DD224934A1

DD224934A1 - Verfahren zum ermitteln charakteristischer maschinenzustandsaenderungen aus diagnosesignalen

Info

Publication number: DD224934A1
Application number: DD26245884A
Authority: DD
Inventors: Rainer Knauer; Gert Griessbach; Horst Wiesser; Hans-Joachim Schubert; Rolf Wendler; Hans-Werner Lang; Karin Wendler; Werner Zink
Original assignee: Maxhuette Unterwellenborn
Priority date: 1984-04-30
Filing date: 1984-04-30
Publication date: 1985-07-17

Abstract

Verfahren zum Ermitteln charakteristischer Maschinenzustandsaenderungen aus Diagnosesignalen, insbesondere bei der Analyse und Gewinnung von Informationen ueber das Betriebsverhalten von Maschinen mit rotierenden Teilen, mit dem Ziel, reproduzierbare Kenngroessen ueber sich anbahnende Schaedigungen zur Absicherung einer zustandsabhaengigen Instandhaltung und Senkung des Instandhaltungsaufwandes, bereitzustellen. Die Aufgabe besteht darin, mit moeglichst geringem technischen Aufwand Informationen ueber den Verlauf von Schaedigungsprozessen bei veraenderlichen Betriebsparametern und stoerenden Einflussfaktoren am Messobjekt, vollautomatisch mit hoher Genauigkeit bereitzustellen. Dazu wird erfindungsgemaess realisiert, dass ausgehend von einer kontinuierlichen Fortbildung zweier Schwellwerte um die den Betriebszustand einer Maschine bestimmenden Diagnosesignale, die fuer einen vorgegebenen prozentualen Anteil von Messwerten rekursiv und adaptiv bestimmt werden und auf deren Grundlage gleitend die Ermittlung von Kenngroessen erfolgt, und weitere Ermittlung von Kenngroessen basierend auf der adaptiven Bestimmung von Parametern eines Autoregressiven-Gleitmittel-Modellprozesses realisiert wird und Abweichungen aller Kenngroessen zur Identifizierung von Maschinenzustandsaenderung und zur Informationsgewinnung bei Schaedigungsprozessen dienen. Die Anwendung der Erfindung bezieht sich auf den genannten Bereich der Informationsgewinnung fuer die Technische Diagnose an Maschinen und Anlagen.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zum Ermitteln charakteristischer Maschinenzustandsänderungen aus Diagnosesignalen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln charakteristischer Maschinenzustandsänderungen aus Diagnosesignalen, insbesondere bei der Analyse und der Gewinnung von Informationen über das Betriebsverhalten von Maschinen mit rotierenden Teilen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für das Ermitteln charakteristischer Maschinenzustandsänderungen aus Diagnosesignalen sind Verfahren bekannt, die durch das Erfassen und Auswerten, insbesondere von Maschinenschwingungen im Zeit- und Spektralbereich, Teilinformationen über Änderungen des Be triebszustandes einer Maschine bereitstellen. Derartige Verfahren, wie beispielsweise in DE - OS 2429129 dargestellt, orientieren wesentlich auf den Vergleich von Leistungsspektren, insbesondere bei rotierenden Maschinenteilen, um Abweichungen vom normalen Betriebszustand festzustellen. Das dazu erforderliche Ermitteln des Leistungsspektrums für eine Vielzahl von Meßstellen und Schwingungsparametern erfordert hohe geräte- und schaltungstechnisehe Aufwendungen mit Bandpaßfrequenzfiltern oder mit Rechengliedern zur Realisierung von Verfahren der Fouriertransformation.

.. ··., j co π-' ',

ο π ϋ. 0 £ Ί -'. K - * J- Ό ° ^ ^u

Alle Verfahren der Transformation aus dem Zeitbereich beinhalten Fehlerquellen, die zu Fehl interpretationen der erfaßten Diagnosesignale beitragen. Außerdem wird stationäres Verhalten der Diagnosesignale χ (t) vorausgesetzt, so daß beispielsweise normals dynamische Änderungen im Betriebsverhalten von störenden Abweichungen nicht genau unterschieden werden können. Die weiteren Beispiele, wie dargestellt in: E. Stäglich u. a., Schwingungsmessungen und -analyse in der Technischen Diagnostik, Die Technik (34), 1979, H. 6, S. 318-322, zeigen zusätzlich die Möglichkeiten der Informationsgewinnung über Maschinenzustandsänderungen im Zeitbereich auf.

