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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verarbeiten der in von Mess- bzw. Abtastmitteln gelieferten Signalen enthaltenen Informationen, welche für das Überwachen von Maschinen angewandt werden, und ist von besonderer Bedeutung für das Verarbeiten von Signalen von Sensoren oder Wandlern, welche verwendet werden, um Maschinen zu überwachen, die diskontinuierlich, ob nun in einem regelmäßigen Betriebszyklus oder für variable oder zufällige Zeiträume, betrieben werden. Wenngleich die Mess- bzw. Abtastmittel auf jeder beliebigen Technologie basieren könnten, die auf Änderungen des mechanischen Status oder Zustands von Maschinen anspricht, würden typische Mess- bzw. Abtasttechnologien Mittel zum Detektieren von Schallemissionen oder Spannungswellen, Ultraschallaktivität, Störgeräuschsignalen und mechanischen Schwingungen umfassen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Schallemissions- oder Spannungswellenaktivität ist zumeist mit der Hochfrequenzkomponente von elastischen Körperschallwellen verbunden, welche mit dem Betrieb von Maschinen einhergehen, und wird infolge von Reibung, Aufprall, Kavitation, Metallzerspanung, Risswachstum, plastischer Verformung und anderen Energieverlustprozessen, die während des Betriebs der Maschinen stattfinden, erzeugt.
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Störgeräuschsignale sind Luftschallwellen, die mit dem Betrieb von Maschinen einhergehen und infolge von Unwuchtkräften, Reibung, Aufprall, Kavitation, Metallzerspanung, Risswachstum, plastischer Verformung und anderen Energieverlustprozessen, die während des Betriebs der Maschinen stattfinden, erzeugt werden.
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Ultraschallaktivität ist ähnlich wie Störgeräusche, betrifft jedoch konkret jenen Teil der Aktivität, der auf Frequenzen über dem hörbaren Bereich (etwa über 20 kHz) stattfindet. Bisweilen wird der Begriff „Ultraschall“ bzw. ‚Ultrasonics‘ verwendet, um die Detektion von Körperschallaktivität auf Ultraschallfrequenzen zu bezeichnen, in welchem Fall er großteils mit den Begriffen Schallemission und Spannungswellen austauschbar ist.
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Mechanische Schwingungen innerhalb von Materialien und Körpern gehen mit dem Betrieb von Maschinen einher und werden aufgrund von Unwuchtkräften, Reibung, Aufprall, Kavitation, Metallzerspanung, Risswachstum, plastischer Verformung und anderer Energieverlustprozesse, die während des Betriebs der Maschinen stattfinden, erzeugt.
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Die frühzeitige Detektion von Maschinendefekten ermöglicht es, die Instandhaltung besser zu planen und Maschinen, deren Zustand sich verschlechtert, mit minimalen Unterbrechungen und Kosten zu warten, instandzusetzen oder auszutauschen. Wenngleich es zahlreiche Möglichkeiten gibt, um die elektrischen Signale von geeigneten Wandlern und Sensoren für den Zweck des Überwachens des Maschinenzustands zu verarbeiten, ist ein allgemeines Erfordernis, das Sensorsignal über einen ausreichend langen Zeitraum zu charakterisieren, damit eine repräsentative Bewertung vorgenommen werden kann. Daher ist das Bestimmen des mechanischen Zustands von Maschinen durch Überwachen von Sensorsignalen in jenen Fällen schwierig, in denen Maschinen einen Zeitraum lang betrieben werden können, der nicht ausreichend lang ist, um zu ermöglichen, eine repräsentative Messung oder Bewertung des Maschinenzustands vorzunehmen.
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Eine Schwierigkeit beim zufriedenstellenden Überwachen von diskontinuierlich betriebenen Maschinen ist, dass beträchtliche Zeiträume vorliegen können, während derer sich die Maschinengeschwindigkeit ändert, da weder das Anfahren noch das Anhalten einer Maschine unverzüglich stattfinden können. Ferner können je nach Art der Maschine mit dem Anfahr- und Anhaltvorgang verbundene Handlungen (beispielsweise Brems-, Kupplungs- und Verriegelungshandlungen) vorliegen, welche zur Erzeugung von Sensorsignalen führen, die nicht für Signale repräsentativ sind, welche während des stabilen Betriebs erzeugt werden.
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Bei im Stand der Technik bekannten Verfahren zum Verarbeiten von elektrischen Signalen, die auf den mechanischen Zustand von betriebenen Maschinen ansprechen, werden die elektrischen Signale, die von einem oder mehreren geeigneten Sensoren oder Wandlern geliefert werden, auf verschiedenste Weise aufbereitet und verarbeitet. Die rohen, aufbereiteten oder vorverarbeiteten elektrischen Signale können in entweder dem Frequenz- oder dem Zeitbereich als Teil des Vorgangs des Bewertens des mechanischen Zustands einer Maschine weiterverarbeitet werden.
