DE102012111760A1

DE102012111760A1 - System und Verfahren zur Verwendung bei der Überwachung einer Industrieanlage

Info

Publication number: DE102012111760A1
Application number: DE102012111760A
Authority: DE
Inventors: Steven Hadley
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-06-13
Also published as: CN103149869A; US20130151199A1; SE1251347A1

Abstract

Es ist ein Überwachungssystem (110) zur Verwendung in einer Industrieanlage (100) geschaffen. Das Überwachungssystem enthält wenigstens einen Sensor (200), der konfiguriert ist, um wenigstens einen Betriebsparameter der Industrieanlage zu erfassen. Eine Rechenvorrichtung (201) ist mit dem Sensor gekoppelt und enthält eine Kommunikationsschnittstelle (230), die konfiguriert ist, um mehrere Signale zu empfangen, die jeweils den Betriebsparameter kennzeichnen. Ein Prozessor (214) ist mit der Kommunikationsschnittstelle gekoppelt und programmiert, um einen gleitenden Mittelwert, wie beispielsweise einen adaptiven gleitenden Mittelwert, jedes Signals zu berechnen, um die Erkennung wenigstens eines Fehlers innerhalb der Industrieanlage zu ermöglichen. Die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals ist eine iterative Berechnung, die wenigstens zum Teil auf einer Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes für ein erstes Signal basiert.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Das Gebiet der Erfindung betrifft allgemein Industrieanlagen und insbesondere Systeme und Verfahren zur Verwendung bei der Überwachung von Industriekraftwerksanlagen.
Wenigstens einige bekannte Industrieanlagen, wie beispielsweise Kraftwerksanlagen und/oder verfahrenstechnische Anlagen, enthalten eine oder mehrere Komponenten, die im Laufe der Zeit beschädigt werden und/oder verschleißen. Zum Beispiel enthalten bekannte Kraftwerksanlagen Komponenten, wie beispielsweise Lager, Getriebe und/oder Wellen, die mit der Zeit verschleißen, was zu einem Fehler führt. Fehler in der Komponente können einen Riss innerhalb der Komponente, eine Trennung oder Unterbrechung von elektrischen Drähten und/oder eine Fehlausrichtung der Komponente umfassen. Ein fortgesetzter Betrieb mit einer verschlissenen Komponente kann eine zusätzliche Beschädigung an anderen Komponenten herbeiführen und/oder zu einem vorzeitigen Ausfall der Komponente und/oder des zugehörigen Systems führen.
Um eine Komponentenbeschädigung innerhalb von Maschinen zu erkennen, wird der Betrieb wenigstens einiger bekannter Maschinen in Verbindung mit einem Überwachungssystem aufrechterhalten. Zum Beispiel verwenden wenigstens einige bekannte Überwachungssysteme Sensoren, um Näherungs- bzw. Abstandsmessungen von wenigstens einigen Komponenten des Systems durchzuführen. Näherungs- bzw. Abstandsmessungen können zum Beispiel mit Wirbelstromsensoren, magnetischen Aufnehmern, Mikrowellensensoren, Thermoelementen, Drucksensoren und/oder kapazitiven Sensoren durchgeführt werden. Die von derartigen Sensoren erfassten Daten werden zu einer Anzeigevorrichtung und/oder einer Rechenvorrichtung mittels wenigstens eines Signals übertragen, das die Daten kennzeichnet. Die Daten können anschließend innerhalb der Anzeigevorrichtung und/oder der Rechenvorrichtung analysiert werden, und es wird eine die Analyse repräsentierende Ausgabe einem Benutzer präsentiert, so dass der Benutzer in der Lage ist, irgendwelche Fehler innerhalb der Kraftwerksanlage zu identifizieren. Insbesondere können die Daten Messwerte und/oder verschiedene Variablen enthalten, die summiert und/oder zusammengetragen werden um festzustellen, ob ein Fehler innerhalb der Kraftwerksanlage vorliegt.
Jedoch können in derartigen Überwachungssystemen die Daten, die von der Anzeigevorrichtung und/oder der Rechenvorrichtung empfangen werden, möglicherweise nicht genau sein. Insbesondere kann das die Daten kennzeichnende Signal während einer Übertragung von dem Sensor zu der Anzeigevorrichtung und/oder zu der Rechenvorrichtung gestört oder verfälscht werden. Demgemäß können die Daten möglicherweise gestört bzw. verfälscht werden, und jede resultierende Ausgabe, wie beispielsweise eine grafische Darstellung der Daten, kann ungenau sein, und der Benutzer kann einen Fehlalarm über einen Fehler innerhalb der Kraftwerksanlage erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform ist ein Überwachungssystem zur Verwendung in einer Industrieanlage geschaffen. Das Überwachungssystem enthält wenigstens einen Sensor, der eingerichtet ist, um wenigstens einen Betriebsparameter der Industrieanlage zu erfassen. Eine Rechenvorrichtung ist mit dem Sensor gekoppelt und enthält eine Kommunikationsschnittstelle, die konfiguriert ist, um mehrere Signale zu empfangen, die jeweils den Betriebsparameter kennzeichnen. Ein Prozessor ist mit der Kommunikationsschnittstelle gekoppelt und programmiert, um einen gleitenden Mittelwert jedes Signals zu berechnen, um die Identifikation wenigstens eines Fehlers innerhalb der Industrieanlage zu ermöglichen. Die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals ist eine iterative Berechnung, die wenigstens zum Teil auf einer Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes für ein erstes Signal basiert.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Industrieanlage geschaffen. Die Industrieanlage enthält wenigstens eine Maschine, die wenigstens eine Komponente enthält. Mit der Komponente ist ein Überwachungssystem gekoppelt. Das Überwachungssystem enthält wenigstens einen Sensor, der eingerichtet ist, um wenigstens einen Betriebsparameter der Komponente zu erfassen. Eine Rechenvorrichtung ist mit dem Sensor gekoppelt und enthält eine Kommunikationsschnittstelle, die konfiguriert ist, um mehrere Signale zu empfangen, die jeweils den Betriebsparameter kennzeichnen. Ein Prozessor ist mit der Kommunikationsschnittstelle gekoppelt und programmiert, um einen gleitenden Mittelwert jedes Signals zu berechnen, um die Identifikation wenigstens eines Fehlers innerhalb der Industrieanlage zu ermöglichen. Die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals ist eine iterative Berechnung, die wenigstens zum Teil auf einer Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes für ein erstes Signal basiert.
