DE102006029495A1

DE102006029495A1 - Verfahren und Einrichtung zur Kalkulation eines wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkts eines Steuer- oder Messgerätes

Info

Publication number: DE102006029495A1
Application number: DE200610029495
Authority: DE
Inventors: Heiko Petersen; Walter Fabinski; Lothar Dr. Schuh; Peter Schastok
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2008-01-03

Abstract

Verfahren und elektronische Einrichtung zur Kalkulation eines wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkts (ta) eines Steuer- oder Messgerätes, insbesondere eines Druck-, Temperatur- oder Durchflussmessers (1), Gas- oder Wasseranalysators oder Stellungsreglers für Ventile oder Klappen, umfassend die folgenden Schritte: - Erfassen mindestens eines lebenszeitcharakteristischen Betriebsparameters (P) in definierten Zeitabständen (t), - Abspeichern des erfassten Wertepaares (P, t) zum Aufbau einer Zeitreihe mit bereits abgespeicherten vorhergehenden Wertepaaren (Pn, tn), - Identifizieren von einen ungewöhnlichen Datensprung kennzeichnenden Ausreißern (Ps) im Driftverlauf der Zeitreihe zum Eliminieren derselben aus der Zeitreihe, - Durchführung einer linearen Interpolation im Sinne einer Mittelwertbildung bezüglich des Driftverlaufs der Zeitreihe, - Durchführung einer linearen Extrapolation der aus der linearen Interpolation resultierenden Geraden, um den wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkt (ta) durch Erreichen eines definierten Betriebsparameter-Schwellwerts (Pa) abzuschätzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine elektronische Einrichtung zur Kalkulation eines wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkts eines Steuer- oder Messgeräts. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Steuer- oder Messgerät selbst, umfassend eine solche elektronische Einrichtung sowie ein in diesem Zusammenhang stehendes Computerprogrammprodukt.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf Anwendungen im Bereich der Verfahrenstechnik, bei welchen Steuer- oder Messgeräte dazu dienen, Druck, Temperatur- oder Durchflussmessungen durchzuführen. Weiterhin lässt sich die Erfindung auch bei Gas- oder Wasseranalysatoren und verwandte Produkte sowie auf Stellungsregler für Ventile oder Klappen in verfahrenstechnischen Anlagen anwenden. Innerhalb derartiger Anlagen sind die besagten technischen Geräte zu einem System verknüpft, um meist vollautomatisch an einer Produkterzeugung teilzuhaben. Zur automatischen Erzeugung von Produkten innerhalb solcher industrieller Anlagen der hier interessierenden Art werden die einzelnen technische Geräte gewöhnlich auch automatisch hinsichtlich ihres Verschleißzustandes überwacht. Denn über eine Diagnose des Verschleißzustandes soll ein wartungs- oder reparaturbedürftiges technisches Gerät innerhalb der industriellen Anlage identifiziert werden, um ohne hohen manuellen Diagnoseaufwand zielgerichtet und zeitsparend eine Wartung bzw. Reparatur durchführen zu können.
Im allgemeinen Stand der Technik sind gattungsgemäße Steuer- oder Messgeräte bekannt, die elektronische Diagnosemittel umfassen, welche eine Art Wartungsauslöser bilden. Solche technischen Geräte können Ereignisse, die eine Wartung oder Reparatur auslösen, sensortechnisch erfassen und geben eine Meldung aus, sobald ein Wartungsfall eintritt. Eine solche Meldung wird meist per Schwellwertüberwachung erzeugt. Beispielsweise kann ein Wartungsfall durch eine defekte Rohrleitung eines Durchflussmessers ausgelöst werden, dessen Defekt sensortechnisch durch Feststellung eines unplausiblen Druckabfalls ermittelt worden ist. Ein Nachteil dieser Art von Diagnose besteht jedoch darin, dass die Meldung über den erforderlichen Wartungsfall erst dann erfolgt, wenn bereits eine Störung oder Funktionseinschränkung des technischen Geräts eingetreten ist. Durch diese reaktive Diagnose tritt ein Wartungsfall oft unvorhergesehen plötzlich ein, was im extremen Fall entsprechend plötzlich zum Ausfall der gesamten industriellen Anlage führt. Hierdurch werden wiederum unvorhersehbare Produktionsausfälle herbeigeführt.
