert beim SAE world congress, 11. bis 14. April, 2005. Detroit, Mich, USA.In the publication H. Efendic, L. Del Re and G. Frizberg. Iterative Multi-Step Diagnosis Process for Engine Systems. Presented at the SAE world congress, April 11-14, 2005. Detroit, Mich. USA.
wird auf die Bedeutung der Vorbehandlung von Messdaten, engl. Data preprocessing, im Zuge der FD hingewiesen. Konkret wird vorgeschlagen, die Messdaten zu filtern um Störungen in den Messdaten zu beseitigen und so die Leistungsfähigkeit von FD zu verbessern.is focused on the importance of pre-treatment of measurement data. Data preprocessing, pointed out in the course of the FD. Specifically, it is proposed to filter the measurement data to eliminate disturbances in the measurement data and thus to improve the performance of FD.
Weitergehende Maßnahmen zur Vorbehandlung von Messdaten werden nicht angegeben.Further measures for the pretreatment of measured data are not indicated.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überwachung von Industrieanlagen zu schaffen, mit welchem die Qualität der aufgenommenen Messdaten der Anlage verbessert und die Größe der Messdaten stark reduziert werden kann, ohne dass es dadurch zu einem signifikanten Informationsverlust kommt. Nachfolgend können, gegebenenfalls online - dh. durch einen der Anlage zugeordneten Prozessrechner mit gegebenenfalls geringer Leistungsfähigkeit, basierend auf diesen komprimierten Messdaten, sehr kompakte Modelle für die Detektion von Fehlzuständen der Anlage (FD) generiert werden, welche sich auch für eine Anwendung auf günstigen Prozessrechnern mit vergleichsweise geringer Leistungsfähigkeit eignen und dennoch eine hohe Qualität bzgl . der Fehlererkennung aufweisen.The object of the invention is to provide a method for monitoring of industrial plants, with which the quality of the recorded measurement data of the system improved and the size of the measurement data can be greatly reduced, without resulting in a significant loss of information. Below, if necessary online - ie. By a process computer associated with the system with possibly low performance, based on these compressed measurement data, very compact models for the detection of fault conditions of the system (FD) are generated, which are also suitable for use on low-cost process computers with relatively low performance and yet high quality. have the error detection.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Messdaten im Schritt Vorbehandlung der Messdaten den VerfahrensschrittenThis object is achieved by a method in which the measured data in the step pre-treatment of the measured data the method steps
1) Detektion und Eliminierung von „Null-Kanälen",1) detection and elimination of "zero channels",
2) Detektion und Eliminierung von Ausreißern, 3) Filterung,2) detection and elimination of outliers, 3) filtering,
4) Downsampling unterzogen werden. Da sog. „Null-Kanäle", dh. Kanäle von Messdaten welche in allen Abtastzeitpunkten konstant 0 sind, keinerlei Information enthalten, werden diese Kanäle gelöscht und somit die Anzahl der relevanten Kanäle für die weiterfolgenden Schritte reduziert.4) Downsampling be subjected. Since so-called "zero channels", ie channels of measurement data which are constant at all sampling times, do not contain any information, these channels are deleted, thus reducing the number of relevant channels for the subsequent steps.
Bei der Detektion und Eliminierung von Ausreißern werden, beispielsweise bzgl. der Prozessführung ungerechtfertigte, Ausreißer in den Messdaten detektiert und anschließend eliminiert. Die Eliminierung eines Ausreißers erfolgt durch das Ersetzen eines Ausreißers durch einen Mittelwert des betroffenen Kanals.In the detection and elimination of outliers, for example with regard to the process control, unjustified, outliers are detected in the measurement data and then eliminated. The elimination of an outlier occurs by replacing an outlier with an average of the affected channel.
Bei der Filterung werden die Messdatenkanäle, beispielsweise durch die Anwendung von Median Filtern, geglättet, wodurch z.B. Messrauschen reduziert und wie bei der Detektion und Eliminierung von Ausreißern die Qualität der Messdaten erhöht wird.During filtering, the measurement data channels are smoothed, for example by the use of median filters, resulting in e.g. Measurement noise is reduced and, as in the detection and elimination of outliers, the quality of the measurement data is increased.
Beim Downsampling wird der Informationsgehalt einesWhen downsampling the information content of a
Datenkanals vor dem Downsampling bestimmt und mit dem Informationsgehalt eines bzgl. der Abtastzeit veränderten Datenkanals verglichen. Ergibt sich durch das Downsampling, dh . durch eine Reduktion der Abtastfrequenz, keine signifikante Änderung des Informationsgehalts, so wird die Abtastfrequenz reduziert, wodurch eine starke Reduktion der Datenmenge (eine Reduktion der Abtastfrequenz um 50% reduziert die Datenmenge ebenfalls um 50%) möglich ist.Data channel before downsampling determined and compared with the information content of a changed. With respect to the sampling time data channel. This results from downsampling, ie. by a reduction of the sampling frequency, no significant change in the information content, the sampling frequency is reduced, whereby a large reduction of the amount of data (a reduction of the sampling frequency by 50% reduces the amount of data also by 50%) is possible.