In einer noch weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zur Überwachung einer Industrieanlage geschaffen. Es wird wenigstens ein Betriebsparameter der Industrieanlage erfasst. Mehrere Signale, die den Betriebsparameter kennzeichnen, werden zu einer Rechenvorrichtung übertragen. Die Signale werden über eine Kommunikationsschnittstelle empfangen. Es wird ein gleitender Mittelwert jedes Signals durch einen Prozessor berechnet, wobei die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals eine iterative Berechnung darstellt. Die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals enthält eine Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes für ein erstes Signal.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Industrieanlage; und
2 zeigt ein Blockschaltbild eines beispielhaften Überwachungssystems, das bei der in 1 veranschaulichten Industrieanlage verwendet werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die hierin beschriebenen beispielhaften Systeme und Verfahren ergeben ein Überwachungssystem zur Verwendung bei einer Industrieanlage, das in der Lage ist, eine im Wesentlichen genaue Ausgabe von Daten zu bieten, die irgendwelche Fehler innerhalb der Industrieanlage kennzeichnen. Das hierin beschriebene Überwachungssystem enthält wenigstens einen Sensor, der eingerichtet ist, um wenigstens einen Betriebsparameter der Industrieanlage zu erfassen. Eine Rechenvorrichtung ist mit dem Sensor gekoppelt und enthält eine Kommunikationsschnittstelle, die konfiguriert ist, um mehrere Signale zu empfangen, die jeweils den Betriebsparameter kennzeichnen. Ein Prozessor ist mit der Kommunikationsschnittstelle gekoppelt und programmiert, um einen gleitenden Mittelwert, beispielsweise einen adaptiven gleitenden Mittelwert (adaptiven gleitenden Durchschnitt), jedes Signals zu berechnen, um die Identifikation wenigstens eines Fehlers innerhalb der Industrieanlage zu ermöglichen. Die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals ist eine iterative Berechnung auf der Basis wenigstens zum Teil einer Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes für ein erstes Signal. Durch Berechnung eines gleitenden Mittelwertes für jedes Signal wird die resultierende Ausgabe, beispielsweise eine grafische Darstellung der Daten, voraussichtlich genau sein, selbst wenn irgendeines oder irgendwelche der Signale gestört oder verfälscht ist/sind. Demgemäß können falsche Erkenntnisse und/oder Fehlalarme in Bezug auf Fehler innerhalb der Industrieanlage vermieden werden.
1 veranschaulicht eine beispielhafte Industrieanlage 100. Insbesondere ist die Industrieanlage in der beispielhaften Ausführungsform eine Kraftwerksanlage 100. Während die beispielhafte Ausführungsform eine Kraftwerksanlage umfasst, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Kraftwerksanlage beschränkt, und ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die vorliegende Erfindung in Verbindung mit anderen Arten von industriellen Anlagen, wie z.B. einer verfahrenstechnischen Anlage, verwendet werden kann.
Die Kraftwerksanlage 100 enthält eine Maschine 101. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Maschine 101 eine drehzahlvariable Maschine, wie beispielsweise eine Windkraftanlage, eine hydroelektrische Dampfturbine, eine Gasturbine und/oder jede beliebige sonstige Maschine, die mit einer variablen Drehzahl arbeitet. Alternativ kann die Maschine 101 eine mit Synchrondrehzahl arbeitende Synchronmaschine sein. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Maschine 101 wenigstens eine Komponente, wie beispielsweise einen Rotor 102 und eine Antriebswelle 104. Insbesondere dreht der Rotor 102 in der beispielhaften Ausführungsform die Antriebswelle 104, die mit einem Generator 106 gekoppelt ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Generator 106 ein doppelt gespeister Asynchrongenerator, der mit einem Energieverteilungssystem 107 gekoppelt ist. Alternativ kann der Generator 106 ein Generator von einer beliebigen anderen Bauart sein, der mit irgendeinem elektrischen System gekoppelt ist, das der Kraftwerksanlage 100 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Die Kraftwerksanlage 100 enthält ferner ein Überwachungssystem 110, wobei ein Teil des Überwachungssystems 110 in der Nähe der Antriebswelle 104 positioniert ist. In der beispielhaften Ausführungsform misst das Überwachungssystem 110 wenigstens einen Betriebsparameter innerhalb der Antriebswelle 104. Alternativ kann das Überwachungssystem verschiedene weitere Parameter irgendeiner anderen Komponente innerhalb der Kraftwerksanlage 100 messen.
