DE10147741A1

DE10147741A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Instandhaltung

Info

Publication number: DE10147741A1
Application number: DE10147741A
Authority: DE
Inventors: Lueder Heidemann; Hansjuergen Seybold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-05-15
Also published as: DE10147740A1

Abstract

Zur präventativen Erkennung von Instandhaltungsbedarf wird ein realer Prozess simuliert und die Simulation mit dem realen Prozess synchronisiert. Durch den Vergleich zwischen dem realen Prozess und der Simulation in verfahrenstechnischer Hinsicht lassen sich Störungen frühzeitig erkennen und Instandhaltungsmaßnahmen entsprechend managen. Dadurch können Ausfallzeiten einer Anlage reduziert und einzelne Prozessschritte optimiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Instandhaltung eines Systems, in dem ein Realprozess abgewickelt wird.

Üblicherweise werden erforderliche Instandhaltungsmaßnahmen ereignisgesteuert oder zeitgetriggert durchgeführt. Bei ereignisgesteuerten Instandhaltungsmaßnahmen wird eine Prozesskomponente ausgetauscht oder repariert, wenn diese ausgefallen ist. Demgegenüber werden bei zeitgetriggerten Instandhaltungsmaßnahmen in regelmäßigen Zeitabständen Wartungsmaßnahmen durchgeführt, wodurch ein Ausfall der Prozessanlage verhindert werden soll.

Die präventive Instandhaltung ist insbesondere bei sehr komplexen Anlagen von herausragender Bedeutung. Der Ausfall beispielsweise einer Produktionsanlage kann sehr hohe Kosten hervorrufen. Daher werden komplexe Anlagen häufig durch Sensoren überwacht, und die Messwerte dafür verwendet, um Instandhaltungsbedarf zu erkennen. Typischerweise werden hierzu Messwerte von Anlagenkomponenten erfasst und während des Prozesses mitgeschrieben. Aus den Veränderungen der Messwerte lassen sich Tendenzen erkennen, die unter Umständen Instandhaltungsmaßnahmen erfordern. So kann beispielsweise der Druck in einer Anlage im Laufe der Zeit ansteigen, was beispielsweise auf eine Verstopfung einer Rohrleitung hinweist. Darüber hinaus können Vibrationen Rückschlüsse auf einen Lagerverschleiß geben oder das Messen des Phasenwinkeldreiecks in einem Antrieb auf einen ungünstigen Schlupf hinweisen. Nicht bei jeder Anlage lassen sich jedoch die einzelnen Komponenten ständig auf Verschleiß und dergleichen überwachen. So kann eine Überwachung beispielsweise bei sehr hohen Prozesstemperaturen, sehr kompakter Anlagenbauweise oder zu hoher Komplexität von Einzelkomponenten unwirtschaftlich sein.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Möglichkeiten zur Erkennung von Instandhaltungsbedarf von Anlagen und Systemen zu verbessern bzw. zu erweitern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Instandhaltung eines Systems durch Ausführen eines Realprozesses in dem System, Ausführen eines Simulationsprozesses zeitlich parallel zu dem Realprozess, wobei der Simulationsprozess zumindest einen Teil des Realprozesses simuliert, Vergleichen des Simulationsprozesses mit dem Realprozess oder dem Teil davon unter Gewinnen eines Vergleichsergebnisses und Ableiten von Instandhaltungsmaßnahmen aus dem Vergleichsergebnis.

Ferner wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Instandhaltung eines Systems, auf dem ein Realprozess mit einem oder mehreren Realprozessschritten ablaufbar ist, mit einer Simulationseinrichtung zum Simulieren zumindest eines Teils des Realprozesses durch einen Simulationsprozess, wobei der Simulationsprozess zeitlich parallel zu dem Realprozess ausführbar ist, einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Simulationsprozesses mit dem Realprozess unter Gewinnen eines Vergleichsergebnisses und einer Steuereinrichtung zum Veranlassen einer Instandhaltungsmaßnahme auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses.

