DE10141556A1 - Verfahren zur Überwachung der Messung von Prozessgrößen, insbesondere bei der pH-Messung - Google Patents

Verfahren zur Überwachung der Messung von Prozessgrößen, insbesondere bei der pH-Messung

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Abstract

Ein Verfahren zur Überwachung der Messung von Prozessgrößen umfasst folgende Verfahrensschritte: DOLLAR A - laufende Erfassung eines aktuellen Messwertes (M¶W¶) der Prozessgröße (pH, T), DOLLAR A - laufende Bildung eines Grenzwertfensters (F) um den aktuellen Messwert (M¶W¶) durch Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten (M¶W¶), DOLLAR A - Vergleichen des jeweils aktuellen Messwertes (M¶W¶) mit dem Grenzwertfenster (F), und DOLLAR A - Generieren einer Warnung, falls der jeweils aktuelle Messwert (M¶W¶) außerhalb des Grenzwertfensters (F) liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Messung von Prozessgrößen, insbesondere bei der pH-Messung, und eine entsprechende Messvorrichtung, bei der dieses Überwachungsverfahren implementiert ist.
  • Im Hintergrund der Erfindung steht die in der Technik zunehmend geforderte Sicherheit chemischer Prozesse, die durch ausgefeiltere Überwachungsverfahren zu gewährleisten ist. Eine Möglichkeit zur Überwachung von Prozessen besteht in der schlichten Verfolgung von Prozessgrößen und einem entsprechenden Vergleich mit festen Sollwerten. Dies ist jedoch nur für relativ statisch ablaufende Prozesse ein gangbarer Weg, um genügend Überwachungssicherheit zu erhalten. Bei dynamisch-stetigen Prozessen, bei der sich eine oder mehrere Prozessgrößen ändern, ist dieses Vorgehen eher ungeeignet.
  • Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Überwachungsverfahren für die Messung von Prozessgrößen anzugeben, mit dem eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte wie folgt gelöst:
    • - laufende Erfassung eines aktuellen Messwertes der Prozessgröße,
    • - laufende Bildung eines Grenzwertfensters um den aktuellen Messwert durch Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten,
    • - Vergleichen des jeweils aktuellen Messwertes mit dem Grenzwertfenster, und
    • - Generieren einer Warnung, falls der jeweils aktuelle Messwert außerhalb des Grenzwertfensters liegt.
  • Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass in relativ stetigen Prozessen eine abrupte Änderung eines Messwertes, wie beispielsweise des pH-Wertes oder der Temperatur, auf eine Störung hinweist. Diese kann unterschiedlicher Qualität sein. Zum einen kann die abrupte Wertänderung auf einen defekten Messsensor im gesamten Überwachungs- und Messsystem des Prozesses hinweisen, so dass der eigentliche Prozess nach wie vor ordnungsgemäß abläuft. Nichtsdestotrotz ist ein defekter Sensor ein erhebliches Risikopotential, da die Überwachungs- und Messvorrichtung für den von diesem Sensor abgetasteten Parameter quasi "blind" ist. Zum anderen kann die abrupte Messwertänderung durch Fehlabläufe im Prozess entstehen, in welchem Falle es besonders wichtig ist, dass schnell und zweifelsfrei eine Erkennung des möglicherweise kritischen Zustands des Prozesses erfolgt. Dies ist durch das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet.