Während eines Betriebs erzeugt die Maschine 101 mechanische Rotationsenergie durch den Rotor 102, und sie treibt den Generator 106 an. Der Generator 106 liefert elektrische Leistung zu dem Energieverteilungssystem 107. Außerdem können in der beispielhaften Ausführungsform eine oder mehrere Komponenten zum Beispiel aufgrund von Verschleiß, Beschädigung oder Schwingung wenigstens einen Fehler (nicht veranschaulicht), wie beispielsweise einen Riss innerhalb der Antriebswelle 104, aufweisen. Wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben, misst das Überwachungssystem 110 wenigstens einen Betriebsparameter der Antriebswelle 104, um Daten für die Antriebswelle 104 zu erhalten, und es präsentiert eine Ausgabe, wie beispielsweise eine grafische oder textuelle Darstellung der Daten für einen Benutzer.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Überwachungssystems 110. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Überwachungssystem 110 wenigstens einen Sensor 200, der in der Nähe der (in 1 veranschaulichten) Antriebswelle 104 positioniert ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Sensor 200 konfiguriert, um wenigstens einen Betriebsparameter der Antriebswelle 104 zu erfassen, wie beispielsweise einen Abstand zwischen der Welle 104 und dem Sensor 100 zu messen und/oder zu überwachen, um wenigstens einen Fehler, wie beispielsweise einen Riss innerhalb der Antriebswelle 104 und/oder eine Fehlausrichtung der Antriebswelle 104, zu erkennen. Insbesondere ist der Sensor 200 in der beispielhaften Ausführungsform konfiguriert, um ein oder mehrere Mikrowellensignale zu verwenden, um einen Abstand bzw. eine Nähe, wie beispielsweise eine Frequenz-, statische und/oder Schwingungsnähe, der Antriebswelle 104 in Bezug auf den Sensor 200 zu messen. Wie hierin verwendet, bezeichnet der Ausdruck „Mikrowelle“ Signale oder eine Komponente, die Signale empfängt und/oder aussendet, die Frequenzen zwischen etwa 300 Megahertz (MHz) und bis zu etwa 300 Gigahertz (GHz) aufweisen. Alternativ kann der Sensor 200 ein beliebiger sonstiger Sensor oder Wandler sein, der in der Lage ist, Betriebsparameter innerhalb der (in 1 veranschaulichten) Kraftwerksanlage 100 zu messen, und der der Kraftwerksanlage 100 und/ oder dem Überwachungssystem 110 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren.
Mit dem Sensor 200 ist eine Rechenvorrichtung 201 über eine Datenleitung 202 gekoppelt. Alternativ kann die Rechenvorrichtung 201 mit dem Sensor 200 drahtlos gekoppelt sein. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Leitung 202 ein elektrischer Leiter, und sie ermöglicht die Verbindung zwischen der Rechenvorrichtung 201 und dem Sensor 200. Alternativ können andere Verbindungen zwischen der Rechenvorrichtung 201 und dem Sensor 200 zur Verfügung stehen, einschließlich einer seriellen Datenverbindung auf niedriger Ebene, beispielsweise RS (Recommended Standard) 232 oder RS-485, einer seriellen Datenverbindung auf hoher Ebene, beispielsweise USB (Universal Serial Bus) oder IEEE^® (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1394, einer parallelen Datenverbindung, beispielsweise IEEE^® 1284 oder IEEE^® 488, einem drahtlosen Kommunikationskanal mit kurzer Reichweite, wie beispielsweise BLUETOOTH^®, und/oder einer privaten (z.B. von außerhalb der Kraftwerksanlage aus nicht zugänglichen) Netzwerkverbindung, ob fest verdrahtet oder drahtlos. IEEE ist eine eingetragene Marke des Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., aus New York, New York. BLUETOOTH ist eine eingetragene Marke von Bluetooth SIG, Inc. aus Kirkland, Washington.
In der beispielhaften Ausführungsform verarbeitet und/oder analysiert die Rechenvorrichtung 201 die von dem Sensor 200 empfangenen Daten. Insbesondere verarbeitet und/ oder analysiert die Rechenvorrichtung in der beispielhaften Ausführungsform mehrere Signale, die jeweils wenigstens einen einzelnen Betriebsparameter der Antriebswelle 104 kennzeichnen und die von dem Sensor 200 empfangen werden. Die Rechenvorrichtung 201 stellt die Daten auch für einen Benutzer, beispielsweise einen Betreiber der Anlage 100, dar. Alternativ kann das Überwachungssystem 110 zwei gesonderte Rechenvorrichtungen enthalten, die miteinander gekoppelt sind, wobei eine Rechenvorrichtung die Daten verarbeiten und/oder analysieren kann, während die andere Rechenvorrichtung eine Anzeige der Daten für den Benutzer bereitstellen kann.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Rechenvorrichtung 201 eine Benutzerschnittstelle 205, die wenigstens eine Eingabe von einem Benutzer, beispielsweise einem Betreiber der Kraftwerksanlage 100, empfängt. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Benutzerschnittstelle 205 eine Tastatur 206, die einem Benutzer ermöglicht, relevante Informationen einzugeben. Alternativ kann die Benutzerschnittstelle 205 zum Beispiel eine Zeigervorrichtung, eine Maus, einen Eingabestift, ein berührungsempfindliches Feld (z.B. ein Tastfeld oder einen Berührungsbildschirm), ein Gyroskop, einen Beschleunigungsmesser, einen Positionsdetektor und/oder eine Audioeingabeschnittstelle (z.B. einschließlich eines Mikrophons) enthalten.