Vorteilhafterweise werden die Messdaten bei der Vorbehandlung der Messdaten den Verfahrensschritten in der Reihenfolge Detektion und Eliminierung von „Null-Kanälen", Detektion und Eliminierung von Ausreißer, Filterung und Downsampling unterzogen. Diese Reihenfolge resultiert in einer hohen Qualität der Messdaten und in einer hohen Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens . In einer vorteilhaften Ausführungsform, werden die Messdaten, vorzugsweise nach dem Downsampling, einer Detektion von stationären Bereichen und Eliminierung von nicht-stationären Bereichen unterzogen, wodurch die Größe der Messdaten weiter reduziert und die Bildung von einfachen, statischenAdvantageously, in the pretreatment of the measurement data, the measurement data are subjected to the process steps in the order of detection and elimination of "zero channels", detection and elimination of outliers, filtering and downsampling.This order results in a high quality of the measurement data and in a high efficiency of the inventive method. In an advantageous embodiment, the measurement data, preferably after downsampling, are subjected to detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas, which further reduces the size of the measurement data and the formation of simple, static
Prozessmodellen für eine nachfolgende FD ermöglicht wird.Process models for a subsequent FD is enabled.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass für unterschiedliche Zielkanäle die Schritte Definition eines Zielkanals aus den Messdaten, Vorbehandlung der Messdaten und messdatenbasierte Bildung mindestens eines Modells des Zielkanals pro Zielkanal jeweils mindestens 1 Mal durchgeführt werden und dabei gebildete Modelle bei der Detektion von Fehlzuständen der Anlage verwendet werden. Hierdurch wird eine besonders umfassende Überwachung der Anlage erreicht.A further advantageous embodiment is that, for different target channels, the steps of defining a target channel from the measured data, pretreatment of the measured data and measurement data based formation of at least one model of the target channel per target channel are each performed at least once, and models formed thereby in the detection of malfunction of the system be used. As a result, a particularly comprehensive monitoring of the system is achieved.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, werden für unterschiedliche Zielkanäle die Schritte Definition eines Zielkanals aus den Messdaten, Vorbehandlung der Messdaten und messdatenbasierte Bildung mindestens eines Modells des Zielkanals auf zumindest einem Prozessrechner parallel durchgeführt. Dadurch ist besonders im online Betrieb, dh. bei der Durchführung des Verfahrens auf einem der Anlage zugeordneten Prozessrechner, eine baldige Modellverfügbarkeit gegeben. Die Parallelisierung kann entweder durch mehrere Tasks bzw. Threads auf einem Prozessrechner erfolgen, und/oder durch Aufteilung auf mehrere Prozessrechner.In a further advantageous embodiment, the steps of defining a target channel from the measured data, pretreatment of the measured data and measurement-data-based formation of at least one model of the target channel on at least one process computer are performed in parallel for different target channels. This is especially in online operation, ie. in the implementation of the method on one of the system associated process computer, given an early model availability. The parallelization can be carried out either by a plurality of tasks or threads on a process computer, and / or by division into several process computers.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, enthält die Detektion und Eliminierung von Ausreißern einen univariaten und einen multivariaten Schritt. Der univariate Verfahrensschritt ist besonders dazu geeignet, vergleichsweise große Ausreißer in einem Kanal unabhängig von anderen Kanälen zu detektieren und zu eliminieren. Hingegen wird beim multivariaten Schritt der Abstand der Messwerte aller Kanäle zu einem Zeitpunkt zur Gesamtverteilung ermittelt, wodurch auch schwer erkennbare Ausreißer detektiert und eliminiert werden können.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the detection and elimination of outliers contains a univariate and a multivariate step. The univariate method step is particularly suitable for detecting and eliminating comparatively large outliers in one channel independently of other channels. On the other hand, in the multivariate step, the distance of the measured values of all channels at a time becomes the total distribution determined, which also difficult to detect outliers can be detected and eliminated.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, werden die Messdaten einer Median Filterung unterzogen. Median Filter sind dem Fachmann bekannt und ermöglichen eine sehr effiziente Glättung von Signalen.In a further advantageous embodiment, the measured data are subjected to a median filtering. Median filters are known in the art and allow a very efficient smoothing of signals.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, erfolgt das Downsampling der Messdaten unter Berücksichtigung derIn a further advantageous embodiment, the downsampling of the measured data takes place taking into account the
Transinformation, engl. Auto-Mutual-Information, zwischen einem Kanal vor und nach dem Downsampling. Hierdurch wird es möglich, die Abtastfrequenz in Abhängigkeit des Informationsverlusts durch das Downsampling zu reduzieren und so eine optimierte Downsampling Rate einzustellen.Transinformation, engl. Auto mutual information, between a channel before and after downsampling. This makes it possible to reduce the sampling frequency as a function of the loss of information due to the downsampling and thus set an optimized downsampling rate.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass die Detektion von stationären Bereichen und Eliminierung von nicht-stationären Bereichen unter Berücksichtigung von statistischen Kennzahlen für die Variabilität erfolgt.A further advantageous embodiment is that the detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas taking into account statistical variables for the variability.
Mittels dieser Maßnahme können stationäre Bereich einfach und sicher detektiert werden, was zu einer hohen Qualität der Modelle führt.By means of this measure, stationary areas can be detected simply and reliably, which leads to a high quality of the models.