In vorteilhafter Weise kann mit der Erfindung damit eine produktionsgetriebene Instandhaltung ermöglicht werden, wobei die Simulation des Prozesses parallel zum realen Prozess abläuft. Dabei kann der Simulationsprozess beispielsweise mit zugehörigen Produktionsparametern versorgt werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
Fig. 1 ein Datenflussdiagramm eines realen Prozesses und eines erfindungsgemäßen parallel laufenden Simulationsprozesses;
Fig. 2 ein Signalflussdiagramm zum Alarmieren und Vorhersagen von Instandhaltungsbedarf; und
Fig. 3 ein Signalflussplan zur Durchführung von Instandhaltungsmaßnahmen.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Signalflussplan einer Steuerung eines realen Prozesses in der linken Hälfte des Bildes und eines parallellaufenden Simulationsprozesses in der rechten Hälfte des Bildes. Zur Steuerung des realen Prozesses dient als Ausgangspunkt die Auftragssteuerung bzw. ein sogenannter Scheduler. Mit den Auftragsdaten wird eine Rezeptsteuerung (batch flexible) angesteuert. Aus einer Datenbank, der Rezeptverwaltung, bezieht die Rezeptsteuerung das bzw. die gewünschten Rezepte. Diese Ansteuerung ist sowohl für Stapelverarbeitungsprozesse (batch) als auch für kontinuierliche Prozesse geeignet.
Die eigentliche Anlagensteuerung bzw. Automatisierung erfolgt in dem mit "Sequenz Logik" bezeichneten Block in Fig. 1. Ein eigener Baustein zwischen der Rezeptsteuerung und der Sequenz Logik sorgt für die Koordination der Befehle hinsichtlich der Semantik.
Die Sequenz Logik steht mit mehreren Funktionsblöcken FB in Verbindung, die für die Automatisierung der einzelnen Schritte zuständig sind. Die Sequenz Logik und die Funktionsblöcke tauschen dann über eine Eingabe/Ausgabe-Peripherie Befehle und Messwerte mit den Prozesskomponenten des realen Prozesses aus. Als Beispiel eines realen Prozesses könnte ein einfacher Produktionsprozess dienen, der in einer vereinfachten Anlage durchgeführt wird. Ein Behälter steht mit einem Reaktor über ein Rohr in Verbindung. In dem Reaktor befinden sich zwei Aggregate, ein Rührer und ein Heizaggregat. Der Behälter wird mit einem bestimmten Stoff gefüllt. Während des Produktionsprozesses könnte der Reaktor mit dem Stoff aus dem Behälter gefüllt werden und anschließend den eingefüllten Stoff heizen und rühren. Die entsprechenden Verfahrensschritte sind Füllen, Heizen und Rühren. Jeder dieser einzelnen Verfahrensschritte bzw. Grundoperationen besitzt eine eigene interne Sequenz von Befehlsschritten, die in der Sequenz Logik umgesetzt wird. Beispielsweise kann der Verfahrensschritt Füllen die Befehle umfassen: Überprüfe Zustand der Zellradschleuse, öffne Schieber, überprüfe Füllstand usw. In einem Rezept zur Herstellung einer bestimmten Substanz sind die einzelnen Verfahrensschritte exakt festgelegt. Ähnlich einem Kochrezept enthält das Steuerungsrezept Parameter wie Prozesszeiten, Prozesstemperaturen usw. Darüber hinaus wird eine bestimmte Abfolge der Verfahrensschritte vorgegeben.
In der Sequenz Logik werden die einzelnen Verfahrensschritte zur Abfolge gebracht und der jeweilige Anfang und das Ende zeitlich festgelegt. Unter Vorgabe der Sequenz Logik übernehmen Funktionsbausteine die Einzelsteuerung von Anlagenkomponenten.
In der rechten Seite des Bildes von Fig. 1 ist ein entsprechender Simulationsprozess dargestellt. Wie das reale Prozesssystem besteht das Simulationssystem aus einem Koordinationsbaustein mit nachfolgender Sequenz Logik und Equipment- Funktionsbausteinen. Die Eingabe/Ausgabe-Peripherie des realen Prozesses wird durch eine logische Peripherie simuliert. Der reale Prozess selbst muss zum einen in seinen Komponenten als auch in dem Verfahrensablauf selbst simuliert werden. Die Komponenten werden in einer sogenannten Equipmentsimulation simuliert und die Verfahrenssimulation findet durch geeignete Zusammenschaltung der Equipmentsimulationsbausteine statt.