Außerdem enthält die Rechenvorrichtung 201 in der beispielhaften Ausführungsform eine Präsentationsschnittstelle 207, die Informationen, wie beispielsweise Eingabeereignisse und/oder Validierungsergebnisse, dem Benutzer präsentiert. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Präsentationsschnittstelle 207 einen Anzeigeadapter 208, der mit wenigstens einer Anzeigevorrichtung 210 gekoppelt ist. Insbesondere ist die Anzeigevorrichtung 210 in der beispielhaften Ausführungsform eine visuelle Anzeigevorrichtung, wie beispielsweise einen Kathodenstrahlröhrenbildschirm (CRT-Bildschirm), eine Flüssigkristallanzeige (LCD-Anzeige), eine organische LED-Anzeige (OLED-Anzeige) und/oder eine Anzeige mit „elektronischer Tinte“. Alternativ kann die Präsentationsschnittstelle 207 eine Audioausgabevorrichtung (z.B. einen Audioadapter und/oder einen Lautsprecher) und/oder einen Drucker enthalten.
Die Rechenvorrichtung 201 enthält ferner einen Prozessor 214 und eine Speichervorrichtung 218. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Prozessor 214 mit der Benutzerschnittstelle 205, der Präsentationsschnittstelle 207 und mit einer Speichervorrichtung 218 über einen Systembus 220 verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform kommuniziert der Prozessor 214 mit dem Benutzer, indem er beispielsweise den Benutzer über die Präsentationsschnittstelle 207 auffordert und/oder indem er Benutzereingaben über die Benutzerschnittstelle 205 empfängt. Außerdem ist der Prozessor 214 in der beispielhaften Ausführungsform programmiert, indem eine Funktion bzw. Operation unter Verwendung einer oder mehrerer ausführbarer Instruktionen kodiert ist und die ausführbaren Instruktionen in der Speichervorrichtung 218 bereitgestellt sind.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Prozessor 214 programmiert, um einen gleitenden Mittelwert jedes von dem Sensor 200 empfangenen Signals zu berechnen. Insbesondere ist der Prozessor 214 programmiert, um einen adaptiven gleitenden Mittelwert (adaptiven gleitenden Durchschnitt) jedes Signals, das von dem Sensor 200 empfangen wird, zu berechnen. Die Berechnung ist eine iterative Berechnung, die wenigstens zum Teil auf einer Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes Y_i für jedes Signal, das von dem Sensor 200 empfangen wird, basiert. Der aktuelle Signaldurchschnittsschätzwert Y_i basiert wenigstens zum Teil auf einem zeitlichen Gewichtungsfaktor α_i, einem aktuellen Signalwert S_i, wie er durch das aktuelle Signal, das gerade analysiert wird, angegeben wird (d.h. dem wahren Wert des aktuellen Signals, das von dem Sensor 200 empfangen wird, einschließlich jedes Prozessrauschens) und einem vorherigen Signaldurchschnittsschätzwert Y_i – 1, der für ein vorausgehendes Signal berechnet worden ist, das unmittelbar vor dem Empfang des aktuellen Signals von dem Sensor 200 empfangen wurde, wie in Gleichung 1 veranschaulicht. Y_i = α_i(S_i) + (1 – α_i)(Y_i – 1) (Gl. 1)
Insbesondere stellt Gleichung 1 eine nichtlineare adaptive Version eines exponentiellen gleitenden Mittelwerts bzw. Durchschnitts dar. Durch Verwendung der Gleichung 1 in der beispielhaften Ausführungsform ist der Prozessor 214 programmiert, um den aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert Y_i wenigstens zum Teil durch Berechnung eines Produktes aus dem zeitlichen Gewichtungsfaktor α_i und dem aktuellen Signalwert S_i, der durch das gerade analysierte aktuelle Signal angegeben ist, zu berechnen. In der Gleichung 1 ist der zeitliche Gewichtungsfaktor α_i von einer Datenfensterstatistik abhängig, wobei das Fenster sich auf zwei oder mehrere aufeinanderfolgende hintere Datenwerte in einer Zeitreihe bezieht, die verwendet werden, um den zeitlichen Gewichtungsfaktor α_i herzuleiten. An sich ist der zeitliche Gewichtungsfaktor α_i eine Signalmittelungsgewichtung für einen Zeitraum i, die sich als Funktion einer Fensterstatistik ändert. In der beispielhaften Ausführungsform ist der zeitliche Gewichtungsfaktor α_i ein schwankender numerischer Wert zwischen etwa 0 und etwa 1. Insbesondere kann die Fensterstatistik, die verwendet wird, um den zeitlichen Gewichtungsfaktor α_i zu berechnen, ein beliebiger Ausdruck sein, der zu einer Vergrößerung von α_i in Übereinstimmung mit einer Zunahme bzw. Erhöhung in dem Signaltrend führt. Ein Beispiel für eine anwendbare Fensterstatistik ist der Prozentsatz an Fensterpunkten, die größer sind als ein gleitender Durchschnittswert (Mittelwert) zuzüglich zwei Standardabweichungen für eine normale Betriebsdatenreferenz. Der Prozessor ist programmiert, um den Wert des zeitlichen Gewichtungsfaktors α_i anhand einer Datenfensterstatistik mittels einer Transformationsfunktion, die die Datenfensterstatistik in einen numerischen Wert von 0 bis 1 umsetzt, für einen Zeitraum zu berechnen. Zum Beispiel kann der Wert des zeitlichen Gewichtungsfaktors α_i aus der Datenfensterstatistik abgeleitet werden, indem eine monoton steigende funktionelle Transformation, wie beispielsweise eine sigmoidale Funktion oder eine Potenzfunktion, verwendet wird, um die Datenfensterstatistik in numerische Werte zwischen etwa 0 und etwa 1 umzusetzen. Alternativ kann der zeitliche Gewichtungsfaktor α_i ein konstanter numerischer Wert zwischen ungefähr 0 und 1 sein.