Die darin dargestellten Verfahren, wie beispielsweise über die Auswertung der Korrelationsfunktion, sind ebenfalls in ihrer Anwendbarkeit begrenzt, da auch bei diesen Lösungen von stationären Verhältnissen des Diagnosesignals ausgegangen werden muß. Die Beurteilung von Maschinenzustandsänderungen aus Diagnosesignaien unter realen Betriebsbedingungen führt bei den bekannten Verfahren oft zu Fehleinschätzungen, da sich die gewonnenen Diagnosekenngrößen, die durch eine Vielzahl zufälliger Faktoren mit Stör- und Nutzsignalariteil beeinflußt werden, unzureichend normalen veränderten Betriebsbedingungen anpassen.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß eine direkte Verknüpfung von Diagnosesignalen mit anderen den Betriebszustand der Maschine bestimmenden Meßgrößen nicht erfolgt, so daß eine Ermittlung komplexer Diagnosekenngrößen nicht realisiert werden kann und Informationen zur Identifizierung, Lokalisierung und Früherkennung von Schädigungsprozessen nur partiell und mit unzureichender Reproduzierbarkeit realisiert werden können.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Maschinenzustandsänderungen aus Diagnosesignalen durch Anwendung von Methoden der Zeitreihenanalyse, insbesondere von Schwingungssignalen rotierender Maschinenteile, zu entwickeln, um reproduzierbare Kenngrößen über sich anbahnende Schädigungen bereitzustellen zur Absicherung einer zustandsabhängigen Instandhaltung und Senkung des Instandhaltungsaufwandes .

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln von charakteristischen Maschinenzustandsänderungen aus Diagnosesignalen zu entwickeln, das es gestattet, mit möglichst geringem technischen Aufwand, Informationen über den Verlauf von Schädigungsprozessen bei veränderlichen Betriebsparametern und störenden Einflußfaktoren am Meßobjekt, insbesondere an rotierenden Maschinenteilen, vollautomatisch mit hoher Genauigkeit bereitzustellen.

Erfindungsgemäß werden die charakteristischen Maschinenzustandsänderungen durch fortlaufendes Erfassen und Auswerten von Diagnosesignalen \ x. \ ... ₉ , insbesondere Schvvingungssignalen, die in relevanten Frequenzbereichen den Maschinenzustand widerspiegeln, unter Nutzung von an sich bekannten Schaltungsanordnungen und Rechengliedern dadurch ermitteln, daß ausgehend von einer kontinuierlichen Fortbildung zweier Schwel 1 werte z* und z~ um die den Betriebszustand einer Maschine bestimmenden Diagnosesignale (Xi-J j..-, ο ' ^^{e e}i^nen vorgegebenen prozentualen Anteil «6 dieser Meßwerte einschließen oder begrenzen und dem Zufallscharakter dieser Werte entsprechend als Quanti!werte der Wahrscheinlichkeitsverteilung rekursiv und adaptiv bestimmt werden, wobei der prozentuale Anteil und eine Adaptionsgeschwindigkeit c, maschinen typisch ausgewählt, zur Nachführung der Schwellwerte z* und z~ um die Diagnosesignale { x, \ ,_. ₉ dienen und aus der zuletzt gewonnenen Anzahl η von Schwellwerten z, und z~ gleitend die Ermittlung der Kenngrößen A = Anzahl der Schwellwertüberschreitung durch die Diagnosesignale, D = Schwellwertabstand, Q = Verhältnis von Meßwertmittel und Scbwellwertlage, |t, \ , .. = tendenzielle Änderung der ieweiliqen Kennarößen, erfolgt und weiter Kenngrößen K. basierend auf einer adaptiven gleitenden Bestimmung von Parametern eines Autoregressiven Gleitmittel-Model lprozesses gebildet werden und Abweichungen aller Kenngrößen A, D, Q, {τ, \ , K. von aus Vorversuchen ermittelten Normalbereichen als Maschinenzustandsänderungen signalisiert werden und zur Informationsgewinnung -bei der Identifizierung und Lokalisierung von Schädigungsprozessen dienen.

Durch Verknüpfung der signalisierten Abweichungen der Kenngrößen aller relevanten den Betriebszustand der Maschine bestimmenden Meßgrößen und dem Vergleich mit komplexen Signalmustern eine Zuordnung der angezeigten Maschihenzustandsänderungen zu Schädigungsprozessen unter normal schwankenden Betriebsparametern und weiter störender Einflußfaktoren am Meßobjekt vollautomatisch gesichert wird.

Weiterhin wird gewährleistet, daß in Abhängigkeit der automatisch signalisierten schwankenden Betriebsparameter der prozentuale Anteil «L und die Adaptionsgeschwindigkeit c verändert und nachgeführt werden und die Informationsgewinnung über den Schädigungsprozeß erhalten bleibt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.