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Im Frequenzbereich ist es nicht unüblich, bestimmte Frequenzen oder Frequenzbänder als mit Störmechanismen in Zusammenhang stehend einzustufen. Beispielsweise ist es nicht unüblich, spezifische detektierte Frequenzen in dem Frequenzspektrum von entweder dem verstärkten Schwingungssignal oder dem Hüllkurvenschwingungs- oder -schallemissionssignal mit vorberechneten Defektwiederholungsfrequenzen, beispielsweise mit jenen, die mit dem Rollelement in Zusammenhang stehen, welches sich über eine Schadstelle in dem Innenring oder dem Außenring eines Lagers bewegt, in Beziehung zu bringen. Auf ähnliche Weise können detektierte Frequenzkomponenten mit Zahneingriffsfrequenzen in Beziehung gebracht werden. Allerdings ist die Analyse von derartigen Defekt- oder Defektwiederholungsfrequenzen von der exakten relativen zeitlichen Abstimmung von Signalmerkmalen über die Gesamtheit der verarbeitet werdenden Signalperiode abhängig, und die vorliegend offenbarte Erfindung wird für eine derartige Frequenzanalyse als nicht geeignet betrachtet.
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Demzufolge betrifft die vorliegende Erfindung jene Signalverarbeitungsverfahren, die in dem Zeitbereich durchgeführt werden und nicht spezifisch auf der exakten relativen zeitlichen Abstimmung der Merkmale über die Gesamtheit der verarbeitet werdenden Signalperiode aufbauen. Beispiele für Zeitbereichsignalverarbeitungsverfahren umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Effektivwert, Mittelungspegel, Durchschnittspegel, Durchschnittsspitze, Scheitelfaktor, Standardabweichung, Varianz und Wölbung. Weitere geschützte Verfahren für die Zeitbereichsignalverarbeitung sind weit verbreitet und in den Rahmen der vorliegend offenbarten Erfindung mit eingeschlossen. Derartige Zeitbereichsignalverarbeitungsverfahren sind nicht unverzüglich, sondern sehen das Verarbeiten elektrischer Signale über einen endlichen Zeitraum vor, und somit muss für Zwecke der Maschinenüberwachung die Maschine über diesen endlichen Zeitraum betrieben werden, während Sensorsignale, wenn sie detektiert werden, entweder gespeichert oder Messungen daran vorgenommen werden.
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In der Praxis ist ein ausreichender Maschinenbetriebszeitraum erforderlich, um (a) sicherzustellen, dass alle relevanten Aspekte der beweglichen und lasttragenden Teile der Maschine bei der Signalerzeugung berücksichtigt werden, und (b) um zu ermöglichen, eine statistisch signifikante Signalcharakterisierung des detektierten Signals vorzunehmen. Beispielsweise ist es im Fall einer Maschine, bei der eine Rotation um 360 Grad stattfindet, nicht unüblich, dass die Signalmessung über einen Zeitraum, der mehrere vollständige Umdrehungen des relevanten Maschinenteils umfasst, durchgeführt wird.
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Zeitbereichsverfahren zum Überwachen des mechanischen Zustands von Maschinen, die auf eine kontinuierlich rotierende Weise betrieben werden, sind bestens bekannt, beispielsweise unter Zuhilfenahme von Schallemissionswandlern und -sensoren, Ultraschallwandlern und -sensoren, Beschleunigungsmessern und Mikrofonen. Für gewöhnlich werden detektierte elektrische Signale kontinuierlich in eine Verarbeitungseinheit eingegeben, die einen oder mehrere Ausgänge oder Anzeigen der relevanten Signalcharakterisierungen aufweist. Diese verarbeiteten Ausgänge können im Hinblick auf ihre aktuellen Werte oder anhand der Trends, die durch Beobachten von Änderungen dieser Werte im Zeitverlauf zu erkennen sind, interpretiert werden. Sie können auch zum Bereitstellen von Warn- oder Alarmsignalen verwendet werden.
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Es ist eine häufig gemachte Beobachtung, dass bei jeder der oben genannten Abtasttechnologien die Größe des detektierten elektrischen Signals durch die Betriebsgeschwindigkeit der Maschine sowie durch den mechanischen Zustand beeinflusst wird. Im Allgemeinen nimmt die Signalgröße mit zunehmender Maschinengeschwindigkeit zu. Aufgrund des Einflusses der Geschwindigkeit auf die detektierten elektrischen Signale ist es im Allgemeinen der Fall, das der nützlichste Teil des elektrischen Sensorsignals, mithilfe dessen der Maschinenzustand bewertet werden kann, der dem stabilen Betrieb zugeordnete Teil ist.