Außerdem ist der Prozessor 214 bei der Berechnung des aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes Y_i für das aktuelle Signal programmiert, um wenigstens ein Produkt aus einem komplementären zeitlichen Gewichtungsfaktor 1 – α_i und dem vorherigen Signaldurchschnittsschätzwert Y_i – 1 zu berechnen, der für das vorausgehende Signal berechnet worden ist, das von dem Sensor 200 unmittelbar vor dem Empfang des aktuellen Signals empfangen wurde. Der Prozessor 214 ist ferner programmiert, um die Summe des Produktes aus dem zeitlichen Gewichtungsfaktor α_i und dem aktuellen Signalwert S_i, der durch das aktuelle Signal angegeben ist, mit dem Produkt aus dem komplementären zeitlichen Gewichtungsfaktor 1 – α_i und dem vorherigen Signaldurchschnittsschätzwert Y_i – 1 zu berechnen.
Außerdem ist der Prozessor 214 in der beispielhaften Ausführungsform mit Schwellenwerten für einen aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert Y_i für mehrere Signale, die normale Betriebsparameter repräsentieren, programmiert. Zum Beispiel kann der Prozessor 214 ferner programmiert sein, um eine Ausgabe, wie beispielsweise eine grafische Darstellung, der Daten von normalen Betriebsparametern für eine Komponente, beispielsweise eine Antriebswelle, zu erzeugen, und der Prozessor 214 berechnet einen Mittelwert und/oder eine Standardabweichung der Daten. Die Schwellenwerte können anschließend berechnet werden, indem der Mittelwert und/oder die Standardabweichung einer Ausgabe des gleitenden Mittelwertes, Y, betrachtet wird/werden, die von einem normalen Betriebsdatensatz aus berechnet wird. Außerdem kann der Prozessor 214 programmiert sein, um den aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert Y_i, der für jedes der von dem Sensor 200 empfangenen Signale erhalten wird, mit den Schwellenwerten zu vergleichen.
Der Ausdruck „Prozessor“ bezeichnet allgemein jedes beliebige programmierbare System, einschließlich Systeme und Mikrocontroller, Schaltungen mit reduziertem Befehlssatz (RISC), anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC), programmierbarer Logikschaltungen (PLC) und einer beliebigen sonstigen Schaltung oder eines beliebigen sonstigen Prozessors, die bzw. der in der Lage ist, die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Die obigen Beispiele sind lediglich beispielhaft und sollen folglich die Definition und/oder die Bedeutung des Ausdrucks „Prozessor“ in keiner Weise beschränken.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Speichervorrichtung 218 eine oder mehrere Vorrichtungen, die eine Speicherung und einen Abruf von Informationen, wie beispielsweise ausführbaren Instruktionen und/oder anderen Daten, ermöglichen. Außerdem enthält die Speichervorrichtung 218 in der beispielhaften Ausführungsform ein oder mehrere computerlesbare Medien, wie beispielsweise, jedoch ohne Beschränkung, einen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM), einen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM), ein Festkörperlaufwerk oder Halbleiterlaufwerk und/oder eine Festplatte. In der beispielhaften Ausführungsform speichert die Speichervorrichtung 218, ohne Beschränkung, den Quellencode einer Anwendung, den Objektcode einer Anwendung, Konfigurationsdaten, zusätzliche eingegebene Ereignisse, Anwendungszustände, Aussagen, Behauptungen, Validierungsergebnisse und/oder beliebige sonstige Arten von Daten. Insbesondere speichert die Speichervorrichtung 218 in der beispielhaften Ausführungsform Eingabedaten, die von dem Benutzer über die Benutzerschnittstelle 205 empfangen werden, und/oder Informationen, die von anderen Komponenten des Überwachungssystems 110, wie beispielsweise dem Sensor 200, und/oder der Kraftwerksanlage 100 empfangen werden.