Aus der US 5,533,413 geht ein Verfahren und eine elektronische Einrichtung zur Diagnose von innerhalb einer industriellen Anlage angeordneten technischen Geräte hervor, welche die vorstehend aufgezeigten Nachteile dadurch vermeidet, indem jedem technischen Gerät – hier exemplarisch ein Stellungsregler für ein Ventil – simulationstechnisch eine Art Lebenszeituhr zugeordnet wird. Es werden die auf die technischen Geräte einwirkenden lebenszeitbeeinflussenden Störgrößen, wie Temperaturanstiege, Drucksteigerungen, Schwingungsbeanspruchungen, sensortechnisch erfasst. Die so gewonnen lebenszeitcharakterisierenden Betriebsparameter werden anschließend simulationstechnisch zur Bestimmung der zu erwartenden Lebenszeit des Geräts verarbeitet. Zur Simulation wird ein Simulationsmodell des zugeordneten technischen Geräts erstellt und parametrisiert, auf welches die lebenszeitbeeinflussenden Störgrößen als Eingangsdaten einwirken. Als Ergebnis der Simulation lässt sich unter anderem die zu erwartende Lebenszeit des technischen Geräts kalkulieren. Diese sinkt, wenn die lebenszeitbeeinflussenden Störgrößen oft, über eine lange Zeitdauer und mit hoher Intensität auftreten; umgekehrt steigt die zu erwartende Lebensdauer, wenn die lebenszeitbeeinflussenden Störgrößen selten, über kurze Zeitintervalle und mit geringer Intensität auftreten.
Ein Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass die sensortechnisch erfassten lebenszeitcharakterisierenden Betriebsparameter als Rohdaten insbesondere über längere Betrachtungszeiträume nicht verwertbar sind. Denn diese enthalten gewöhnlich Ausreißer, im Driftverlauf die nach der Bewertung der Relevanz verworfen werden müssen. Dann erst können die so bearbeiteten Daten erfolgreich zur Bestimmung der zu erwartenden Lebenszeit weiter verarbeitet werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Kalkulation eines wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkts eines Steuer- und Messgeräts zu schaffen, mit welchem eine zuverlässige Lebensdauerabschätzung trotz Ausreißer im Driftverlauf möglich ist.
Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Im Hinblick auf eine elektronische Einrichtung wird die Aufgabe durch Anspruch 4 gelöst.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zunächst mindestens ein lebenszeitcharakterisierender Betriebesparameter in definierten Zeitabständen erfasst wird, und dann als Wertepaar zum Aufbau einer Zeitreihe zu bereits abgespeicherten vorhergehenden Wertepaaren hinzugespeichert wird. Hiervon ausgehend werden die einen ungewöhnlichen Datenstrom kennzeichnenden Ausreißer im Driftverlauf der Zeitreihe identifiziert, um diese aus der Zeitreihe zu eliminieren, wonach eine lineare Interpolation im Sinne einer Mittelwertbildung bezüglich des Driftverlaufs der Zeitreihe durchgeführt wird, um anschließend durch lineare Extrapolation der aus der linearen Interpolation resultierenden Geraden den wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkt durch Erreichen eines definierten Betriebsparameter-Schwellwerts abzuschätzen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass eine vollautomatische, also rechentechnische Realisierung möglich ist. Denn die erfindungsgemäße Datenbereinigung zwecks Lebensdauerberechnung ist durch wenige mathematische Rechenschritte durchführbar. Nachdem die Ausreißer aus dem Driftverlauf der Zeitreihe eliminiert sind, erfolgt eine Mittelwertbildung, indem durch den graphischen Driftverlauf eine Gerade gelegt wird, deren Steigung in die Zukunft extrapoliert wird. Die hier interessierenden Steuer- oder Messgeräte unterliegen während des Betriebs typischerweise vielfältigen störenden Einflüssen von außen. Schaltet beispielsweise ein Bediener das technische Gerät ab und wieder an, so produziert dieses Ereignis eine störende Messgröße. Wird gemäß eines weiteren Beispiels ein Schlauch einer Gaszuführung bei einem Gasanalyse-Messgerät gewechselt, dann enthält dieser Luft, die ein inkonsistentes Messergebnis erzeugt, welches wiederum störend auf die Kalkulation eines wahrscheinlichen Ausfallzeitpunktes einwirken würde. Durch die erfindungsgemäß vorgenommene Eliminierung derartiger Ausreißer ist die Qualität der zu treffenden Vorhersage über den wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkt recht hoch.