Vorteilhafterweise werden die Messdaten, bevorzugt nach demAdvantageously, the measured data, preferably after the
Downsampling oder der Detektion von stationären Bereichen und Eliminierung von nicht-stationären Bereichen, einer Detektion und Eliminierung von redundanten Kanälen unterzogen. Mittels dieses Schritts wird die Anzahl der relevanten Kanäle weiter reduziert; dabei können vollständige Redundanzen und gegebenenfalls auch Redundanzen, welcher sich aus einer Ableitung bzw. Integration eines Signals ergeben, berücksichtigt werden.Downsampling or the detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas, a detection and elimination of redundant channels subjected. By means of this step, the number of relevant channels is further reduced; In this case, complete redundancies and possibly also redundancies resulting from a derivation or integration of a signal can be taken into account.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen: Fig. 1 bis Fig. 4 Plots der Kanäle Xi bis X20 der unveränderten Messdaten einer AnlageFurther advantages and features of the present invention will become apparent from the following description of non-limiting embodiments, reference being made to the following figures, which show the following: Fig. 1 to Fig. 4 Plots of the channels Xi to X20 of the unchanged measurement data of a system
Fig. 5 Plot eines Ausschnitts des Zielkanals xio vor und nach dem Schritt Detektion und Eliminierung von AusreißernFig. 5 Plot of a section of the target channel xio before and after the step of detection and elimination of outliers
Fig. 6 Plot eines Ausschnitts des Zielkanals xio vor und nach dem Schritt Filterung6 Plot of a section of the target channel xio before and after the step filtering
Fig. 7 Plot eines Ausschnitts des Kanals X20 vor und nach demFig. 7 Plot of a section of the channel X20 before and after
Schritt Filterung Fig. 8 Schematische Darstellung des DownsamplingsStep Filtering Fig. 8 Schematic representation of the downsampling
Fig. 9 Plot des Zielkanals xio vor und nach dem SchrittFig. 9 plot of the target channel xio before and after the step
Downsamplingdownsampling
Fig. 10 Darstellungen der Auto-Mutual-Information und der skalierten Auto-Mutual-Information in Abhängigkeit der Downsampling Rate10 shows representations of the auto-mutual information and the scaled auto-mutual information as a function of the downsampling rate
Fig. 11 Plot des Zielkanals xio und der dazu redundantenFig. 11 Plot of the target channel xio and the redundant
Kanäle xu, X13 und X14Channels x u , X13 and X14
Fig. 12 Plot des Zielkanals xio und des redundanten Kanals X13Fig. 12 Plot of the target channel xio and the redundant channel X13
Fig. 13 Plot des Zielkanals xio vor und nach dem Schritt Detektion von stationären Bereichen und Eliminierung von nicht-stationären Bereichen und der Kanäle xio, X20 und x7 Fig. 13 Plot of the target channel xio before and after the step Detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas and the channels xio, X20 and x. 7
Fig. 14 Ein Flussdiagramm der wichtigsten Verfahrensschritte14 is a flow chart of the most important method steps
Im Folgenden wird aus Gründen der Übersichtlichkeit von 20 Datenkanälen (Kanalanzahl n=20) und 19498 Messwerten proIn the following, for reasons of clarity, 20 data channels (number of channels n = 20) and 19498 measured values per
Kanal (Anzahl der Messwerte m=19498) ausgegangen; die Daten wurden von einem Messdatenerfassungssystem in einem Walzwerk aufgenommen (reale Messdaten sind meist deutlich größer, z.B. n=400, m=1500000) . MD zeigt symbolisch eine Matrix der Messdaten mit Dimension 19498 x 20. Ein Messwert X1,-, stellt den i-ten Messwert des j-ten Datenkanals der Messdaten dar.Channel (number of measured values m = 19498) assumed; The data were recorded by a data acquisition system in a rolling mill (real measured data are usually much larger, eg n = 400, m = 1500000). MD symbolically shows a matrix of the measurement data with dimension 19498 x 20. A measured value X 1 , - represents the i-th measured value of the j-th data channel of the measured data.
xu n,i9 Λl,20xu n, i9 Λ l, 20
X9 2,1 x. 2,2 X. 2,19 X2,20X 9 2.1x. 2.2 X 2.19 X 2.20
MD =MD =
^19497,1 ^19497,2 ^19497,19 -^19497,2O •^19498,1 ^19498,2 ^19498,19 -^19498,2O Bei den Messdaten handelt es sich beispielsweise um Signale von Druck-, Kraft-, Weg-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungsoder Temperatursensoren, welche für eine nachfolgende Verwendung in einem FD Verfahren aufgenommen wurden. ^ 19497,1 ^ 19497,2 ^ 19497,19 - ^ 19497,2O • ^ 19498,1 ^ 19498,2 ^ 19498,19 - ^ 19498,2O The measurement data are, for example, signals from pressure, force, displacement, velocity, acceleration or temperature sensors, which were recorded for subsequent use in an FD method.
Als Zielkanal wurde der Kanal xio ausgewählt (zehnte Spalte von MD) . In den Fig. 1 bis 4 sind die Kanäle Xi bis X20 graphisch über dem Messdatenindex dargestellt.The channel xio was selected as the target channel (tenth column of MD). In FIGS. 1 to 4, the channels Xi to X20 are shown graphically above the measured data index.
1) Detektion und Eliminierung von „Null-Kanälen"1) Detection and elimination of "zero channels"
Bei der Detektion und Eliminierung von „Null-Kanälen" werden jene Kanäle aus den Messdaten eliminiert, bei denen sämtliche Messwerten 0 sind. Dadurch wird die Anzahl der Kanäle reduziert.In the detection and elimination of "zero channels", those channels are eliminated from the measurement data where all measured values are 0. This reduces the number of channels.
Ein „Null-Kanal" liegt vor, wenn für einen Kanal, dh. für einen Spaltenvektor von MD, gilt X1=O mit i=l...mA "null channel" exists if, for a channel, ie for a column vector of MD, X 1 = O with i = 1 ... m
Vom erfindungsgemäßen Verfahren wurden die Kanäle 9 und 17 als Null-Kanäle identifiziert und eliminiert. Die Dimension der Messdatenmatrix nach dem Schritt Detektion und Eliminierung von „Null-Kanälen" beträgt 19498 x 18, dh. die Datenmenge wurde auf 90% reduziert.By the method according to the invention, the channels 9 and 17 were identified as zero channels and eliminated. The dimension of the measurement data matrix after the step of detection and elimination of "zero channels" is 19498 x 18, ie the amount of data has been reduced to 90%.
Anschließend wird eine univariate und gegebenenfalls eine multivariate Detektion und Eliminierung von Ausreißern durchgeführt .Subsequently, a univariate and possibly a multivariate detection and elimination of outliers is performed.