Außerdem enthält die Rechenvorrichtung 201 in der beispielhaften Ausführungsform eine Kommunikationsschnittstelle 230, die mit dem Prozessor 214 über den Systembus 220 gekoppelt ist. Ferner ist die Kommunikationsschnittstelle 230 in der beispielhaften Ausführungsform mit dem Sensor 200 über die Leitung 202 gekoppelt. Die Kommunikationsschnittstelle 230 empfängt mehrere Signale, die wenigstens einen Betriebsparameter wenigstens einer Komponente, wie beispielsweise der Antriebswelle 104, innerhalb der Kraftwerksanlage 100 kennzeichnen, von dem Sensor 200.
Während eines Betriebs können eine oder mehrere Komponenten aufgrund von z.B. Abnutzung, Verschleiß, Beschädigung oder Vibration wenigstens einen (nicht veranschaulichten) Fehler, wie beispielsweise einen Riss innerhalb der Antriebswelle 104, aufweisen. Vor der Überwachung und/oder Überprüfung der Antriebswelle 104 kann eine normale Antriebswelle, die keine Defekte aufweist, überwacht und/oder überprüft werden, um einen Standard- oder Referenzdatensatz zu bestimmen. Zum Beispiel kann ein Datensatz, der während normaler Betriebsvorgänge aufgenommen wird, verwendet werden, um eine Referenzstatistik, einen Mittelwert und eine Standardabweichung, für den gleitenden Durchschnitt Y zu berechnen. Diese Statistik kann anschließend für Alarmschwellenwertberechnungen und bei der Berechnung des zeitlichen Gewichtungsfaktors α_i verwendet werden.
Wenn die Standard- oder Referenzstatistik ermittelt worden ist, kann das Überwachungssystem 110 anschließend wenigstens einen Betriebsparameter für die Antriebswelle 104 messen, um Daten für die Antriebswelle 104 zur Präsentation für einen Benutzer, wie beispielsweise einen Betreiber der Kraftwerksanlage 100, zu erhalten. Insbesondere misst der Sensor 200 in der beispielhaften Ausführungsform wenigstens einen Betriebsparameter der Antriebswelle 104, wie beispielsweise durch Messung und/oder Überwachung eines Abstands zwischen der Welle 104 und dem Sensor 200, um wenigstens einen Fehler, wie beispielsweise einen Riss innerhalb der Antriebswelle 104 und/oder eine Fehlausrichtung der Antriebswelle 104, zu erkennen. Insbesondere verwendet der Sensor 200 in der beispielhaften Ausführungsform ein oder mehrere Mikrowellensignale, um einen Abstand bzw. eine Nähe, wie beispielsweise eine Frequenz-, statische und/oder Schwingungsnähe, der Antriebswelle 104 in Bezug auf den Sensor 200 zu messen.
In der beispielhaften Ausführungsform überträgt der Sensor 200 zu der Rechenvorrichtung 201 mehrere Signale, wie beispielsweise ein erstes Signal und ein zweites Signal, die jeweils wenigstens einen Betriebsparameter für die Antriebswelle 104 kennzeichnen. In der beispielhaften Ausführungsform werden die Signale, wie beispielsweise das erste und das zweite Signal, jeweils von der Kommunikationsschnittstelle 230 schrittweise empfangen. Zum Beispiel wird das zweite Signal von der Kommunikationsschnittstelle 230 empfangen, bevor das erste Signal empfangen wird. Die Signale werden anschließend zu dem Prozessor 214 übermittelt.
Durch Verwendung der Gleichung 1 berechnet der Prozessor 214 anschließend einen gleitenden Mittelwert für jedes Signal, das von dem Sensor 200 empfangen wird. Zum Beispiel berechnet der Prozessor 214 durch Verwendung der Gleichung 1 den aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert Y_i des ersten Signals wenigstens zum Teil durch Berechnung eines Produktes aus dem zeitlichen Gewichtungsfaktor α_i und dem aktuellen Signalwert S_i, der durch das erste Signal angegeben ist. Bei der Berechnung des aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes Y_i für das erste Signal berechnet der Prozessor 214 ein Produkt aus dem komplementären zeitlichen Gewichtungsfaktor 1 – α_i und dem vorherigen Signaldurchschnittsschätzwert Y_i – 1, der für das zweite Signal berechnet worden ist, das von dem Sensor 200 unmittelbar vor dem Empfang des ersten Signals empfangen wurde. Außerdem berechnet der Prozessor 214 die Summe des Produktes aus dem zeitlichen Gewichtungsfaktors α_i und dem aktuellen Signalwert S_i, der durch das erste Signal angegeben ist, mit dem Produkt aus dem komplementären zeitlichen Gewichtungsfaktor 1 – α_i und dem vorherigen Signaldurchschnittsschätzwert Y_i – 1 für das zweite Signal. Die Ergebnisse der Berechnungen werden anschließend zu der Präsentationsschnittstelle 207 übertragen, so dass der Benutzer die Daten sichten kann. In der beispielhaften Ausführungsform wird eine Ausgabe, beispielsweise eine grafische und/oder textuelle Darstellung, über die Anzeigevorrichtung 210 für den Benutzer bereitgestellt. Durch Berechnung eines gleitenden Mittelwertes für jedes Signal ist die resultierende Ausgabe, wie beispielsweise eine grafische Darstellung der Daten, voraussichtlich genau, selbst wenn irgendeines oder irgendwelche der Signale gestört oder verfälscht ist/sind.