Vorzugsweise werden die einen ungewöhnlichen Datensprung kennzeichnenden Ausreißer über einen zulässigen Streubereich definiert. Betriebsparameterwerte, welche außerhalb dieses definierten Streubereichs liegen, werden als Ausreißer deklariert und aus der Zeitreihe der gespeicherten Wertepaare entfernt.
Die einen ungewöhnlichen Datensprung kennzeichnenden Ausreißer können durch störende Ereignisse ausgelöst werden, welche vorzugsweise ausgewählt sind aus einer Gruppe, umfassend: Wegfall der Betriebsspannung des Steuer- bzw. Messgeräts, Abreißen einer Anschlussleitung für das zu messende oder steuernde Medium, Inbetriebnahme oder Wiederinbetriebnahme nach Reparatur und dergleichen.
Eine das vorstehend beschriebene Verfahren umsetzende elektronische Einrichtung ist mit geeigneten technischen Mitteln ausgestattet; vorzugsweise dienen sensortechnische Erfassungsmittel der Ermittlung der lebenszeitcharakterisierenden Betriebsparameter. Diese Erfassung kann neben geeigneten Sensoren auch durch pure Berechnung aus auf eine andere Weise bereitgestellten Betriebsparametern gewonnen werden. Als Speichermittel für die erfassten Wertepaare aus Betriebsparameter und Zeitstempel eignen sich herkömmliche elektronische Speicherchips, welche vorzugsweise mit Mikroprozessoren zusammenarbeiten, welche per Datenverarbeitung die nachfolgenden Interpolationen- oder Extrapolationsschritte und dergleichen durchführen. Der am Ende der Kalkulation bereitgestellte wahrscheinliche Ausfallzeitpunkt des zu überwachenden Steuer- oder Messgeräts kann in an sich bekannter Weise per Anzeige über einen Bildschirm oder dergleichen ausgegeben werden.
Die hier interessierenden lebenszeitcharakterisierenden Betriebsparameter stellen physikalische Größen dar, welche vorzugsweise ausgewählt sind aus einer Gruppe, enthaltend: Temperatur, Weg, Zeit, Druck, Kraft, Frequenz, Wellenlänge, Lichtstärke, elektrischer Widerstand, Spannung oder Stromstärke, Induktivität. Zur Erfassung all dieser physikalischer Größen stehen allgemein bekannte Sensoren bereit, welche vorzugsweise zum erfindungsgemäßen Zwecke zur Anwendung kommen.
Sinnvolle Zeitabstände zum Erfassen der Betriebesparameter werden zum Einen bestimmt durch die zu erwartende maximale Lebensdauer eines Mess- oder Steuergeräts der hier interessierenden Art und andererseits durch das Bestreben, aus möglichst wenig Daten eine möglichst zuverlässige Vorhersage über den wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkt treffen zu können. Hieraus resultiert für den Erfindungsgegenstand ein Zeitabstand für die Messungen, der im Bereich zwischen 1 Minute bis zu 10 Stunden liegen. Es ist jedoch auch Möglich dieses Zeitabstand auf 1000 Stunden auszudehnen.
Vorzugsweise ist der Zeitabstand von zu erfassenden Betriebsparameter äquidistant. Denn auf diese Weise lassen sich die Zeitabstände durch eine einfache Takteinheit vorgeben. Es ist jedoch auch denkbar, unregelmäßige oder periodisch wechselnde Zeitabstände zu wählen, sofern dies – beispielsweise für eine sinnvolle Reduzierung der Datenmenge – erfolgversprechend ist.