2a) Univariate Detektion und Eliminierung von Ausreißern2a) Univariate detection and elimination of outliers
Zuerst werden die einzelnen Kanäle, dh. die einzelnen Spalten der Messdatenmatrix, einer univariaten, dh. basierend auf nur einem Kanal, Detektion und Eliminierung von Ausreißern unterzogen. Dabei werden „große" Ausreißer eliminiert. Die Detektion von Ausreißern kann auf zwei Arten durchgeführt werden :First, the individual channels, ie. the individual columns of the measurement data matrix, a univariate, ie. based on only one channel, detection and elimination of outliers subject. This eliminates "big" outliers. The detection of outliers can be done in two ways:
i) Globale Detektion und Eliminierung von Ausreißerni) Global detection and elimination of outliers
Da die Durchführung des Verfahrensschritts an einem Kanal der Messdatenmatrix MD nicht übersichtlich gezeigt werden kann, wird folgender Vektor x eines Kanals von Messdaten mit m=10 Elementen verwendet x = [l 2 3 10 5 4 3 2 1 θf . Der Durchschnitt und die empirische Standardabweichung des Vektors x betragen Since the execution of the method step on a channel of the measurement data matrix MD can not be shown clearly, the following vector x of a channel of measurement data with m = 10 elements is used x = [l 2 3 10 5 4 3 2 1 θf. The average and the empirical standard deviation of the vector x are
1 m s= -£(X1 -x)2 =2,86 x-x1 ms = - £ (X 1 -x) 2 = 2.86 xx
Nun wird für jeden Messwert X1 das Testkriterium G= s berechnet. Beim einseitigen Test liegt ein Ausreißer vor,Now the test criterion G = s is calculated for each measured value X 1 . The one-sided test is an outlier,
zweiseitigen Test lautet dastwo-sided test is that
• Nachfolgend wird z.B. ein einseitiger Test angewendet, mit α=0.05, tα/m,m-2 = to.oos,8=3, 35 der obere kritische Wert der t-Verteilung bei einer Signifikanzschwelle von α/m und m-2 Freiheitsgraden (siehe Tab. IX, Anhang El „Tabellen" in H. Rinne. Taschenbuch der Statistik, 4. Auflage, 2008).• Below, for example, a one-sided test, with α = 0.05, t α / m, m-2 = to. ooos, 8 = 3, 35 the upper critical value of the t-distribution at a significance threshold of α / m and m-2 degrees of freedom (see Tab IX, Appendix El "Tables" in H. Rinne, Taschenbuch der Statistik, 4th Edition, 2008).
Da für den Wert X4=10 das einseitige Testkriterium G=2,41 größer als der Grenzwert von 2,18 ist, liegt ein Ausreißer vor; folglich wird x4 durch den Mittelwert x = 3,1 ersetzt.Since for the value X 4 = 10 the one-sided test criterion G = 2.41 is greater than the limit of 2.18, there is an outlier; consequently, x 4 is replaced by the mean x = 3,1.
Dieses Verfahren wird nun für jeden Kanal solange durchgeführt, bis keine weiteren Ausreißer mehr vorliegen.This procedure is now performed for each channel until there are no more outliers.
ii) Lokale Detektion und Eliminierung von Ausreißern Da bei großen Datenmengen eine globale Bestimmung und Eliminierung von Ausreißern zu aufwändig ist, wird vorteilhafterweise ein lokales Verfahren verwendet. Dabei wird ein Kanal mittels eines Betrachtungsfensters, engl. Sliding window, mit NAUS Elementen auf Ausreißer untersucht und aufgefundene Ausreißer durch einen lokalen Durchschnitt xlokal innerhalb des Betrachtungsfensters ersetzt.ii) Local detection and elimination of outliers Since global data collection and elimination is too costly for large data sets, a local method is advantageously used. In this case, a channel by means of a viewing window, engl. Sliding window, with NAUS elements examined for outliers and replaced found outliers by a local average x locally within the viewing window.
x = •1 2 3 10 5 4 3 2 1 0-x = • 1 2 3 10 5 4 3 2 1 0-
Betrachtungsfenster mit NA US Elementen X lokal ~ -M Slokal = 2,86View window with NA US elements X local ~ -MS local = 2.86
Die Prüfung auf Ausreißer erfolgt analog zum globalen Verfahren, beschränkt sich jedoch auf das Betrachtungsfenster .The check for outliers is analogous to the global procedure, but is limited to the viewing window.
Nach der Durchführung der Detektion und Eliminierung vonAfter performing the detection and elimination of
Ausreißern liegt wiederum eine Messdatenmatrix vor, welche frei von univariaten Ausreißern ist, aber noch die ursprüngliche Dimension aufweist.Outliers, in turn, have a measurement data matrix which is free of univariate outliers but still has the original dimension.
In Fig. 5 ist der Zielkanal xio vor und ein Ausschnitt des Zielkanals nach der lokalen Detektion und Eliminierung von univariaten Ausreißern (NAUS=IO, α=0,05) dargestellt. Die Detektion und Eliminierung von Ausreißern wird auf alle Kanäle angewendet.In Fig. 5, the target channel xio before and a section of the target channel after the local detection and elimination of univariate outliers (NAUS = IO, α = 0.05) is shown. The detection and elimination of outliers is applied to all channels.
2b) Multivariate Detektion und Eliminierung von Ausreißern2b) Multivariate detection and elimination of outliers
Dieser Verfahrensschritt kann im Anschluss an die univariate Detektion und Eliminierung von Ausreißern durchgeführt werden. Dabei werden etwaige Ausreißer aufgrund der sog. Mahalanobis-Distanz oder des Abstands aufgrund der sog. Hauptkomponentenanalyse (engl. Principal component analysis) eines Messwertvektors x (ein Zeilenvektor der Messdatenmatrix) von der Gesamtverteilung detektiert. Aufgefundene Ausreißer werden markiert und durch lokale Mittelwerte ersetzt.This process step can be performed following univariate detection and elimination of outliers. In this case, any outliers due to the so-called Mahalanobis distance or the distance due to the so-called principal component analysis of a measured value vector x (a row vector of the measured data matrix) are detected by the overall distribution. Any outliers found are marked and replaced by local averages.
Die Mahalanobis-Distanz als auch die Hauptkomponentenanalyse sind z.B. bekannt ausThe Mahalanobis distance as well as the principal component analysis are e.g. known from
Mei-Ling Shyu, Shu-Ching Chen, Kanoksri Sarinnapakorn, and LiWu Chang, "A Novel Anomaly Detection Scheme Based on Principal Component Classifier, " Proceedings of the IEEE Foundations and New Directions of Data Mining Workshop, in conjunction with the Third IEEE International Conference on Data Mining (ICDM'03), pp . 172-179, November 19-22, 2003, Melbourne, Florida, USA.Mei-Ling Shyu, Shu-Ching Chen, Kanoksri Sarinnapakorn, and LiWu Chang, "A Novel Anomaly Detection Scheme Based on Principal Component Classifier," Proceedings of the IEEE Foundations and New Directions of Data Mining Workshop, in conjunction with the Third IEEE International Conference on Data Mining (ICDM'03), pp. 172-179, November 19-22, 2003, Melbourne, Florida, USA.