Während einer Verarbeitung von Signalen, die Betriebsparameter der Antriebswelle 104 kennzeichnen, die innerhalb normaler Grenzen liegen, bleibt in der beispielhaften Ausführungsform der zeitliche Gewichtungsfaktor α_i ungefähr bei seinem minimalen Wert, da die entsprechende Fensterstatistik innerhalb ihres erwarteten Funktionsbereiches liegt. Demgemäß sind die aktuellen Signaldurchschnittsschätzwerte Y_i, die für all die empfangenen Signale erhalten werden, im Wesentlichen ähnlich, und es wird eine im Wesentlichen glatte Ausgabe für den Benutzer präsentiert. Wenn jedoch der Sensor 200 beginnt, den Fehler innerhalb der Antriebswelle 104 zu detektieren, beginnt der zeitliche Gewichtungsfaktor α_i anzusteigen. Der Anstieg des zeitlichen Gewichtungsfaktors α_i hat eine im Wesentlichen schnelle Veränderung des aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes Y_i, der für jedes der Signale erhalten wird, zur Folge. Die resultierende Ausgabe, die für den Benutzer dargestellt wird, ist eine im Wesentlichen unregelmäßige, schwankende oder sprunghafte Ausgabe, so dass der Benutzer leicht erkennen kann, dass die Antriebswelle 104 einen Fehler aufweist.
Außerdem ist der Prozessor 214 in der beispielhaften Ausführungsform mit Schwellenwerten des aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes Y_i für Signale programmiert, die normale Betriebsparameter repräsentieren. Wenn der Sensor 200 beginnt, den Fehler innerhalb der Antriebswelle 104 zu detektieren, werden die Werte des aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes Y_i, die für jedes der Signale erhalten werden, mit den Schwellenwerten verglichen. Falls die aktuellen Signaldurchschnittsschätzwerte Y_i, die für jedes der Signale erhalten werden, die Schwellenwerte überschreiten, erzeugt der Prozessor 214 eine visuelle Ausgabe, wie beispielsweise eine Textdarstellung eines Alarms und/oder einer Warnung. Alternativ kann der Prozessor 214 einen akustischen Alarm und/oder eine akustische Warnung generieren. Die Ausgabe wird dem Benutzer über die Präsentationsschnittstelle 207 dargeboten. Demgemäß kann der Benutzer des Überwachungssystems 110 in der Lage sein, den Fehler innerhalb der Antriebswelle 104 genau zu erkennen. Durch Vergleich der Werte des aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes Y_i, die für jedes der Signale erhalten werden, mit Schwellenwerten des aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes Y_i für Signale, die normale Betriebsparameter kennzeichnen, können Fehlalarme vermieden werden.
Im Vergleich zu bekannten Systemen und Verfahren, die verwendet werden, um den Betrieb industrieller Anlagen zu überwachen, ergeben die beispielhaften Systeme und Verfahren, wie sie hierin beschrieben sind, ein Überwachungssystem zur Verwendung bei industriellen Anlagen, das in der Lage ist, eine im Wesentlichen genaue Ausgabe von Daten zu liefern, die irgendwelche Fehler innerhalb der Anlage kennzeichnen. Das hierin beschriebene Überwachungssystem enthält wenigstens einen Sensor, der konfiguriert ist, um wenigstens einen Betriebsparameter der Industrieanlage zu erfassen. Eine Rechenvorrichtung ist mit dem Sensor gekoppelt und enthält eine Kommunikationsschnittstelle, die konfiguriert ist, um mehrere Signale zu empfangen, die jeweils den Betriebsparameter kennzeichnen. Ein Prozessor ist mit der Kommunikationsschnittstelle gekoppelt und programmiert, um einen gleitenden Mittelwert jedes Signals zu berechnen, um die Erkennung wenigstens eines Fehlers innerhalb der Industrieanlage zu ermöglichen. Die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals ist eine iterative Berechnung, die wenigstens zum Teil auf einer Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes für ein erstes Signal basiert. Durch Berechnung eines gleitenden Mittelwertes für jedes Signal ist die resultierende Ausgabe, wie beispielsweise eine grafische Darstellung der Daten, wahrscheinlich genau, selbst wenn irgendwelche der Signale gestört bzw. verfälscht sind. Demgemäß können falsche Erkenntnisse und/oder Fehlalarme in Bezug auf Fehler innerhalb der Industrieanlage vermieden bzw. verhindert werden.
Ein technischer Effekt der hierin beschriebenen Systeme und Verfahren umfasst wenigstens eines der Folgenden:
(a) Erfassung wenigstens eines Betriebsparameters einer industriellen Anlage; (b) Übertragung mehrerer Signale, die wenigstens einen Betriebsparameter kennzeichnen, zu einer Rechenvorrichtung; (c) Empfangen mehrerer Signale über eine Kommunikationsschnittstelle und (d) Berechnen eines gleitenden Mittelwertes jedes Signals mittels eines Prozessors, wobei die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals eine iterative Berechnung ist, die eine Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes für ein erstes Signal enthält.
Beispielhafte Ausführungsformen der Systeme und Verfahren sind vorstehend im Einzelnen beschrieben. Die Systeme und Verfahren sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten der Vorrichtungen, Systeme und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und gesondert von anderen Komponenten und/oder Schritten, wie sie hierin beschrieben sind, verwendet werden können. Zum Beispiel kann das System auch in Kombination mit anderen Vorrichtungen, Systemen und Verfahren verwendet werden, und es ist nicht darauf beschränkt, nur im Zusammenhang mit dem hierin beschriebenen System in die Praxis umgesetzt zu werden. Vielmehr kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Anwendungen umgesetzt und genutzt werden.