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Jedoch kann es vorkommen, dass die Dauer eines Zeitraums des stabilen Betriebs bei einer diskontinuierlich betriebenen Maschine (beispielsweise ausgenommen Anlaufen, Niederfahren, betriebliche Wechsel und Stillstandszeiten) nicht zulässt, ein Signal von ausreichender Dauer zu detektieren, um zu ermöglichen, eine effektive Bewertung des mechanischen Zustands vorzunehmen.
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Somit ist eine erste Schwierigkeit beim Überwachen diskontinuierlich betriebener Maschinen das Vorliegen von Zeiträumen, während derer das detektiert werdende Signal nicht dem stabilen Betrieb entspricht. Eine zweite Schwierigkeit beim Überwachen diskontinuierlich betriebener Maschinen tritt dann auf, wenn manche oder alle Maschinenvorgänge nur stabile Betriebszeiträume aufweisen, die von zu kurzer Dauer sind, als dass sie ermöglichen würden, eine effektive Messung hinsichtlich des mechanischen Zustands der Maschine vorzunehmen.
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Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, kann es mitunter eingerichtet werden, dass die Maschine speziell einen ausreichenden Zeitraum lang in einem kontinuierlichen Modus betrieben wird, um zu ermöglichen, ein Signal zu detektieren, welches eine Dauer aufweist, die lang genug ist, um zu ermöglichen, eine effektive Messung hinsichtlich des mechanischen Zustands der Maschine vorzunehmen. Alternativ dazu können in Fällen, in denen manche der Maschinenvorgänge von ausreichend langer Dauer sind, um eine effektive Messung zu ermöglichen, spezielle Vorkehrungen getroffen werden, um Messungen nur während dieser länger dauernden Vorgänge durchzuführen.
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Aus der
US 4 423 634 A ist im Übrigen eine Vorrichtung zur Messung von Schallwellen bekannt, die nur in kritischen Zeiträumen aktiviert wird, welche durch Detektion eines Hintergrundrauschens ermittelt werden. Die Erfassung der Schallwellen erfolgt mittels eines Messwertgebers, der die Signale an einen Detektionsschaltkreis übermittelt, in dem wiederum der Abgleich der Signale mit einem Referenzwert erfolgt.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Zustandes einer langsamen rotierenden Maschine ist auch aus der
US 2002/0140566 A1 bekannt. Die
EP 0 125 610 A1 befasst sich mit der Auswertung von elektrisch gewandelten Schallemissionssignalen, z. B. zur Überwachung von Schneidwerkzeugen. Weitere Maßnahmen zur Überwachung von Vibrationen von Maschinen sind z. B. aus der
JP 58055824 A und der
EP 0 363 785 A2 bekannt.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Eine grundlegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Verarbeiten der in Signalen enthaltenen Informationen, welche von Muss- bzw. Abtastmitteln geliefert werden, bereitzustellen, die für die Überwachung von diskontinuierlich betriebenen Maschinen, einschließlich Maschinen, die verglichen mit der zum Vornehmen einer effektiven Zustandsüberwachungsmessung erforderlichen Signaldauer nur kurze Betriebszeiträume aufweisen, angewandt werden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein einfaches, direkteres Verfahren und eine einfachere, direktere Vorrichtung bereitzustellen, um die festgestellten Schwierigkeiten beim Überwachen diskontinuierlich betriebener Maschinen zu überwinden, ohne dass die Notwendigkeit der Überwachung unbedingt einzelne Zeiträume umfassen muss, während derer die Maschine in einem stabilen Zustand betrieben wird, die jeweils von ausreichend langer Dauer sind, damit eine effektive Messung während des stabilen Betriebs durchgeführt werden kann. Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches, direkteres Verfahren und eine einfachere, direktere Vorrichtung für die automatische Erkennung jener Teile des Betriebs der Maschine, wenn diese in einem stabilen Zustand betrieben wird und wenn diese nicht in einem stabilen Zustand betrieben wird, bereitzustellen. Kombiniert ermöglichen es diese beiden Aspekte der vorliegenden Erfindung, eine kontinuierlich aktive Sensorsignaldetektion und Zeitbereichsignalverarbeitung vorzusehen, die kommende elektrische Sensorsignale automatisch verarbeitet, derart, dass nur stabile Betriebsbedingungen in dem Signalverarbeitungsverfahren berücksichtigt werden, um zu ermöglichen, eine effektive Messung oder aufeinanderfolgende effektive Messungen durchzuführen, die für gewöhnlich das Signal von einem Zeitraum des stabilen Betriebs benötigen würden, der länger ist als ein, mehrere oder alle der Bestandteilzeiträume des Signals vom stabilen Betrieb, welche kombiniert einen Signalzeitraum darstellen, der ausreichend lang ist, um das Signalverarbeitungsverfahren zu ermöglichen, welches gewählt wurde, um eine effektive oder statistisch signifikante Messung durchzuführen. Die ist insbesondere für fest installierte Überwachungssysteme relevant.