Der erfinderischen Lösung wird zugrunde gelegt, daß von einem Diagnoseobjekt, beispielweise vom Lager eines rotierenden Maschinenteils, fortlaufend Meßwerte der Schwingbeschleunigung oder andere den Betriebszustand beschreibende Signale { x, \ _¥_ ₀ erfaßt und ausgewertet werden.

Die kontinuierliche Meßwerterfassung erfolgt über an sich bekannte Meßeinrichtungen und Schaltungsanordnungen, die eine variable Bandbegrenzung, Demodulation oder Effektivwertbildung er-· möglichen.

Die damit bereitgestellten Diagnosesignale dienen der Ermittlung von charakteristischen Maschinenzustandsänderungen bei Identifizierung und Lokalisierung von Schädigungsprozessen, die mittels der nachfolgend dargestellten Verfahrensschritte der Meßwertauswertung über verschiedene Rechenglieder, vorzugsweise Module der Mikrorechentechnik, erzielt wird.

Dabei werden über adaptive, also sich den konkreten Bedingungen anpassende, Methoden der Zeitreihenanalyse Kenngrößen bestimmt, die charakteristische Veränderungen des zeitlichen Verlaufs der Diagnosesignale, hervorgerufen durch Betriebszustandsänderungen, anzeigen. Diese Kenngrößen basieren auf der kontinuierlichen Fortbildung zweier Schwellwerte um die Diagnosesignale., die ei-

nen vorgegebenen prozentualen Anteil cL dieser Meßwerte einschließen, beziehungsweise auf der kontinuierlichen Bestimmung von Parametern eines Modellprozesses.

Die Schwellwerte z\ und z~ sind, dem Zufallscharakter der Signale entsprechend, Quantilwerte der vorliegenden Wahrscheinlichkeitsverteilung und werden rekursiv und adaptiv nach

"t + 1

- c(l-el )

z~ + cd

z~ - col

Kj

, falls x. £ Z⁺,

, falls χ.

+ ^zt

, falls x. > z~

, falls x_fc £ z~

L/ — J. , — ,

bestimmt, wobei

z* den oberen Schwellwert zum Zeitpunkt t, z~ den unteren Schwellwert zum Zeitpunkt t und χ den aktuellen Meßwert bezeichnet, c ist eine dem Anwendungsfall angepaßte Adaptionskonstante und ,«< widerspiegelt den prozentualen Anteil der Meßwerte, den die Schwel!werte umfassen. Aus den η zuletzt gewonnenen Schwellwerten (n etwa 20) werden gleitend die Kenngrößen A = Anzahl der Schwellwer^Überschreitungen durch die Meßwerte, D = Schwellwertabstand, Q = Verhältnis von Meßwertmittel und Schwellwertlage und { T, 1 = ten-

denzielle Änderung der jeweiligen Kenngrößen über die entsprechenden Rechenglieder bestimmt. Mit anderen Rechengliedern erfolot oarallel die Ermittluna eines Kennqrößenvektors K. aus einer Anzahl Z von zuletzt erfaßten Diagnosesignalen

i.\ u ι basierend auf der Bestimmung von Parametern eines Autoregressiven-Gleitmittel-Modellprozesses der Form

D η

1 M

^ar^Yt-r

^bs^Xt-s

wobei die zufällige Folge \ Y, J die Diaqnosesignale modelliert und (p,q) die Ordnung des Prozesses bezeichnet.

Die Parameter fa } _Λ und Ib \

^u r ^J r = l, . . . , ρ *· s ^J s =

v/er den nach

r,t-l"^vt^et^vt-l ^{=: c}r,t

r,t

s,t-l"^vt^et^et-s ^{=: d}s,t

t £ r falls

sonst

t * s

falls

sonst

( 0

t * 1

^ar,t-l^Yt-r

s,t-l^et-s '

_Λ _ο Zahlenfolge mit y v, =

OO

t=l

adaptiv bestimmt und definieren ebenfalls einen Kenngrößenvektor K_A charakteristischer Maschinenzustandsanderungen. Abweichungen aller dieser Kenngrößen von aus Vorversuchen vorgegebenen maschinentypischen Normalbereichen werden über Triggerschaltungsanordnungen oder Rechenglieder als Grenzwertüberschreitung registriert und in einem Signalmuster verknüpft und als komplexe Oiagnosekenngröße dargestellt.