Aus einer Bibliothek mit RB-Klassen (Reaktionsbausteine) kann die logische Peripherie und die Equipmentsimulation durch einen Semantikmanager automatisch generiert werden.
Equipment-Stammdaten, Stoff-Stammdaten, Rohrleitungs-Stammdaten etc. fließen in die Verfahrenssimulation ein. Equipment- Stammdaten sind beispielsweise der Durchmesser von Behältern, Leistungsmerkmale von Ventilen, Pumpen usw. Stoff-Stammdaten sind Mengen, Körnung usw. des verwendeten Stoffes. Schließlich geben die Rohrleitungs-Stammdaten Abmessungen und sonstige relevante Größen der verwendeten Rohrleitungen wieder. Sämtliche Stammdaten können in Bibliotheken hinterlegt werden.
Erfindungsgemäß wird nun der reale Prozess mit dem Simulationsprozess synchronisiert. Dadurch findet ein Parallellauf beider Prozesse statt, so dass ein unmittelbarer Vergleich der Prozessergebnisse ermöglicht wird. Dabei muss nicht der gesamte reale Prozess simuliert werden, sondern es kann beispielsweise ein besonders kritischer Prozessschritt, der beispielsweise eine ständige Überwachung erfordert, simuliert werden.
Die Verfahrenssimulation wird günstiger Weise von der Auftragssteuerung des realen Prozesses mitgesteuert. Es kann aber für die Simulation auch eine separate Steuerung vorgesehen werden. Darüber hinaus bezieht die Verfahrenssimulation die Rezepte vorzugsweise aus der Rezeptverwaltung des realen Prozesses. Diese unmittelbare Angliederung an den realen Prozess ist mit eine Voraussetzung für ein automatisches Engineering der Simulation. Jedenfalls ist sie hierfür ausgesprochen hilfreich.
Durch die Simulation lassen sich die gesamte Anlage und/oder wesentliche Anlagenteile als virtuelle Anlage nachbilden. Durch das gezielte Nachbilden von Anlagenteilen und das vergleichen der jeweiligen virtuellen und realen Verfahrensschritte lässt sich Instandhaltungsbedarf je nach Größe der Simulationskomponente entsprechend gut lokalisieren. So können beispielsweise kritische Anlagenteile in feinere Verfahrensschritte unterteilt werden, so dass der Instandhaltungsbedarf besser lokalisiert werden kann. Bei unkritischen Anlagenteilen können mehrere Komponenten sowohl beim Vermessen des realen Prozesses als auch bei der Simulation zusammengefasst werden. Stellt sich nun aufgrund des Vergleichs der Resultate von Verfahrensschritten im realen und virtuellen Prozess eine feste Abweichung oder eine zeitlich zunehmende Abweichung heraus, so können entsprechende Instandhaltungsmaßnahmen eingeleitet werden.
Erfindungsgemäß wird das verfahrenstechnische Verhalten einer Anlage untersucht, um Instandhaltungsbedarf frühzeitig erkennen zu können. Es wird also beispielsweise nicht die Vibration einer Pumpe gemessen, um Rückschlüsse auf einen Lagerverschleiß ziehen zu können, sondern es wird der Durchfluss gemessen und mit einem simulierten Idealdurchfluss verglichen, um die Alterung der Pumpe erkennen zu können.
In einer Weiterentwicklung könnte auch das Verhalten des in der Anlage befindlichen und verarbeiteten Stoffes simuliert werden. Aus dem simulierten und realen chemischen Umformungsprozess könnten Rückschlüsse auf die Anlage gezogen werden. So könnten beispielsweise Abweichungen im physikalischen Zustand eines Stoffes, z. B. Viskosität, darauf hinweisen, dass ein Kühlgerät defekt ist. Ebenso könnten beispielsweise Abweichungen zwischen simuliertem und gemessenem PH-Wert darauf hindeuten, dass ein Rührer defekt ist.