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KURZDARSTELLUNG EINES ERSTEN ASPEKTS DER ERFINDUNG
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird folglich ein Verfahren zum Überwachen des mechanischen Zustands einer Maschine bereitgestellt, bei dem statistisch signifikante Messungen hinsichtlich eines charakteristischen Signals während eines Zeitraums durchgeführt werden, der Unterbrechungen und Variationen im Betrieb der Maschine umfassen kann, was uncharakteristische Signale zur Folge hat, und das Verarbeiten des Signals während der statistisch signifikanten Messung schließt automatisch jene Teile des Signals aus, die mit Unterbrechungen und Variationen im Betrieb der Maschine zugeordnet sind, während bevorzugte oder optionale Merkmale in den Unteransprüchen 2-15 definiert sind.
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Figurenliste
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Ferner wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird folglich eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens des ersten Aspekts bereitgestellt, umfassend:
- (i) einen Vorverstärker, der ausgebildet ist, um einen Ausgang bereitzustellen zu
- (ii) einem weiteren Verstärker, der ausgebildet ist, um einen Ausgang bereitzustellen zu
- (iii) dynamischen Hüllkurvenschaltungen, die ausgebildet sind, um einen Ausgang bereitzustellen zu
- (iv) einem Analog-Digital-Wandler, der ausgebildet ist, um einen Ausgang bereitzustellen zu
- (v) einer digitalen mikroelektronischen Vorrichtung.
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Die digitale mikroelektronische Vorrichtung ist zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein einfaches Verfahren zum Verarbeiten von Sensorsignalen von diskontinuierlich betriebenen Maschinen bereit, welches ermöglicht, Zeiträume des stabilen Betriebs automatisch zu erkennen, durch Verwendung einer charakteristischen Änderung in einem detektierten Sensorsignal oder einem extern erzeugten Signal in Kombination mit vorbestimmten Zeiträumen, die ausgewählt und implementiert werden, um die Trennung eines Teils des Signals, der nur mit dem stabilen Betrieb verbunden ist, zu ermöglichen, und Einbinden von Zeitbereichsignalverarbeitungsmitteln, die auf derartige automatisch ausgewählte stabil betriebene Teile des Signals angewandt werden, welche in der Lage sind, mit Unterbrechungen und Fortsetzungen des kommenden Signals fertig zu werden, ohne sich nachteilig auf die bei der Signalverarbeitung beteiligte Signalcharakterisierung für andere Teile als für Unterbrechungen und Fortsetzungen im Signalcharakterisierungsprozess auszuwirken, um nach einer Summierung von Zeiträumen des stabilen Betriebs, welche insgesamt einen geeigneten Zeitraum für eine vorzunehmende statistisch signifikante Messung darstellen, eine resultierende Signalcharakterisierung zu erzeugen, wobei die Signalcharakterisierung äquivalent zu jener ist, welche als Ergebnis der Charakterisierung des Signals für einen geeigneten Zeitraum des kontinuierlichen stabilen Betriebs erzeugt worden wäre.
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Zum Beispiel können die Signale der Schallemission, Spannungswellen, Störgeräuschen, Ultraschall oder Schwingungen entsprechen, welche durch eine betriebene Maschine erzeugt und durch einen geeigneten Wandler, ein geeignetes Mikrofon, einen geeigneten Beschleunigungsmesser oder einen geeigneten anderen Sensor, ein geeignetes anderes Abtastelement oder eine geeignete andere Abtastvorrichtung detektiert werden.
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Die Sensorsignalcharakterisierung kann im Hinblick auf einen oder mehrere Parameter erfolgen, die von dem Zeitbereichsignal abgeleitet werden, wie Effektivwert, Signalenergie, Mittelwert, Durchschnittswert, Gleichrichtwert, Durchschnittsspitze, Scheitelfaktor, Standardabweichung, Varianz, Wölbung und anderen geschützten Verfahren.
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Die charakteristische Änderung in einem detektierten Sensorsignal, die verwendet wird, um das Anlaufen der Maschine zu erkennen, kann mit einer Änderung, beispielsweise einer Zunahme, in einem Sensorsignal oder einer resultierenden Änderung in jedweder abgeleiteten Sensorsignalcharakterisierung in Verbindung stehen.