Da das Signalmuster auch die Abweichungen der Kenngrößen der anderen den Betriebszustand beschreibenden Meßgrößen, wie beispielsweise Drehzahl, Temperatur, Leistung u.a. einbezieht, werden alle charakteristischen Maschinenzustandsanderungen adaptiv ausgewertet, verknüpft und angezeigt.

Die Zuordnung der ermittelten Maschinenzustandsanderungen zur Identifizierung und Lokalisierung von Schädigungsprozessen erfolgt über eine Vergleicherschaltungsanordnung mit vorgegebenen Signalmasken, so daß beispielsweise unterschiedliche Veränderun-

gen hervorgerufen von Lagerverschleiß, Unwucht, mangelhafter Schmierung und verschiedenartiger Störungen auf einem Monitor angezeigt werden, wobei normale Schwankungen der Betriebsparameter durch die genannte Nachführung der Kenngrößen der Diagnosesignale einbezogen werden.

Weiterhin werden bei Signalisierung der schwankenden Betriebsparameter der Maschine aus dem Vergleich mit den vorgegebenen Signalmasken eine automtische Nachführung des prozentualen Anteils «4. und der Adaptionsgeschwindigkeit c realisiert, so daß die Bereitstellung aussagekräftiger Informationen über den Schädigungsprozeß aus den signalisierten charakteristischen Maschinenzustandsänderungen erhalten bleiben.

Die erfinderische Lösung gestattet weiterhin eine Identifizierung und Lokalisierung sich anbahnender Störungen im Betriebsverhalten von Maschinen und Anlagen sowie eine Kopplung mit Auswerteeinrichtungen der Zuverlässigkeitsarbeit, so daß unmittelbar auf eine zustandsabhängige Instandhaltung und die Senkung des Instandhaltungsaufwandes Einfluß genommen wird.

Claims

8 ErfindunqsanSpruch

1. Verfahren zum Ermitteln charakteristischer Maschinenzustandsänderungen durch fortlaufendes Erfassen und Auswerten von · Diagnosesignalen Zx₊.] _{f-1 9} , insbesondere Schwingungs-Signalen, die in relevanten Frequenzbereichen den Maschinenzustand widerspiegeln, unter Nutzung von an sich bekannten Schaltungsanordnungen und Rechengliedern gekennzeichnet dadurch, daß ausgehend von einer kontinuierlichen Fortbildung zweier Schwellwerte z? und z7 umd die Diagnosesignale i^xh] f-i ο ' die einen vorgegebenen prozentualen Anteil dieser Meßwerte einschließen oder begrenzen und entsprechend ihrem Zufallscharakter als Quantilwerte der Wahrscheinlichkeitsverteilung rekursiv und adaptiv bestimmt werden, wobei der prozentuale Anteil d. und eine Adaptionsgeschwindigkeit c maschinentypisch ausgewählt zur Nachführung der Schwellwerte zt und z7 dienen und aus der zuletzt gewonnenen Anzahl η von Schwellwerten z* und z~ gleitend die Ermittlung der Kenn-

' L· Xr

größen.A = Anzahl der Schwellwertüberschreitungen, D = Schwellwertabstand, Q = Verhältnis von Meßwertmittel und Schwellwertlage, { T. j ... = Tendenzielle Änderung der jeweiligen Kenngröße, erfolgt und eine weitere gleitende Ermittlung von Kenngrößen K, aus einer Anzahl Z von zuletzt erfaßten Diagnosesignale {x. ^ ,_.. ₉ basierend auf der adaptiven Bestimmung von Parametern eines Autoregressiven-Gleitmittel-Modellprozesses realisiert wird und Abweichungen aller Kenngrößen A, D, Q₁ {T, J , K. von aus Vorversuchen ermittelten Normalbereichen als Maschinenzustandsänderung erkannt werden und zur Informationsgewinnung bei der Identifizierung und Lokalisierung von Schädigungsprozessen dienen.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch die Verknüpfung der signalisierten Abweichungen der Kenngrößen aller relevanten den Betriebszustand der Maschine bestimmenden Meßgrößen und dem Vergleich mit komplexen Signalmustern eine Zuordnung der angezeigten Maschinenzustandsänderung zu Schädigungsprozessen unter normal schwankenden Betriebsparametern und weiterer störender Einflußfaktoren am Meßobjekt vollauto-

matisch gesichert wird.

Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß in Abhängigkeit der automatisch signalisierten schwankenden Betriebsparameter der Maschinen der prozentuale Anteil und die Adaptionsgeschvvindigkeit c verändert und nachgeführt werden und die Informationsgewinnung über den Schadigungsprozeß erhalten bleibt.