DE10117114A1 - Verfahren zur Überwachung von Maschinen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überwachung von periodisch arbeitenden Maschinen zur Früherkennung von Maschinenveränderungen beschrieben. Mittels Überwachungssensoren (11) werden maschinenspezifische Meßsignale (KS, A) erfaßt, die in einem Referenzmodus zur Bildung von die Maschine dokumentierenden Referenzwerten (KSR(k, l, m, ...n)) verarbeitet werden. Ferner werden Steuergrößen (k, l, m, ...n), die einen n-dimensionalen Zustandsraum (R(k, l, m, ...n)) bilden, erfaßt. Im Zustandsraum wird zu jedem Maschinenzustand (i(k¶i¶, l¶i¶, m¶i¶, ...n¶i¶)) ein Referenzwert (KSR¶i¶(k¶i¶, l¶i¶, m¶i¶, ...n¶i¶)) angelegt. Die Meßsignale (KS¶i¶, A¶i¶) eines Maschinenzustands (i) werden bei hinterlegtem Referenzwert (KSR¶i¶(k¶i¶, l¶i¶, m¶i¶, ...n¶i¶)) mit dieser Referenz verglichen. Die Meßsignale (KS¶j¶) eines Maschinenzustands (j), für die keine Referenz hinterlegt ist, werden zur Bildung der Referenzwerte (KSR¶j¶(k¶j¶, l¶j¶, m¶j¶, ...n¶j¶)) verarbeitet und im Zustandsraum (R(k, l, m, ...n)) abgelegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung von periodisch arbeitenden Maschinen zur Früherkennung von Ma­ schinenveränderungen, wobei mittels eines Überwachungssensors maschinenspezifische Meßsignale erfaßt werden, die in einem Referenzmodus zur Bildung von die Maschine dokumentierenden Referenzwerten verarbeitet werden und die in einem Überwa­ chungsmodus, nach gleichen Kriterien verarbeitet, mit den Referenzwerten verglichen werden und wobei bei Überschreiten eines Instabilitätsmaßes eine Maschinenänderung angezeigt wird.

Ein Verfahren dieser Art ist aus dem DE 195 45 008 C2 bekannt. Dieses Verfahren ist in zwei Arbeitsphasen aufgeteilt, nämlich in einen Ausgangsmodus für die Ermittlung der Referenz und einen Überwachungsmodus für die eigentliche Überwachung. Beim Einsatz der Überwachungseinrichtung wird zunächst im Ausgangs­ modus aus den vom Sensor gelieferten Meßsignalen eine Referenz ermittelt, die das Verhalten der zu überwachenden Maschine im Anfangs- bzw. Ausgangszustand darstellt und die im anschließend einsetzenden Überwachungsmodus Verwendung findet.

Es gibt jedoch Anwendungen, wie Windkraftwerke, bei denen die Betriebslasten abhängig von äußeren Umständen, wie Windge­ schwindigkeit, über einen langen Zeitraum nicht vorkommen, so daß sie nicht im Ausgangsmodus und damit nicht in der Referenz­ bildung erfaßt werden. Im Überwachungsmodus würde bei einem solchen Zustand eine Schadensmeldung erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfah­ ren dahingehend weiter zu entwickeln, daß es auch für solche Maschinen anwendbar ist, die seltene Belastungszustände er­ fahren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein gleitender Über­ gang zwischen einer Referenzbildung und einer Überwachung des Prüflings ermöglicht, bei dem sich die Referenzbildung nicht nur auf einen Anfangsabschnitt eines neuen Einsatzes be­ schränkt, sondern für jeden neuen Zustand wiederholt. Das Ver­ fahren ermöglicht somit ohne genaue Kenntnis der zu erwartenden Betriebslast einer rotierenden Maschine, wie Windkraftwerke, den Schädigungsgrad nach relativ kurzer Zeit zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit universell bei allen periodisch arbeitenden Maschinen einsetzbar, auch bei solchen, deren Betriebslasten große Unregelmäßigkeiten anzeigen können. Dieses erfolgt ohne Referenzwerte einspielen oder das Verhalten der Maschine im Schadensfall durch Vorversuche ermitteln zu müssen.