Ob nun für Diagnosezwecke die physikalischen Parameter des in der Anlage befindlichen Stoffes oder typische Anlagengrößen wie der Durchsatz verwendet werden, ist zweitrangig, solange erfindungsgemäß der Simulationsprozess parallel zum realen Prozess verläuft und Einzelergebnisse von Verfahrensschritten oder Gesamtergebnisse der Gesamtverfahren verglichen werden. Für den jeweiligen Vergleich ist es notwendig, dass der Anfang und das Ende eines jeden zu vergleichenden Verfahrensschritts definiert und erkannt wird. Ebenso lassen sich eindeutige Indikatoren für Instandhaltungsbedarf ermitteln. So können beispielsweise unüblich lange Füllzeiten oder auch lange Heizzeiten erkannt werden, die vom normalen Anlagenbetrieb abweichen. Diese Abweichungen müssen nicht zum Ausfall der gesamten Anlage oder zur Produktion von Ausschuss führen, sondern bedeuten unter Umständen lediglich, dass die Anlage nicht am projektierten Optimum fährt.
Je nach Größe der Abweichungen können die entsprechenden Instandhaltungsmaßnahmen durchgeführt werden. So kann bei einer geringen Abweichung zwischen dem realen und dem simulierten Prozess lediglich eine Warnung an das Instandhaltungsteam geleitet werden. Bei größeren Abweichungen könnte eine Störmeldung abgesetzt werden, die einen unmittelbaren Wartungsbedarf signalisiert.
Die Diagnoseinformationen, die man vom Parallellauf des realen und simulierten Prozesses erhält, kann auch zur Optimierung der Anlage verwendet werden. Wird beispielsweise die Anlage mit einer geänderten Rezeptur gefahren, so ändern sich die Verfahrensschritte und/oder deren Reihenfolge. Die Anlagensteuerung bzw. der Scheduler setzt das neue Rezept in Zeitabläufe bzw. Zeitscheiben um. Bei Vielstoffanlagen beispielsweise sind diese Zeitscheiben in Abhängigkeit der verschiedenen Stoffe und Anlagenkomponenten zu koordinieren. Ziel dabei ist, alle Anlagenteile möglichst optimal auszulasten. Um das Scheduling online zu verbessern, kann der Simulationsprozess parallel zum realen Prozess laufen. Dadurch lässt sich eine Optimierung erzielen, ohne dass die Anlage still stehen muss.
Wie bereits erwähnt, bedingt ein aussagekräftiger Vergleich zwischen realen und simulierten Prozessschritten eine genaue Synchronisation. Dabei ist auch ein exakter Ausgangspunkt festzulegen, was durch das Initialisieren erfolgt. Wie in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, kann das Initialisieren des Simulationsprozesses durch die Sequenz Logik der Originalanlage online gesteuert werden. So kann beispielsweise gewährleistet werden, dass ein Behälter in der Originalanlage und bei der Simulation in einem bestimmten Verfahrensschritt eines bestimmten Rezepts jeweils einen definierten Füllstand hat.
Die einfachen Pfeile in Fig. 1 bedeuten dabei signaltechnische Verknüpfungen oder Aktionsverknüpfungen und die Doppelpfeile Datenverbindungen, die beispielsweise zum Parametrieren und Engineering erforderlich sind.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Signalflussplan zur Gewinnung einer Instandhaltungsanforderung aufgrund der Diagnose, die sich aus dem Vergleich zwischen dem realen Prozess und dem parallellaufenden Simulationsprozess ergeben hat. Erläuterungen zu den Bausteinen finden sich in der Tabelle am Ende der Beschreibung.
Fig. 3 zeigt einen Signalflussplan, der die Weiterverarbeitung einer Instandhaltungsanforderung in einem Instandhaltungsmanagement zeigt. Demnach werden Servicemaßnahmen ausgeführt, wenn dies aufgrund einer Informationsbeschaffung, einer Material/Ressourcen-Beschaffung, einer Instandhaltungsplanung und der Instandhaltungsanforderung erforderlich ist. Die Material/Ressourcen-Verwaltung und das Budget wirkt sich dabei auf die Instandhaltungsplanung aus. Darüber hinaus dient das Anlagenmodell zur Informationsbeschaffung. Tabelle