Dabei können die Zeitabstände aber auch so klein gewählt sein, dass sich eine quasikontinuierliche Messung der Betriebsparameter ergibt.
Eine elektronische Einrichtung der erfindungsgegenständlichen Art lässt sich beispielsweise direkt in ein Steuer- oder Messgerät für verfahrenstechnische Industrieanwendungen integrieren. Denn diese technischen Geräte besitzen oftmals sowieso eine Elektronikeinheit zur Messsignalaufbereitung, welche um den erfindungsgegenständlichen Funktionsumfang in einfacher Weise erweiterbar ist.
Die Kalkulation des wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkts des Steuer- oder Messgeräts lässt sich in einfacher Weise durch entsprechende in einer Software hinterlegte Steuerungsbefehle umsetzen, welche ein Computerprogrammprodukt für eine elektronische Einrichtung bilden.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer elektronischen Einrichtung zur Kalkulation eines wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkts eines Durchflussmessers,
2 eine graphische Darstellung des Driftverlaufs einer Zeitreiheauswertepaaren (P_n, t_n) unbereinigt, und
3 eine graphische Darstellung des Driftverlaufs einer Zeitreiheauswertepaaren (P_n, t_n) bereinigt.
Gemäß 1 weist eine Elektronikeinheit eines Durchflussmessers 1 ein Erfassungsmittel 2 in Form eines Temperatursensors auf, mit welchem die Temperaturbelastung des Durchflussmessers 1 als als lebenszeitcharakterisierender Betriebsparameter P in definierten Zeitabständen t erfasst wird. Anschließend wird der so erfasste Betriebsparameter P in einem als Speicherchip ausgebildeten Speichermittel 3 zum Aufbau einer Zeitreihe gemeinsam mit bereits abgespeicherten vorausgehenden Wertepaaren P_n, t_n abgespeichert. Aus den Driftverlauf der so entstehenden Zeitreihe wird durch rechentechnische Identifikationsmittel 4 ein oder mehrere Ausreißer P_s identifiziert, um diese anschließend zu eliminieren. Durch die so bereinigte Zeitreihe wird anschließend eine Gerade gelegt, welche den Mittelwert bezüglich des Driftverlaufs der Zeitreihe kennzeichnet. Über rechentechnische Extrapolationsmittel 6 lässt sich der wahrscheinliche Ausfallzeitpunkt t_a durch Erreichen eines definierten Betriebesparameter-Schwellwertes P_a abschätzen.
Der 2 ist zur Verdeutlichung der Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung die Zeitreihe von Wertepaaren P_n; t_n dargestellt, in welcher der Ausreißer P_s im Driftverlauf der Zeitreihe nicht identifiziert und eliminiert worden ist. Die Extrapolation der sich aus diesem Driftverlauf ergebenden Geraden ergibt kein sinnvolles Ergebnis.
Nach 3 ist die Zeitreihe der abgespeicherten Wertepaare P_n, t_n jedoch in erfindungsgemäßer Weise bereinigt, woraus sich durch lineare Extrapolation der aus der linearen Interpolation resultierenden Geraden der wahrscheinliche Ausfallzeitpunkt t_a durch Erreichen eines definierten Betriebsparamter-Schwellwert P_a abschätzen lässt.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel. Es sind auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche umfasst sind. So lässt sich die erfindungsgemäße Lösung auch auf andere Steuer- und Messgeräte anwenden, welche – eingebunden in verfahrenstechnische Anlagen – einer begrenzten Lebenszeit unterliegen.