Als Meßgröße dient der Körperschall und die Antriebsdrehzahl oder Parameter, die beim Eintreten eines Schadens eine Änderung erfahren. Zur Bestimmung des jeweiligen Maschinenzustandes wird eine jedoch in der Regel mehrere Steuergrößen, z. B. Getriebe­ temperatur, Abtriebsdrehzahl, Drehmoment, etc., gemessen, die beim eintreten eines schadens keine Änderung erfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem n-dimensio­ nalen Referenzraum, der automatisch nach Bedarf mit Referenz­ werten ausgefüllt wird. Als Eingang in das System werden neben den Meßgrößen die Steuergrößen zugeführt. Die Steuergrößen bilden einen n-dimensionalen Zustandsraum. Zu jedem Zustand wird, unabhängig vom Zeitpunkt seines Auftauchens, eine Meß­ größenreferenz angelegt. Ist in einem Zustand schon ein Re­ ferenzwert hinterlegt, so kommt es zu dem Vergleich des ak­ tuellen Meßwertes mit der Referenz.

Die Verarbeitung der Meßsignale erfolgt nach bekannten Metho­ den. So können die vom Überwachungssensor gelieferten Zeitsig­ nale z. B. in Frequenzsignale umgewandelt werden und aus Fre­ quenzsignalen von mindestens zwei Maschinenzyklen Mittelwerte der einzelnen Frequenzordnungen gebildet und verarbeitet wer­ den. Eine Vorgehensweise hierzu ist beispielsweise in der DE 195 45 008 C2 beschrieben. Einer näheren Erörterung bedarf es daher nicht an dieser Stelle.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung gezeigten Prin­ zipskizze und Beispielen näher beschrieben.

In der Zeichnung ist der Verlauf des Überwachungsverfahrens skizziert. Eine zu überwachende rotierende Maschine 10 wird mit Sensoren 11 zum Messen von Meßgrößen KS, A sowie Steuergrößen k, l, m. .n ausgestattet. Die Steuergrößen bilden einen n-dimen­ sionalen Zustandsraum i(k, l, m, . .n). Die von den Sensoren er­ faßten Signale werden einer nicht näher dargestellten Überwa­ chungseinrichtung zugeführt, die die Signale eines jeden Ma­ schinenzustands i(k_i, l_i, m_i, . .n_i) auf das Vorhandensein der zu­ gehörigen Referenz KSR_i(k_i, l_i, m_i, . .n_i) überprüft. Ist für den Zustand i (k_i, l_i, m_i, . .n_i) noch keine Referenz angelegt, werden die Meßgrößen KS_i, A_i zur Bildung der Referenz KSR_i(k_i, l_i, m_i, . .n_i) für die Zelle i eines n-dimensionalen Referenzraumes R(k, l, m, . .n) verarbeitet und in diesem Referenzraum abgelegt.

Ist für einen Maschinenzustand j(k_j, l_j, m_j, . . n_j) bereits eine Re­ ferenz KSR_j(k_j, l_j, m_j, . .n_j) im Referenzraum R(k, l, m, . .n) ange­ legt, wird diese zur Ermittlung der Schadensinformation mit der aktuellen Meßgröße KS_j, A_j verglichen.

1. Beispiel einer Überwachung an einem Windkraftwerk. Die Betriebslasten des Windkraftwerkes hängen in erster Linie von der Windgeschwindigkeit ab. Da die Windgeschwindigkeit aber in großen Teilen nicht auf Wochen oder Monate genau vorherbe­ stimmbar ist, benötigt eine Überwachung die Fähigkeit schon mal erlebte Situationen, d. h. Belastungsfälle, gleich zu über­ wachen. Außerdem darf es wegen noch nicht erlebten Situationen, wie z. B. dem Herbststurm oder dem Jahrhundertsturm, nicht gleich zu einer Abschaltung durch die Überwachung kommen. Die­ ses wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren berücksichtigt.

Dazu wird die Windkraftanlage mit Sensoren zum Messen des Kör­ perschalls KS und der Antriebsdrehzahl A (Meßgrößen) sowie zum Messen der Steuergrößen, wie Windgeschwindigkeit W, Abtriebs­ drehzahl N, Getriebetemperatur T, Drehmoment M, ausgestattet. Diese Steuergrößen bilden einen n-dimensionalen Zustandsraum i(W, N, T, M). Zu jedem Zustand i wird nach einem bestimmten Verfahren V, wie zum Beispiel dem in der DE 195 45 008 C2 be­ schriebenen Frequenzanalyse Verfahren, eine Körperschallrefe­ renz KSR_i(W_i, N_i, T_i, M_i) angelegt. Es sind natürlich die Anwendung anderer bekannter Verfahren sowie auch Ordungsanalysen-Methoden möglich.