Die Berechnung der Mahalanobis-Distanz d ist weiters ausThe calculation of the Mahalanobis distance d is still out
Kapitel D3.1 „Distanzmessung" aus Rinne bekannt. Das Quadrat der Mahalanobis-Distanz (Abstand eines Messwertvektors x vom Zentrum der Verteilung) ist definiert als wobei y, = et(x-x)τ p Rang der Kovarianzmatrix x Messwertvektor (Zeilenvektor der Messdatenmatrix) x Mittelwert aller Messwerte ex i-ter Eigenvektor der KovarianzmatrixChapter D3.1 "Distance Measurements" from Rinne The square of the Mahalanobis distance (distance of a measured value vector x from the center of the distribution) is defined as where y, = e t (xx) τ p Rank of the covariance matrix x measured value vector (row vector of the measured data matrix) x average of all measured values e x i-th eigenvector of the covariance matrix
X1 i-ter Eigenwert der KovarianzmatrixX 1 i-th eigenvalue of the covariance matrix
Anschließend werden die Indizes i der N=γ-m größtenSubsequently, the indices i of the N = γ-m become largest
Distanzen d2 notiert und jeder Messwert X1,-, mit n≥j≥l durch x ~\~ x einen lokalen Mittelwert X1 } =—— '-^- ersetzt. Dabei ist γ ein frei wählbarer Parameter, beispielsweise γ=0.005.Distances d 2 and each measured value X 1 , -, with n≥j≥l replaced by x ~ \ ~ x a local mean X 1} = - '- ^ -. In this case, γ is a freely selectable parameter, for example γ = 0.005.
Anschließend wird eine Hauptkomponentenanalyse der Messdaten durchgeführt. Bei der Hauptkomponentenanalyse werden die Hauptkomponenten der Messdatenmatrix, dh. die Eigenwerte und Eigenvektoren, entweder über eine Eigenwertanalyse oder eine SVD (engl. Singular value decomposition) der Kovarianzmatrix berechnet .Subsequently, a principal component analysis of the measured data is carried out. In principal component analysis, the main components of the measurement data matrix, ie. the eigenvalues and eigenvectors, either via an eigenvalue analysis or a SVD (Singular value decomposition) of the covariance matrix is calculated.
Ein Messwert x ist ein Ausreißer, wenn , wobei j;=e;(x-x)r und q < p p Rang der Kovarianzmatrix x Messwertvektor (Zeilenvektor der Messdatenmatrix) x Mittelwert aller Messwerte ex i-ter Eigenvektor der Kovarianzmatrix λ± i-ter Eigenwert der Kovarianzmatrix A1 > A2 > ...> λp >0 χq 2 Oberer kritischer Wert der Chi-Quadrat Verteilung mit Signifikanzwert α und q Freiheitsgraden.A metric x is an outlier, if, where j ; = e ; (xx) r and q <pp Rank of the covariance matrix x measured value vector (row vector of the measured data matrix) x average of all measured values e x i-th eigenvector of the covariance matrix λ ± i-th eigenvalue of the covariance matrix A 1 > A 2 >...> λ p > 0 χ q 2 Upper critical value of the Chi-square distribution with significance value α and q degrees of freedom.
Wie bei der Anwendung der Mahalanobis Distanz, werden Ausreißer durch lokale Mittelwerte ersetzt.As with the Mahalanobi distance, outliers are replaced by local averages.
3) Filterung3) filtering
Bei der Filterung der Messdaten werden beispielsweiseFor example, when filtering the measured data
Rauschen oder andere Störsignale aus einzelnen Kanälen der Messsignale entfernt. Dabei wird beispielsweise ein Median Filter mit einem Betrachtungsfenster der Größe N (als Filterordnung bezeichnet) verwendet.Noise or other interfering signals are removed from individual channels of the measuring signals. In this case, for example, a median filter with a viewing window of size N (referred to as filter order) is used.
Bei der Filterung wird j eder Messwert xk eines Kanals durch _ _ (Mittelwert(xk_(N_l)/2,... , xi+(7V_1)/2) für ungerade N {Mittelwert(xk_N/2,...,xk+N/2) für gerade N ersetzt .During filtering, each measured value x k of a channel is given by _ _ (mean value (x k _ (N _ 1) / 2 , ..., x i + (7V _ 1) / 2 ) for odd N {mean value (x k _ N / 2 , ..., x k + N / 2 ) for even N replaced.
Geht man beispielsweise von einem Filter zweiter Ordnung und einem Vektor x = [l 2 3 3,1 5 4 3 2 1 θ]raus, so lautet der gefilterte Vektor xPüt =[l 2 2,7 3,7 4 4 3 2 1 θf . In der Fig. 6 ist ein Ausschnitt des Zielkanals xio und in Fig. 7 ein Ausschnitt des Kanals X20 vor und nach der Filterung mit N=IO dargestellt.For example, assuming a second-order filter and a vector x = [l 2 3 3.1 5 4 3 2 1 θ] r , the filtered vector will be x Püt = [l 2 2.7 3.7 4 4 3 2 1 θf. FIG. 6 shows a section of the target channel xio and FIG. 7 a section of the channel X20 before and after filtering with N = IO.