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Die charakteristische Änderung in einem detektierten Sensorsignal, die verwendet wird, um das Anhalten der Maschine zu erkennen, kann mit einer Änderung, beispielsweise einer Abnahme, in einem Sensorsignal oder einer resultierenden Änderung in jedweder abgeleiteten Sensorsignalcharakterisierung in Verbindung stehen.
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Die charakteristische Änderung in einem extern erzeugten Signal, die verwendet wird, um das Anlaufen und Anhalten der Maschine zu erkennen, kann mit einfach detektierbaren Änderungen wie Zunahmen und Abnahmen des externen Signalpegels in Verbindung stehen.
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Die vorgegebenen Zeiträume können einen Verzögerungszeitraum nach der Detektion des Anlaufens des Maschinenbetriebs umfassen, um zu ermöglichen, dass die Maschine einen stabilen Betrieb erreicht, ehe die Signalcharakterisierung fortgesetzt wird.
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Die vorgegebenen Zeiträume können einen Unterdrückungszeitraum umfassen, um Änderungen der Signalcharakterisierung vor der Detektion des Anhaltens des Maschinenbetriebs zu verhindern, um jedwede erwarteten Änderungen im Maschinenbetrieb vor der Detektion des Anhaltens des Maschinenbetriebs zu berücksichtigen.
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Die Sensorsignalcharakterisierung kann über kürzere Abtastungen des Sensorsignals durchgeführt werden, als andernfalls erforderlich wäre, um eine statistisch signifikante Messung zu ergeben, und die Signalcharakterisierung wird auf derartige Weise unterbrochen und fortgesetzt, dass von einem Zeitraum des stabilen Betriebs zu einem anderen Werte übertragen werden, die von dem Sensorsignal abgeleitet wurden und für eine laufende Signalcharakterisierung von Nutzen sind, umfassend eine geeignete Gesamtsignaldauer im stabilen Betriebszustand, um eine statistisch signifikante Messung zu ergeben.
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Die Sensorsignalcharakterisierung kann hinsichtlich einer digital gespeicherten Abtastung des Sensorsignals oder einer Ableitung oder von Ableitungen davon, welche einen Zeitraum des stabilen Betriebs von geeigneter Dauer in dem stabilen Betriebszustand umspannen, durchgeführt werden, um eine statistisch signifikante Messung zu ergeben, die eine Summe aus kürzeren Abtastungen des Sensorsignals umfasst, als andernfalls erforderlich wären, um eine statistisch signifikante Messung zu ergeben.
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Die Signalcharakterisierung kann innerhalb desselben Gehäuses wie die Abtastmittel durchgeführt werden.
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In dem konkreten Fall der Maschinen, welche rotierende Elemente umfassen, sollte festgehalten werden, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf Maschinen anwendbar ist, bei denen ihre Betriebszeiträume nur eine Teilrotation (d.h. Rotationen von weniger als 360 Grad) ihrer rotierenden Elemente umfassen.
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Eine Anzahl von Prüfstand- und Werkstattprüfungen während des Normalbetriebs von diskontinuierlich betriebenen Maschinen ergaben, dass die hier offenbarte Erfindung ermöglicht, derartige Maschinen erfolgreich zu überwachen, wobei während Signalcharakterisierungszeiträumen ähnliche Sensorsignalcharakterisierungen sowohl während des unterbrochenen als auch während des kontinuierlichen Betriebs ermittelt werden.
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Figurenliste
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Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden für den Fall der Schallemissionsdetektion beispielhaft mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt zum Verarbeiten von Schallemissionssignalen gemäß dem Verfahren des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung (es wird festgehalten, dass diese darstellt, dass das Signal als Hüllkurve verarbeitet wird, wobei das Verfahren jedoch ebenso auf das verstärkte oszillatorische Schallemissionssignal angewandt werden könnte, ohne eine Hüllkurvenschaltung zu benötigen);
- 2a eine schematische Darstellung von Komponenten bzw. eine Übersicht über die Vorgänge innerhalb des Mikroprozessors, die verarbeitete Signalwerte verwenden, um zu erkennen, wann die Maschine in Betrieb steht;
- 2b eine schematische Darstellung von Komponenten bzw. eine Übersicht über die Vorgänge innerhalb des Mikroprozessors, die sich eines externen Triggers oder Gates bedienen, um zu erkennen, wann die Maschine in Betrieb steht;
- 2c eine schematische Darstellung von Komponenten bzw. eine Übersicht über die Vorgänge innerhalb des Mikroprozessors, die sich getrennt verarbeiteter Signalwerte bedienen, um zu erkennen, wann die Maschine in Betrieb steht;
- 3a eine schematische Darstellung, welche die Verwendung von verarbeiteten Signalwerten darstellt, um zu erkennen, wann die Maschine in Betrieb steht;
- 3b eine schematische Darstellung, welche die Verwendung eines externen Triggers oder Gates zeigt, um zu zeigen, wann die Maschine in Betrieb steht; und
- 3c eine schematische Darstellung, welche die Verwendung von getrennten Prozesssignalwerten zeigt, um zu erkennen, wann die Maschine in Betrieb steht.