  • Das erwähnte Grenzwertfenster wird vorzugsweise durch einen Zentralwert und eine Fensterbreite um diesen Zentralwert definiert. Der Zentralwert wird durch eine Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten ermittelt. Die Anzahl legt dabei die Zeitkonstante der Mittelwertbildung fest, wobei dieses statistische Verfahren praktisch einem Tiefpass mit großer Zeitkonstante entspricht. Um den Zentralwert wird das symmetrische Grenzwertfenster mit einer Fensterbreite gelegt, die durch eine skalierte Mittelwertbildung aus Maximal- und Minimalwerten der vergangenen Messwerte ermittelt wird. Die Fensterbreite ist also im wesentlichen durch die Schwankungsbreite der vergangenen Messwerte bestimmt, wobei der Einfachheit halber lediglich auf den minimalen und maximalen Messwert und nicht auf die in der Statistik komplexer definierte Schwankungsbreite im Sinne einer Standardabweichung abgestellt wird.
  • Vorzugsweise wird die Anzahl der für die Mittelwertbildung herangezogenen Messwerte zur Anpassung der Zeitkonstanten des Überwachungsverfahrens in Abhängigkeit der prozessbedingten, zeitlichen Messwert-Schwankungen bestimmt. Ein sehr stetiger Prozess mit geringen zeitlichen Änderungen kann folglich mit einer sehr langen Zeitkonstante erfasst, ein dynamisch sich ändernder Prozess muss - um ungerechtfertigte Warnungen zu vermeiden - mit einer kurzen Zeitkonstante verfolgt werden. Dabei kann die Fensterbreite des Grenzwertfensters an die Kurzzeit-Schwankungsbreite der Messwerte angepasst werden.
  • Für eine visuell einfach erfassbare Überwachung eines Prozesses kann es ferner von Vorteil sein, den laufend erfassten Messwert und das Grenzwertfenster graphisch auf einer laufenden Anzeige darzustellen, so dass mit einem Blick erkennbar ist, ob der Prozess sich innerhalb der gesteckten Grenzen befindet, eine Tendenz zeigt, aus diesen Grenzen hinaus zu laufen oder sich gar bereits außerhalb der Grenzen befindet, wobei dann eine Warnung abgegeben wurde.
  • Das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren kann besonders einfach in übliche Messvorrichtungen für chemische Prozessgrößen eingesetzt werden. So können pH-Messvorrichtungen, die auf der Basis eines Mikroprozessor-gesteuerten Messgerätes arbeiten, das Überwachungsverfahren in der Gerätesteuerung implementiert haben. Dabei kann als primäre Messgröße der pH-Wert und als sekundäre Messgröße die Temperatur des Prozesses mit dem Überwachungsverfahren verfolgt werden.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. Es zeigen:
  • Fig. 1 und 2 jeweils graphische Anzeigen des zeitlichen Verlaufs einer pH- und Temperatur-Messung mit Messwert und Grenzwertfenster.
  • Das nachfolgende Beispiel betrifft die Messung des pH-Wertes und der Temperatur mithilfe eines nicht näher dargestellten pH-Messgerätes, das die entsprechenden Werte in einem zeitlichen Raster von beispielsweise 1 sec abtastet.
  • Aus einer bestimmten Anzahl n der letzten Messwerte MW von pH-Wert und Temperatur kann durch laufende Mittelung der Mittelwert gebildet werden, der den Zentralwert M des Grenzwertfensters F definiert. Dies erfolgt nach der Beziehung