4) Downsampling4) Downsampling
Das Downsampling der Messdaten wird unter Berücksichtigung der Transinformation (engl. Auto-Mutual Information, vgl. Kapitel 3.3.1.3 „Entropie-orientierte Maße" aus Rinne) AMI (τ) zwischen einem Kanal vor dem Downsampling und demselben Kanal nach dem Downsampling durchgeführt. Die Transinformation AMI (τ) berechnet sich aus kThe downsampling of the measured data is carried out taking into account the transinformation (auto-mutual information, see chapter 3.3.1.3 "Entropy-oriented measures" from the gutter) AMI (τ) between a channel before the downsampling and the same channel after the downsampling. The transinformation AMI (τ) is calculated from k
H(A) = -^ p(αt ) • log2 p(αt ) Entropie des Kanals A vor DownsamplingH (A) = - ^ p (α t ) • log 2 p (α t ) Entropy of channel A before downsampling
H(A) = -^ p(üj ) • log2 p(üj ) Entropie des Kanals A nach DownsamplingH (A) = - ^ p (u j) • log 2 p (u j) the entropy of the channel A to Down Sampling
7=17 = 1
~ k ι H(A, A) = -^ ^ P(Ci1 ,Sj) - log2 P(Ci1 , α} ) Entropie der gemeinsamen Verteilung~ k ι H (A, A) = - ^ ^ P (Ci 1 , S j ) - log 2 P (Ci 1 , α } ) Entropy of the common distribution
:=1 J=I: = 1 J = I
AMI(τ) = H(A) + H(A) - H(A, A) Transinformation zwischen A und AAMI (τ) = H (A) + H (A) - H (A, A) Transinformation between A and A
In Fig. 8 ist schematisch der Effekt des Downsamplings dargestellt; eine Downsampling Rate von τ=i bedeutet, dass nur mehr jeder i-te Wert des ursprünglichen Signals verwendet wird.FIG. 8 schematically shows the effect of downsampling; a downsampling rate of τ = i means that only every i-th value of the original signal is used.
Für jede Downsampling Rate τ = i mit i e [rmn,Tn^x] wird die zugehörige Transinformation AMI (τ) berechnet. Die optimale Downsampling Rate, dh. jenes τ, bei der bei größtmöglicher Datenreduktion möglichst wenig Information verloren geht, ist das erste lokale Minimum von AMI (τ) , dh. AMI(τ -1)> AMI(τ)< AMI(τ + 1) . Kann ein derartiges Minimum nicht gefunden werden, so bedient man sich einer skaliertenFor each downsampling rate τ = i with ie [r mn , T n ^ x ], the associated transinformation AMI (τ) is calculated. The optimal downsampling rate, ie. that τ, where as little information as possible is lost with the greatest possible data reduction, is the first local minimum of AMI (τ), ie. AMI (τ -1)> AMI (τ) <AMI (τ + 1). If such a minimum can not be found, then one uses a scaled one
Transinformation AMI(τ) = AMI(τ) +eTF°klor —1 , sodass ein lokales Minimum aufgefunden werden kann. Der Faktor τFaktor ist ein Skalierungsfaktor und kann geeignet gewählt werden. In Fig. 9 ist der Zielkanal vor und nach dem Downsampling dargestellt, selbstverständlich wird jedoch bei allen Kanälen das Downsampling angewendet. Die verwendete Downsampling Rate ist τ=13, dh. die Datenmenge der Messdaten wurde auf 1/13 reduziert. In Fig. 10 ist weiters die Transinformation AMI (τ) und die skalierte Transinformation AMI(τ)* über τ dargestelltTransinformation AMI (τ) = AMI (τ) + e TF ° clor -1, so that a local minimum can be found. The factor τ Fa k to r is a scaling factor and can be selected appropriately. In Fig. 9, the target channel is shown before and after downsampling, but of course, downsampling is applied to all channels. The downsampling rate used is τ = 13, ie. the data volume of the measured data was reduced to 1/13. FIG. 10 also shows the transinformation AMI (τ) and the scaled transinformation AMI (τ) * over τ
(verwendeter Parameter τFaktor=500) .(used parameter τ factor = 500).
Durch das Downsampling wurde die Messdatenmatrix auf 6, 9% der ursprünglichen Datenmenge reduziert.Downsampling reduced the metric matrix to 6, 9% of the original dataset.
5) Detektion und Eliminierung von redundanten Kanälen5) Detection and elimination of redundant channels
Mittels dieses Verfahrensschritts werden vollständig redundante Kanäle in den Messdaten identifiziert und anschließend eliminiert, wodurch die Kanalanzahl reduziert wird. Hierzu wird ein Betrachtungsfenster mit Größe NRED verwendet, welches paarweise auf den Zielkanal X=xio und einen weiteren, vom Zielkanal verschiedenen Kanal Y angewendet wird. Innerhalb des Betrachtungsfensters wird ein Redundanzsignal (Kreuzkorrelation zwischen dem Zielkanal X und Y innerhalb des Betrachtungsfensters) errechnet, mit RED(J) =corr(XlokalJlokal).By means of this method step, completely redundant channels in the measurement data are identified and subsequently eliminated, whereby the number of channels is reduced. For this purpose, a viewing window with size NRED is used, which is applied in pairs to the target channel X = xio and another channel Y different from the target channel. Within the viewing window, a redundancy signal (cross-correlation between the target channel X and Y within the viewing window) is calculated, with RED (J) = corr (X local J local ).
X- lokal ~ Xι-NREDI2 1+NREDI2 *lokal = yι-NREDI2 1+NREDI2 X- local ~ X ι-NREDI2 1 + NREDI2 * local = yι-NREDI2 1 + NREDI2
Ist das Redundanzsignal für alle Indizes i, RED{ϊ) > REDSchranke , mit beispielsweise REDSchranke=0, 95 oder 0,98, so ist der Kanals Y bzgl. des Zielkanals X redundant und es kann der Kanal Y eliminiert werden.If the redundancy signal for all indices is i, RED {ϊ)> RED bound , with, for example, RED bound = 0, 95 or 0.98, channel Y is redundant with respect to target channel X and channel Y can be eliminated.
In Fig. 11 sind die zum Zielkanal Xi0 redundanten Kanäle X11 , Xi3 und Xi4 dargestellt; in Fig. 12 sind der Zielkanal Xio und der Kanal X13 in einem Plot dargestellt (verwendete Parameter REDSchranke=0, 98, NRED=150). Die redundanten Kanäle werden aus der Messdatenmatrix gelöscht. Es soll aber bemerkt werden, dass ein redundanter Kanal zu einem Zielkanal bereits auch ein einfaches Modell des Zielkanals darstellt, der für eine Fehlerdetektion benutzt werden kann. Durch die diesen Verfahrensschritt wurde die Messdatenmatrix auf 5,89% der ursprünglichen Datenmenge reduziert.FIG. 11 shows the channels X 11 , Xi 3 and Xi 4 redundant to the target channel Xi 0 ; in Fig. 12 of the target channel and the channel Xio X 13 are shown in a plot (Parameters used RED barrier = 0, 98, NRED = 150). The redundant channels are deleted from the measurement data matrix. However, it should be noted that a redundant channel to a destination channel already too represents a simple model of the target channel that can be used for error detection. Due to this process step, the measurement data matrix was reduced to 5.89% of the original data volume.