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Die in den Figuren verwendeten Bezugsziffern haben folgende Bedeutung:
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Wandler
- 3
- Verstärkung & Signalaufbereitung
- 4
- Verstärker
- 5
- Hüllkurvenschaltung
- 6
- Analog-Digital-Wandler
- 7
- Mikroprozessor
- 8
- Signalverarbeitungsmittel
- 8a
- Signalverarbeitungsmittel (primäre)
- 8b
- Signalverabreitungsmittel (sekundäre)
- 9
- Berechnung und vorübergehende Speicherung von Teilwerten
- 10
- Berechnung statischer signifikanter Werte
- 11
- Alarmentscheidungsfindung
- 12
- Ausgangsaufbereitung und/oder -formatierung
- 13
- Aufzeichnung historischer Werte (Trendgeschichte)
- A
- verstärktes oder vorverarbeitetes Signal von Wandler oder Sensor
- B
- Eingang von Wert für Start der Verarbeitungsverzögerung
- C
- Eingang von Wert für Verarbeitungsende-Pretrigger
- D
- Externes Triggersignal oder Gate
- E
- abgeleitetes Maschinenbetriebssignal
- X
- Alarmausgänge basierend auf statistisch signifikanten verarbeiteten Werten
- Y
- Analoge und/oder digitale Ausgänge von statistisch signifikanten verarbeiteten Werten
- Z
- Ausgang zu Sichtanzeige oder Trendanalysemittel
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine Vorrichtung 1 zum Verarbeiten von Schallemissionen, um Merkmale zu erkennen, welche Variationen im mechanischen Zustand von langsam rotierenden Maschinen anzeigen, ist in 1 dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Wandler 2, der mit einer Maschine akustisch gekoppelt ist, welche die Quelle von Schallemissionen (die auch als Spannungswellen oder mitunter als Körperultraschallwellen bekannt sind) bereitstellt. Diese Schallemissionen werden für gewöhnlich infolge von Aufprall und Reibungsvorgängen innerhalb der Maschine infolge von mechanischer Beanspruchung oder mechanischer Abnutzung erzeugt. Der Wandler 2 ist ausgebildet, um die Schallemissionen zu detektieren, welche durch die oder in der Maschine erzeugt werden, und um in Abhängigkeit von der detektierten Schallemissionsaktivität ein elektrisches Signal zu erzeugen. Der Wandler 2 ist für gewöhnlich ein piezokeramisches Element, wenngleich mehr als ein Wandlerelement gleichzeitig verwendet oder kombiniert werden können. Zu anderen geeigneten Typen von Schallemissionswandlern zählen piezoelektrische Kunststoffe, kapazitive Wandler, mikrobearbeitete Siliziumsensoren, elektromagnetische Wandler und Laserinterferometer.
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Das durch den Wandler 2 erzeugte elektrische Signal wird dem Vorverstärker 3 zugeführt. Der Vorverstärker verstärkt das elektrische Signal und kann Filterung umfassen, um die erforderlichen Betriebsfrequenzen zu selektieren. Das vorverstärkte elektrische Signal wird dann einem weiteren Verstärker 4 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 4 wird dynamischen Hüllkurvenschaltungen 5 zugeführt, welche als Reaktion auf deren Eingangssignal entweder einen logarithmisch oder einen linear skalierten Ausgang aufweisen können. Dieses Ausgangssignal wird durch einen Analog-Digital-Wandler 6 digitalisiert und in einer digitalen mikroelektronischen Vorrichtung, beispielsweise einem Mikroprozessor 7, weiterverarbeitet.
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Das Signal wird in dem Mikroprozessor 7 gemäß dem in 3 umrissenen Schema verarbeitet und besteht aus einer Anzahl von Stufen:
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Eine erste Stufe ist das Detektieren des Anlaufens der Maschine, was durch Verarbeiten der numerischen Werte bewerkstelligt wird, welche für das dynamische Hüllkurvensignal repräsentativ sind, und das Erkennen, dass das Signal einen vorgegebenen Wert oder Schwellenpegel überschreitet, was die voreingestellte Zeitverzögerung in Gang setzt, an deren Ende das Signal noch über dem vorgegebenen Schwellenpegel sein muss, damit die nächste Stufe beginnen kann. Als alternative Lösung für das Anlaufen der Maschine ist an dem Sensor auch ein externer elektrischer Eingang vorgesehen, welcher dann die voreingestellte Zeitverzögerung auslöst.