1: Durchflussmesser
2: Erfassungsmittel
3: Speichermittel
4: Identifikationsmittel
5: Interpolationsmittel
6: Extrapolationsmittel
P: Betriebsparameter
t: Zeitabstand
P,t: Wertepaar
P_nt_n: abgespeicherte Wertepaare
Ps: Ausreißer
Pa: Betriebsparameter-Schwellwert
t_a: Ausfallzeitpunkt

Claims

Verfahren zur Kalkulation eines wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkts (t_a) eines Steuer- oder Messgerätes, insbesondere eines Druck-, Temperatur-, oder Durchflussmessers (1), Gas- oder Wasseranalysators oder Stellungsreglers für Ventile oder Klappen, mit Mitteln zum: – Erfassen mindestens eines lebenszeitcharakteristischen Betriebsparameters (P) in definierten Zeitabständen (t), – Abspeichern des erfassten Wertepaares (P, t) zum Aufbau einer Zeitreihe mit bereits abgespeicherten vorhergehenden Wertepaaren (P_n, t_n), – Identifizieren von einen ungewöhnlichen Datensprung kennzeichnenden Ausreißern (P_s) im Driftverlauf der Zeitreihe zum Eliminieren derselben aus der Zeitreihe, – Durchführung einer linearen Interpolation im Sinne einer Mittelwertbildung bezüglich des Driftverlaufs der Zeitreihe, – Durchführung einer linearen Extrapolation der aus der linearen Interpolation resultierenden Geraden, um den wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkt (t_a) durch Erreichen eines definierten Betriebsparameter-Schwellwerts (P_a) abzuschätzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einen ungewöhnlichen Datensprung kennzeichnenden Ausreißer (P_s) über einen zulässigen Streubereich definiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einen ungewöhnlichen Datensprung kennzeichnenden Ausreißer (P_s) durch störende Ereignisse ausgelöst werden, ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend: Wegfall der Betriebsspannung, Abreißen einer Anschlussleitung, Inbetriebnahme, Wartungseingriff.
Elektronische Einrichtung zur Kalkulation eines wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkts (t_a) eines Steuer- oder Messgerätes der Verfahrenstechnik, insbesondere eines Druck-, Temperatur-, oder Durchflussmessers (1), Gas- oder Wasseranalysators oder Stellungsreglers für Ventile oder Klappen, mit: – einem Erfassungsmittel (2) für mindestens einen lebenszeitcharakteristischen Betriebsparameter (P) in definierten Zeitabständen (t), – einem Speichermittel (3) für das erfasste Wertepaar (P; t) zum Aufbau einer Zeitreihe mit bereits abgespeicherten vorhergehenden Wertepaaren (P_n; t_n), – Identifikationsmittel (4) für Ausreißer (P_s) im Driftverlauf der Zeitreihe zum Elimieren derselben aus der Zeitreihe, – Interpolationsmittel (5) zur Mittelwertbildung bezüglich des Driftverlaufs der Zeitreihe, und – Extrapolationsmittel (6) für die aus der linearen Interpolation resultierenden Geraden, um den wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkt (t_a) durch Erreichen eines definierten Betriebsparameter-Schwellwerts (P_a) abzuschätzen.
Elektronische Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lebenszeitcharakteristische Betriebsparameter (P) eine physikalische Größe ist, ausgewählt aus einer Gruppe, enthaltend: Temperatur, Weg, Zeit, Druck, Kraft, Frequenz, Wellenlänge, Lichtstärke, elektrischer Widerstand, Spannung oder Stromstärke, Induktivität.
Elektronische Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitabstände (t) zum Erfassen der Betriebsparameter (P) im Bereich zwischen 1 Minute bis 10 Stunden liegen.
Elektronische Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitabstände (t) so dicht liegen, dass eine quasi kontinuierliche Erfassung der Betriebsparameter erfolgt.
Elektronische Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von einer Takteinheit vorgegebenen Zeitabstände (t) äquidistant sind.
Steuer- oder Messgerät für verfahrenstechnische Industrieanwendungen, umfassend eine elektronische Einrichtung zur Kalkulation eines wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkts (t_a) nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 7.
Computerprogrammprodukt für eine elektronische Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 welche nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 betreibbar ist, wobei die Kalkulation des wahrscheinlichen Ausfallzeitpunkts (t_a) des Steuer- oder Messgerätes durch entsprechende in einer Software hinterlegte Steuerungsbefehle umgesetzt ist.
Datenträger mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 10.