Bei der Detektion und Eliminierung von Redundanzen, welche sich aus einer Ableitung bzw. Integration eines Zielkanals ergeben, geht man im Wesentlichen wie oben vor, jedoch wird eine numerische Ableitung bzw. Integration des Kanals Y durchgeführt, bevor das des Redundanzsignal RED (i) berechnet wird.In the detection and elimination of redundancies resulting from the derivation of a target channel, one proceeds essentially as above, but a numerical derivative or integration of the channel Y is performed before that of the redundancy signal RED (i) is calculated becomes.
6) Detektion von stationären Bereichen und Eliminierung von nicht-stationären Bereichen6) Detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas
Mittels dieses Verfahrensschritts sollen im Wesentlichen konstante Betriebspunkte aus den Messdaten identifiziert werden. Hierzu wird ein Betrachtungsfenster mit Größe NVAR verwendet, welches auf den Zielkanal angewendet wird. Mittels dieses Fensters wird zu einem Index i des Zielkanals ein Variabilitätssignal VAR (i) errechnet, mit VAR(ι) = |max Xlokal -min Xlokal .By means of this method step, substantially constant operating points are to be identified from the measured data. For this purpose, a viewing window with size NVAR is used, which is applied to the target channel. By means of this window, a variability signal VAR (i) is calculated for an index i of the destination channel, with VAR (ι) = | max X local -min X local .
* lokal ~ Xi-NVÄRI2 i+NVÄR/2 * lokal ~ yι-NVÄR/2 ι+NVAR/2 * local ~ X i-NVÄRI2 i + NVÄR / 2 * local ~ yı-NVÄR / 2 ι + NVAR / 2
Ist die Variabilität an der Position i VAR (i) kleiner als einIs the variability at position i VAR (i) less than one
Teil x der maximalen Variabilität, dh. VAR (i) < VARSChranke mit VARSchranke = x •max VAR(i) , so wird dieser Bereich als stationär angesehen. Selbstverständlich können auch andere statistische Kenngrößen, z.B. die Standardabweichung, für die Variabilität verwendet werden.Part x of the maximum variability, ie. VAR (i) <VAR SC with VAR limit = x • max VAR (i), this range is considered stationary. Of course, other statistical parameters, such as the standard deviation, can also be used for the variability.
In Fig. 13 ist der Zielkanal xio vor und nach der Detektion von stationären Bereichen und der Eliminierung von nicht- stationären Bereichen dargestellt (Parameter NVAR=30, x=0.2). Weiters sind die Kanäle X20 und x7 dargestellt. Wie dargestellt, weist Kanal X20 eine ähnliche Dynamik wie der Zielkanal auf und wäre im Sinne einer - hier nicht näher erläuterten Modellbildung - ein interessanter Kandidat für ein einfaches statisches Modell. Der Kanal x7 weist im Gegensatz dazu eine völlig andere Dynamik als xio auf und wäre daher wenig für eine Modellbildung geeignet.FIG. 13 shows the target channel xio before and after the detection of stationary areas and the elimination of non-stationary areas (parameter NVAR = 30, x = 0.2). Further, the channels are shown X20 and x. 7 As shown, channel X20 has a similar dynamic range as the Target channel on and would be in the sense of a - not explained here model formation - an interesting candidate for a simple static model. The channel x 7 in contrast has a completely different dynamics than xio and would therefore be less suitable for modeling.
Durch diesen Verfahrensschritt wurde die Messdatenmatrix auf 4,4% der ursprünglichen Datenmenge reduziert.This process step reduced the measurement data matrix to 4.4% of the original data volume.
Die resultierende Messdatenmatrix ist die Basis für eine anschließende Bildung mindestens eines Modells für den Zielkanal. Ein der Anlage zugeordneter Prozessrechner berechnet anhand aktuell ermittelter Messdaten der Anlage und des generierten Modells einen simulierten Zielkanal, welcher für den Vergleich zwischen dem simulierten und dem gemessenen Zielkanal verwendet wird. Bei signifikanten Abweichungen zwischen diesen beiden Kanälen, wird eine Warnung bzw. eine Fehlermeldung generiert. Besonders umfassend lässt sich die Detektion von Fehlzuständen einer Anlage dann durchführen, wenn nicht nur ein Modell eines Zielkanals erstellt wird, sondern für unterschiedliche Zielkanäle jeweils mindestens 1 Modell für den jeweiligen Zielkanal gebildet wird und dabei gebildete Modelle bei der FD verwendet werden. Weiterführende Schritte, wie z.B. die Identifikation oder die Isolierung von Fehlern, können z.B. der VeröffentlichungThe resulting measurement data matrix is the basis for a subsequent formation of at least one model for the target channel. A process computer assigned to the installation calculates a simulated target channel, which is used for the comparison between the simulated and the measured target channel, on the basis of currently determined measurement data of the installation and the generated model. If there are significant deviations between these two channels, a warning or an error message is generated. The detection of faulty states of a system can be carried out particularly comprehensively if not only one model of a destination channel is created, but for each of the different destination channels at least one model for the respective destination channel is formed and models formed thereby are used in the FD. Further steps, such as the identification or the isolation of errors, e.g. the publication
H. Efendic, A. Schrempf und L. del Re. Data based fault isolation in complex measurement Systems using modeis on demand. Präsentiert bei der Safeprocess Conference, Juni, 2003. Washington, DC, USA.H. Efendic, A. Schrempf and L. del Re. Data based fault isolation in complex measurement Systems using mode on demand. Presented at the Safeprocess Conference, June, 2003. Washington, DC, USA.