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Eine zweite Stufe umfasst zwei Teile. Ein Teil ist die Charakterisierung des dynamischen Hüllkurvensignals im Hinblick auf einen Gesamtsignaldurchschnitt (der als dB-Pegel bezeichnet wird) und den urheberrechtlich geschützten Signalparameter „Distress“, welche über eine Signaldauer von 512 ms durchgeführt wird und vorübergehend im Speicher gespeichert wird. Der zweite Teil ist die Erkennung des Endes des stabilen Betriebs, was durch Erkennen mehrerer aufeinanderfolgender Signalabtastungen über einen Zeitraum von 128 ms, die niedriger als der vorgegebene Schwellenpegel sind, bewerkstelligt wird. Als alternative Lösung zum Erkennen eines Anhaltens der Maschine ist an dem Sensor auch ein externer elektrischer Eingang vorgesehen.
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Eine dritte Stufe ist das Löschen der zuletzt vorübergehend gespeicherten Werte, die aus Teilen des dynamischen Hüllkurvensignals berechnet wurden, welche innerhalb des voreingestellten Unterdrückungszeitraum vor dem Detektieren des Anhaltens der Maschine auftraten.
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Eine vierte Stufe ist die Kombination von insgesamt 20 vorübergehend gespeicherten Werten jeder Signalcharakterisierung, was insgesamt für 10,24 Sekunden von stabilem Betrieb repräsentativ ist, um eine einzige Charakterisierung des dB-Pegels und eine einzige Charakterisierung von Distress zu erzeugen.
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Eine fünfte Stufe umfasst die Verwendung der erhaltenen charakterisierten Werte für Distress und dB-Pegel als Eingang in einen Alarmentscheidungsprozess. Neu berechnete Werte für Distress und dB-Pegel werden mit deren jeweiligen voreingestellten Alarmpegeln verglichen. Falls 6 aufeinander folgende neu berechnete Werte für Distress oder dB-Pegel vorliegen, wobei jeder für 10,24 Sekunden von stabilem Betrieb steht, so wird die Alarmbedingung erfüllt und ein digitaler Ausgang von dem Mikroprozessor ändert den Zustand von einem normalerweise hohen Pegel auf einen tiefen Pegel.
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Eine sechste Stufe umfasst das Verwenden der erhaltenen charakterisierten Werte für Distress und dB-Pegel, um einen historischen Wertetrend zu erstellen, der hinsichtlich der Zustandsverschlechterung der Maschine angewandt und interpretiert werden kann. Um die Anzahl von Werten, die in einem derartigen Trend vorhanden sind, zu reduzieren und um die Signifikanz der diesen bildenden Werte zu erhöhen, besteht der Trend aus den höchsten Werten, die für sechs aufeinander folgende Berechnungen innerhalb eines 24-Stunden-Zeitraums vorlagen oder überschritten wurden.
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Eine siebte Stufe sind analoge Ausgänge im Hinblick auf aktualisierte Gs-Pegel der aufeinanderfolgenden Berechnungen der Distress- und db-Pegel-Werte nach je 10,24 Sekunden des stabilen Maschinenbetriebs.
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Um die oben genannte Vorrichtung/das oben genannte Verfahren mit Erfolg anzuwenden, sind einige Details des Maschinenbetriebs und des zugehörigen Sensors und/oder von externen elektrischen Signalen erforderlich. Dies kann im Allgemeinen als Einrichtphase beschrieben werden, wenngleich anerkannt ist, dass eine derartige Einrichtphase eventuell nicht vor jeder neuen Anwendung erforderlich ist, da die Einrichtkriterien auf im Wesentlichen ähnlichen Maschinen, die auf ähnliche Weise betrieben werden, im Wesentlichen äquivalent sein können. Insbesondere ist für die hier beschriebene Ausführungsform eine Kenntnis des Zeitprofils der detektierten Sensorsignalgröße erwünscht.