    mit
    M: Zentralwert
    MWi: vergangene Messwerte und
    n: definierte Anzahl von vergangenen Messwerten
  • Die Anzahl n der zur Mittelwertbildung herangezogenen vergangenen Messwerte MW kann dabei aus der folgenden Beziehung ermittelt werden:


    mit
    K1: prozessabhängige Konstante
    K2: Konstante zur Begrenzung der Maximalanzahl der vergangenen Messwerte
    ΔMW: Messwert-Schwankungen während der Zeit Δt
  • Die Anzahl n richtet sich also nach der Zeitkonstanten der prozessabhängigen, zeitlichen Messwertschwankungen ΔMW/Δt und ist umso kleiner, je größer der Betrag dieser Messwertschwankungen ist. Sofern keine Schwankungen vorliegen, bildet die Konstante K2 eine Obergrenze für die Anzahl n.
  • Die Fensterbreite ΔFm des Grenzwertfensters schließlich wird nach der Beziehung

    ΔFm = (MWmax-MWmin).K3 + K4

    mit MWmax bzw. MWmin: maximaler bzw. minimaler Messwert MWi
    K3: Sicherheitsfaktor und
    K4: minimaler Sicherheitsabstand zum Zentralwert
    bestimmt.
  • Bei Anwendung der vorstehenden Beziehungen und deren Umsetzung in eine graphische Anzeige ergeben sich die in den Fig. 1 und 2 zeitlichen Verlaufsbilder der Prozessgrößen pH-Wert und Temperatur T. Dort ist das Grenzwertfenster F ohne den Zentralwert M in seinem zeitlichen Verlauf durch die beiden dünnen, synchron laufenden Linien dargestellt. Die jeweiligen Messwerte MW sind durch die dicker ausgezeichnete Linie repräsentiert und bewegen sich über weite Teile des Verlaufs innerhalb des Grenzwertfensters F. Lediglich in der durch einen Pfeil P gekennzeichneten Passage laufen die Messwerte von pH und Temperatur aus dem Grenzwertfenster heraus, wobei die Temperaturstörung - beispielsweise ein fehlerhafter Heizer in einem Prozess - zu einem Zeitpunkt t1 auftritt, der vor dem entsprechenden "Ausreißer" beim pH-Wert zum Zeitpunkt t2 liegt. Insoweit kann daraus geschlossen werden, dass die unzulässige Änderung im pH- Wert bei dem dargestellten Prozessverlauf eine Reaktion auf die falsche Temperaturführung im Prozess war. Ab den Zeitpunkten t3 und t4 mit t3 < t4 befinden sich die Meßgrößen Temperatur T und pH-Wert wieder in den erlaubten Grenzen.
  • Die Aufzeichnungsgeschwindigkeit, also die zeitliche Streckung der t- Achse in den beiden Diagrammen gemäß Fig. 1 und 2, kann im übrigen automatisch aus der Änderungsgeschwindigkeit des überwachten Prozesses generiert werden, die ja ohnehin zur Berechnung des Grenzwertfensters als statistische Eingangsgröße erfasst wird.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung der Messung von Prozessgrößen, insbesondere bei der pH-Messung, mit folgenden kennzeichnenden Verfahrensschritten:
- laufende Erfassung eines aktuellen Messwertes (MW) der Prozessgröße (pH, T),
- laufende Bildung eines Grenzwertfensters (F) um den aktuellen Messwert (MW) durch Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten (MW),
- Vergleichen des jeweils aktuellen Messwertes (MW) mit dem Grenzwertfenster (F), und
- Generieren einer Warnung, falls der jeweils aktuelle Messwert (MW) außerhalb des Grenzwertfensters (F) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzwertfenster (F) durch einen Zentralwert (M) und eine Fensterbreite (ΔFm) um den Zentralwert (M) definiert ist, wobei der Zentralwert (M) durch eine Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten (MW) und die Fensterbreite (ΔFm) durch eine skalierte Mittelwertbildung aus Maximal- und Minimalwerten (MWmax, MWmin) der vergangenen Messwerte (MW) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der für die Mittelwertbildung herangezogenen Messwerte (MW) in Abhängigkeit der prozessbedingten, zeitlichen Messwert-Schwankungen (ΔMW/Δt) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterbreite (ΔFm) des Grenzwertfensters (F) an die Kurzzeit- Schwankungsbreite der Messwerte (MW) angepasst wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralwert (M) des Grenzwertfensters (F) nach der Beziehung


mit
M: Zentralwert
MWi: vergangene Messwerte und
n: definierte Anzahl von vergangenen Messwerten
gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl n der zur Mittelwertbildung herangezogenen vergangenen Messwerte (MW) nach der Beziehung


mit
K1: prozessabhängige Konstante
K2: Konstante zur Begrenzung der Maximalanzahl der vergangenen Messwerte
ΔMW: Messwert-Schwankungen während der Zeit Δt
bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterbreite ΔFm des Grenzwertfensters (F) nach der Beziehung

DFm = (MWmax-MWmin).K3 + K4

mit
MWmax bzw. MWmin: maximaler bzw. minimaler Messwert MWi
K3: Sicherheitsfaktor und
K4: minimaler Sicherheitsabstand zum Zentralwert
bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der laufend erfasste Messwert (MW) und das Grenzwertfenster (F) graphisch auf einer laufenden Anzeige dargestellt werden.
9. Messvorrichtung für Prozessgrößen, insbesondere pH-Messvorrichtung, auf der Basis eines Mikroprozessor-gesteuerten Messgerätes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überwachungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in der Gerätesteuerung implementiert ist.
10. Messvorrichtung nach Anspruch 9 für den pH-Wert und die Temperatur eines chemischen Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass als primäre Messgröße der pH-Wert (pH) und als sekundäre Messgröße die Temperatur (T) des Prozesses mit dem Überwachungsverfahren überwacht werden.
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