entnommen werden. Fig. 14 zeigt in einem Flussdiagramm die wichtigsten Verfahrensschritte bei der Vorbehandlung der Messdaten. Hierbei werden mindestens zwei Kanäle von Messdaten (z.B. von unterschiedlichen Sensoren, wie Druck-, Temperatur-, Geschwindigkeits- oder Kraftsensoren) einer Anlage der Eisenoder Stahlindustrie mittels eines Messdatenerfassungssystems aufgenommen und abgespeichert. Nach der Definition eines Zielkanals aus den Kanälen von Messdaten, werden die ursprünglich vorliegenden Messdaten (1) bei der Vorbehandlung der Messdaten (7) nacheinander den Verfahrensschrittenbe removed. 14 shows in a flow chart the most important method steps in the pretreatment of the measured data. In this case, at least two channels of measured data (eg from different sensors, such as pressure, temperature, speed or force sensors) of a system of the iron or steel industry are recorded and stored by means of a measurement data acquisition system. After the definition of a target channel from the channels of measurement data, the originally present measurement data (1) in the pretreatment of the measurement data (7) are successively the method steps
- Detektion und Eliminierung von „Null-Kanälen" (2) Detektion und Eliminierung von Ausreißern (3)- Detection and elimination of "zero channels" (2) Detection and elimination of outliers (3)
- Filterung (4) Downsampling (5) unterzogen, wodurch die Datenmenge der resultierenden Messdaten (6), dh. die Anzahl der Kanäle der Messdaten und/oder die Anzahl der Messwerte bzw. Messpunkte pro Kanal, stark reduziert wird, was sich wiederum positiv auf die nachfolgenden Schritte der FD - messdatenbasierte Bildung mindestens eines Modells des Zielkanals- Filtering (4) Downsampling (5) subjected, whereby the data volume of the resulting measured data (6), ie. the number of channels of the measured data and / or the number of measured values or measuring points per channel is greatly reduced, which in turn has a positive effect on the subsequent steps of the FD measuring data based formation of at least one model of the target channel
- Verwendung des so generierten Modells und aktuell ermittelter Messdaten zur Detektion von Fehlzuständen der Anlage auswirkt. - Use of the model thus generated and currently determined measurement data for the detection of malfunction of the plant effects.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Überwachen von Anlagen, insbesondere komplexe Anlagen der Eisen- und Stahlindustrie, mit den Schritten Aufnehmen von mindestens zwei Kanälen von Messdaten einer Anlage, gegebenenfalls Abspeichern der Messdaten, Definition eines Zielkanals aus den Messdaten, Vorbehandlung der Messdaten, messdatenbasierte Bildung mindestens eines Modells des Zielkanals und Verwendung des so generierten Modells und aktuell ermittelter Messdaten zur Detektion von Fehlzuständen der Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten bei der Vorbehandlung der Messdaten den Verfahrensschritten1. A method for monitoring installations, in particular complex installations of the iron and steel industry, comprising the steps of recording at least two channels of measured data of a plant, optionally storing the measured data, definition of a target channel from the measured data, pretreatment of the measured data, measurement data based formation of at least one Model of the target channel and use of the model thus generated and currently determined measurement data for detecting malfunction of the system, characterized in that the measurement data in the pretreatment of the measured data the method steps
- Detektion und Eliminierung von „Null-Kanälen"; - Detektion und Eliminierung von Ausreißern;- Detection and elimination of "zero channels" - Detection and elimination of outliers;
- Filterung;- filtering;
- Downsampling; unterzogen werden.- downsampling; be subjected.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten bei der Vorbehandlung der Messdaten den Verfahrensschritte in der Reihenfolge Detektion und Eliminierung von „Null-Kanälen", Detektion und Eliminierung von Ausreißer, Filterung und Downsampling unterzogen werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the measurement data in the pretreatment of the measured data are subjected to the method steps in the sequence of detection and elimination of "zero channels", detection and elimination of outliers, filtering and downsampling.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten, vorzugsweise nach dem Downsampling, einer Detektion von stationären Bereichen und Eliminierung von nicht-stationären Bereichen unterzogen werden .3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measured data, preferably after the downsampling, a detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas are subjected.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Zielkanäle die Schritte Definition eines Zielkanals aus den Messdaten, Vorbehandlung der Messdaten und messdatenbasierte Bildung mindestens eines Modells des Zielkanals pro Zielkanal jeweils mindestens 1 Mal durchgeführt werden und dabei gebildete Modelle bei der Detektion von Fehlzuständen der Anlage verwendet werden. 4. The method according to claim 1, wherein for different target channels, the steps of defining a target channel from the measured data, pretreatment of the measured data and measurement-data-based formation of at least one model of the target channel per target channel are carried out at least once each time and models formed during the Detection of malfunction of the system can be used.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Zielkanäle die Schritte Definition eines Zielkanals aus den Messdaten, Vorbehandlung der Messdaten und messdatenbasierte Bildung mindestens eines Modells des Zielkanals auf zumindest einem Prozessrechner parallel durchgeführt werden.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for different target channels, the steps of defining a target channel from the measured data, pretreatment of the measured data and measuring data based formation of at least one model of the target channel are performed in parallel on at least one process computer.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion und Eliminierung von Ausreißern einen univariaten und gegebenenfalls einen multivariaten Schritt enthält.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the detection and elimination of outliers contains a univariate and optionally a multivariate step.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung der Messdaten durch einen Median Filter erfolgt.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the filtering of the measured data is performed by a median filter.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Downsampling der Messdaten unter Berücksichtigung der Transinformation zwischen einem Kanal vor und nach dem Downsampling erfolgt.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the downsampling of the measured data taking into account the trans information between a channel before and after the downsampling takes place.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion von stationären Bereichen und Eliminierung von nicht-stationären Bereichen unter Berücksichtigung von statistischen Kennzahlen für die Variabilität erfolgt.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas taking into account statistical variables for the variability.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten, bevorzugt nach dem Downsampling oder der Detektion von stationären Bereichen und Eliminierung von nicht-stationären Bereichen, einer Detektion und Eliminierung von redundanten Kanälen unterzogen werden . 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measurement data, preferably after the downsampling or the detection of stationary areas and elimination of non-stationary areas, a detection and elimination of redundant channels are subjected.
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