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Um eine derartige Einrichtphase zu vereinfachen, kann die Vorrichtung bei dieser bevorzugten Ausführungsform in einem Einrichtmodus betrieben werden, wobei die Vorrichtung direkt mit einem (tragbaren) PC kommuniziert, welcher das Zeitprofil der detektierten Sensorsignalgröße erfasst und anzeigt. Die Beobachtung und/oder Analyse der resultierenden Wellenform ermöglicht, den mit stabilem Betrieb sowie den mit der angehaltenen Maschine verbundenen Bereich von Signalpegeln zu bestimmen. Mit diesem Wissen kann ein Zwischenwert als Schwellenpegel gewählt werden, der verwendet wird, um das Anfahren sowie das Anhalten der Maschine automatisch zu erkennen. Darüber hinaus ermöglicht die Beobachtung und/oder Analyse derselben erfassten Wellenform, den Zeitbereich, der mit dem Anfahren der Maschine vor Erreichen eines stabilen Betriebs verbunden ist, und den Zeitbereich, der mit dem Verlangsamen der Maschine vor dem Anhalten der Maschine verbunden ist, zu bestimmen. Mit diesem Wissen können geeignete Zeiten für die Anlaufverzögerung und den Verlangsamungsunterdrückungszeitraum gewählt werden. Der gewählte Schwellenpegel, die gewählte Anlaufverzögerung und der Unterdrückungszeitraum können dann von dem PC an die Vorrichtung übermittelt werden, wo sie in nichtflüchtigem Speicher gespeichert werden können. Daraufhin kann die Vorrichtung von ihrem Einrichtmodus in ihren normalen autonomen Überwachungsmodus umgeschaltet werden, und der PC kann getrennt werden.
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In der Folge sind tabellarisierte Werte für Schallemissionssignalcharakterisierungen für dB-Pegel und Distress® für Messungen angeführt, die gemäß der vorliegenden Erfindung an einem Teil des Haupt-X-Achsenantriebs eines Regalbediengeräts in einem automatisierten Lager vorgenommen wurden, wobei das Regalbediengerät seinem Arbeitsbedarf entsprechend wiederholt angehalten und neu angefahren wurde. Die tabellarisierten Werte für dB-Pegel und Distress® resultieren aus der Charakterisierung eines 10,24-Sekunden-Zeitraums des detektierten Signals gemäß 1. Die Betrachtung des Zeit- und Datumsstempels, welcher jedem Paar von Schallemissionssignalcharakterisierungen beigegeben wurde, ermöglicht es, jene, die aufeinanderfolgend während Zeiträumen kontinuierlichen Maschinenbetriebs gemacht wurden, von jenen zu unterscheiden, bei denen es während des 10-Sekunden-Messzeitraums zu mindestens einem Anhalten und Anlaufen kam.
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Der dB-Pegel ist eine logarithmische Darstellung des durchschnittlichen Signalpegels, der über einen Zeitraum von 10 Sekunden detektiert wird.
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Distress® ist eine geschützte Kennzeichnung des Signals, welches über denselben 10-Sekunden-Zeitraum wie die dB-Pegel-Signalcharakterisierung detektiert wird.
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Regalbediengerät
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| Distress 3 , dB 26 , 03/08/2010 12:16:02 |
kontinuierlich |
| Distress 3 , dB 24 , 03/08/2010 12:15:52 |
kontinuierlich |
| Distress 3 , dB 24 , 03/08/2010 12:15:42 |
kontinuierlich |
| Distress 3 , dB 26 , 03/08/2010 12:15:31 |
unterbrochen |
| Distress 3 , dB 24 , 03/08/2010 12:15:00 |
kontinuierlich |
| Distress 3 , dB 26 , 03/08/2010 12:14:50 |
unterbrochen |
| Distress 3 , dB 25 , 03/08/2010 12:14:18 |
unterbrochen |
| Distress 3 , dB 24 , 03/08/2010 12:13:21 |
kontinuierlich |
| Distress 3 , dB 24 , 03/08/2010 12:13:11 |
kontinuierlich |
| Distress 3 , dB 25 , 03/08/2010 12:13:00 |
unterbrochen |
| Distress 3 , dB 24 , 03/08/2010 12:12:29 |
unterbrochen |
| Distress 3 , dB 24 , 03/08/2010 12:11:55 |
kontinuierlich |
| Distress 4 , dB 23 , 03/08/2010 12:11:45 |
unterbrochen |
| Distress 3 , dB 25 , 03/08/2010 12:10:51 |
kontinuierlich |
| Distress 4 , dB 23 , 03/08/2010 12:10:40 |
kontinuierlich |
| Distress 4 , dB 23 , 03/08/2010 12:10:30 |
unterbrochen |
| Distress 3 , dB 26 , 03/08/2010 12:10:02 |
unterbrochen |
| Distress 3 , dB 23 , 03/08/2010 12:09:52 |
kontinuierlich |
| Distress 3 , dB 23 , 03/08/2010 12:09:41 |
unbekannt |