Ist in einem Zustand j bereits eine Körperschallreferenz KSR_j(W_j, N_j, T_j, M_j) hinterlegt, dann kommt es zu einem Vergleich der Referenz KSR_j(W_j, N_j, T_j, M_j) mit dem aktuellen Körperschall KS_j. Aus dem Vergleich wird dann eine aktuelle Schädigung S_j errechnet. Diese Schädigung wird in einem Trendindex T(t) über die Zeit eingetragen und kann bei einer Überschreitung einer Grenze zur Abschaltung der Maschine und/oder zu Wartungs-/Re­ paraturanweisungen genutzt werden.

Wenn für einen Zustand i (erstmaliger Sturm) noch keine Körper­ schallreferenz hinterlegt wurde, so erkennt das Verfahren dies und ermittelt nach dem vorbestimmten Verfahren V eine Körper­ schallreferenz KSR_i(W_i, N_i, T_i, M_i) und legt sie in der dazuge­ hörigen Zelle i des Referenzraumes R(W_i, N_i, T_i, M_i) ab.

2. Beispiel. Überwachung von Fahrzeuggetrieben. Hierbei kann es auch zu Belastungen kommen, die in einer anfänglichen Referenz­ bildungsphase nicht gelernt wurden, z. B. das Fahrzeug schleppt zum ersten Mal einen Anhänger und somit wird die Belastung auf das Getriebe um ein Vielfaches steigen.

In einer Anfangsphase wird das Getriebe durch die verschiedenen Belastungen, z. B. beim Durchlaufen aller Gänge, betrieben, wobei das Verfahren die Zustände i jeweils als neu erkennt und dafür jeweils Referenzen XR_i ermittelt und in der zugehörigen Zelle i des Referenzraumes R ablegt.

Nach oder während dieser anfänglichen Referenzbildungsphase geht das Verfahren automatisch in den Überwachungsprozess über, sobald für einen Zustand j bereits eine Referenz XR_i hinterlegt ist.

Wurden alle normalen Belastungssituationen erfaßt, wird das Verfahren sich in einer ausschließlichen Überwachungsphase bewegen. Taucht jedoch ein neuer Belastungszustand k auf, der z. B. durch die Verbindung des Fahrzeugs mit einem Anhänger verursacht wird, so muß diese Situation neu gelernt werden, d. h. die im neuen Zustand k erfaßten Meßsignale werden zur Bildung der zugehörigen neuen Referenz XR_k verarbeitet.

Claims (5)

1. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung von periodisch arbeitenden Maschinen zur Früherkennung von Maschinenveränderungen, wobei mittels eines Überwachungssensors maschinenspezifische Meßsignale erfaßt werden, die in einem Re­ ferenzmodus zur Bildung von die Maschine dokumentierenden Refe­ renzwerten verarbeitet werden und die in einem Überwachungs­ modus, nach gleichen Kriterien verarbeitet, mit den Referenz­ werten verglichen werden und wobei bei Überschreiten eines In­ stabilitätsmaßes eine Maschinenänderung angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Meßsignalen (KS, A) mindestens eine den Maschinenzustand kennzeichnende Steuergröße (k, l, m, . .n) gemessen wird und daß zu jedem sich einstellenden Ma­ schinenzustand (i(k_i, l_i, m_i, . .n_i)) automatisch ein Referenzwert (KSR_i) für die aktuelle Meßgröße (KS_i) angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem sich einstellenden Maschinenzustand (i(k_i, l_i, m_i, . .n_i)) unabhängig vom Zeitpunkt dessen Eintretens automatisch ein Referenzwert (KSR_i) für die aktuelle Meßgröße (KS_i) angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergrößen (k, l, m, . . .n) einen n-dimensionalen Zu­ standsraum (R(k, l, m, . .n)) bilden, in dem der Referenzwert (KSR_i(k_i, l_i, m_i, . .n_i) zu jedem sich ereignenden Maschinenzustand (i(k_i, l_i, m_i, . .n_i)) abgelegt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale (KS_i, A_i) eines Maschinenzu­ stands (i), bei hinterlegtem Referenzwert (KSR_i(k_i, l_i, m_i, . .n_i)) mit dieser Referenz verglichen und daraus eine aktuelle Schädi­ gung (S_i) errechnet wird, die in einen Trendindex (T(t)) über der Zeit eingetragen wird, und daß bei Überschreitung einer Grenze die Maschine in einen Störzustand versetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale (KS_i) eines Maschinenzu­ stands (i), für den keine Referenz hinterlegt ist, zur Bildung der Referenzwerte (KSR_i(k_i, l_i, m_i, . .n_i)) und deren Ablage im Zu­ standsraum (R(k, l, m, . .n)) verarbeitet wird.