Claims

1. Verfahren zur Instandhaltung eines Systems durch
Ausführen eines Realprozesses in dem System,
gekennzeichnet durch
Ausführen eines Simulationsprozesses zeitlich parallel zu dem Realprozess, wobei der Simulationsprozess zumindest einen Teil des Realprozesses simuliert,
Vergleichen des Simulationsprozesses mit dem Realprozess oder dem Teil davon unter Gewinnen eines Vergleichsergebnisses und
Ableiten von Instandhaltungsmaßnahmen aus dem Vergleichsergebnis.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Ausführen des Simulationsprozesses ein Synchronisieren mit dem Realprozess stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Simulationsprozess und der Realprozess jeweils mehrere Schritte umfassen und mindestens je einer der Schritte zum Ableiten von Instandhaltungsmaßnahmen miteinander verglichen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Vergleichen anhand von Endergebnissen des Realprozesses und des Simulationsprozesses betreffend insbesondere verfahrenstechnische Größen und/oder von Teilergebnissen von einem oder mehreren Schritten des Realprozesses und des Simulationsprozesses betreffend insbesondere verfahrenstechnische Größen erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Realprozess und der Simulationsprozess zusammen von einer einzigen Steuereinrichtung gesteuert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Instandhaltungsmaßnahme ein Alarm und/oder ein Aktivieren eines Instandhaltungssystems ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei aus einer Realprozessstruktur eine Simulationsprozessstruktur automatisch erzeugt wird, insbesondere unter Verwendung eines generischen Simulationsmodells.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Simulationsprozess mit Stoff- und/oder Produktionsparametern aus dem Realprozess versorgt wird.

9. Vorrichtung zur Instandhaltung eines Systems, auf dem ein Realprozess mit einem oder mehreren Realprozessschritten ablaufbar ist, gekennzeichnet durch
eine Simulationseinrichtung zum Simulieren zumindest eines Teils des Realprozesses durch einen Simulationsprozess, wobei der Simulationsprozess zeitlich parallel zu dem Realprozess ausführbar ist,
eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Simulationsprozesses mit dem Realprozess unter Gewinnen eines Vergleichsergebnisses und
eine Steuereinrichtung zum Veranlassen einer Instandhaltungsmaßnahme auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Simulationsprozess in der Simulationseinrichtung mit dem Realprozess synchronisierbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Simulationsprozess und der Realprozess jeweils mehrere Schritte umfassen und mindestens je einer der Schritte in der Vergleichseinrichtung miteinander vergleichbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei in der Vergleichseinrichtung das Vergleichen anhand von Endergebnissen des Realprozesses und des Simulationsprozesses betreffend insbesondere verfahrenstechnische Größen und/oder von Teilergebnissen von einem oder mehreren Schritten des Realprozesses und des Simulationsprozesses betreffend insbesondere verfahrenstechnische Größen durchführbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Realprozess und der Simulationsprozess zusammen von einer einzigen Steuereinrichtung steuerbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, die in ein Instandhaltungssystem eingebettet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei aus einer Realprozessstruktur eine Simulationsprozessstruktur automatisch, insbesondere unter Verwendung eines generischen Simulationsmodells erzeugbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Simulationseinrichtung mit Produktionsparametern aus dem Realprozess versorgbar ist.