Obwohl spezielle Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in einigen Zeichnungen veranschaulicht sein können und in anderen nicht, dient dies lediglich der Einfachheit. Gemäß den Prinzipien der Erfindung kann jedes Merkmal aus einer Zeichnung in Kombination mit jedem beliebigen Merkmal irgendeiner anderen Zeichnung in Bezug genommen und/oder beansprucht werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Es ist ein Überwachungssystem 110 zur Verwendung in einer Industrieanlage 100 geschaffen. Das Überwachungssystem enthält wenigstens einen Sensor 200, der konfiguriert ist, um wenigstens einen Betriebsparameter der Industrieanlage zu erfassen. Eine Rechenvorrichtung 201 ist mit dem Sensor gekoppelt und enthält eine Kommunikationsschnittstelle 230, die konfiguriert ist, um mehrere Signale zu empfangen, die jeweils den Betriebsparameter kennzeichnen. Ein Prozessor 214 ist mit der Kommunikationsschnittstelle gekoppelt und programmiert, um einen gleitenden Mittelwert, wie beispielsweise einen adaptiven gleitenden Mittelwert, jedes Signals zu berechnen, um die Erkennung wenigstens eines Fehlers innerhalb der Industrieanlage zu ermöglichen. Die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals ist eine iterative Berechnung, die wenigstens zum Teil auf einer Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes für ein erstes Signal basiert.
Bezugszeichenliste

100: Kraftwerksanlage
101: Maschine
102: Rotor
104: Antriebswelle
106: Generator
107: Verteilungssystem
110: Überwachungssystem
200: Sensor
201: Rechenvorrichtung
202: Leitung
205: Benutzerschnittstelle
206: Tastatur
207: Präsentationsschnittstelle
208: Anzeigeadapter
210: Anzeigevorrichtung
214: Prozessor
218: Speichervorrichtung
220: Systembus
230: Kommunikationsschnittstelle

Claims

Überwachungssystem (110) zur Verwendung in einer Industrieanlage (100), wobei das Überwachungssystem aufweist: wenigstens einen Sensor (200), der konfiguriert ist, um wenigstens einen Betriebsparameter der Industrieanlage zu erfassen; und eine Rechenvorrichtung (201), die mit dem wenigstens einen Sensor gekoppelt ist, wobei die Rechenvorrichtung aufweist: eine Kommunikationsschnittstelle (230), die konfiguriert ist, um mehrere Signale zu empfangen, die jeweils den wenigstens einen Betriebsparameter kennzeichnen; und einen Prozessor (214), der mit der Kommunikationsschnittstelle gekoppelt und programmiert ist, um einen gleitenden Mittelwert jedes Signals zu berechnen, um die Erkennung wenigstens eines Fehlers innerhalb der Industrieanlage zu ermöglichen, wobei die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals eine iterative Berechnung ist, die wenigstens zum Teil auf einer Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes für ein erstes Signal basiert.
Überwachungssystem (110) nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (214) programmiert ist, um den aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert basierend wenigstens zum Teil auf einem zeitlichen Gewichtungsfaktor, einem aktuellen Signalwert, der durch das erste Signal angegeben wird, und einem vorherigen Signaldurchschnittsschätzwert eines zweiten Signals, das von der Kommunikationsschnittstelle (230) vor dem Empfang des ersten Signals empfangen wurde, zu berechnen.
Überwachungssystem (110) nach Anspruch 2, wobei der Prozessor (214) programmiert ist, um den aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert für das erste Signal zu berechnen, indem er wenigstens zum Teil ein Produkt aus dem zeitlichen Gewichtungsfaktor und dem durch das erste Signal angegebenen aktuellen Signalwert berechnet.
Überwachungssystem (110) nach Anspruch 2, wobei der Prozessor (214) programmiert ist, um den aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert für das erste Signal wenigstens zum Teil durch Berechnung eines Produktes aus einem komplementären zeitlichen Gewichtungsfaktor und dem vorherigen Signaldurchschnittsschätzwert des zweiten Signals, das von der Kommunikationsschnittstelle (230) empfangen wurde, zu berechnen.
Überwachungssystem (110) nach Anspruch 2, wobei der Prozessor (214) programmiert ist, um den aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert für das erste Signal durch Berechnung einer Summe eines Produktes aus dem zeitlichen Gewichtungsfaktor und dem durch das erste Signal angegebenen aktuellen Signalwert mit einem Produkt aus einem komplementären zeitlichen Gewichtungsfaktor und dem vorherigen Signaldurchschnittsschätzwert des zweiten Signals zu berechnen.
Überwachungssystem (110) nach Anspruch 2, wobei der Prozessor (214) programmiert ist, um den zeitlichen Gewichtungsfaktor anhand einer Datenfensterstatistik über eine Transformationsfunktion, die die Datenfensterstatistik in einen numerischen Wert von etwa 0 bis etwa 1 umsetzt, für einen Zeitraum zu berechnen, so dass der zeitliche Gewichtungsfaktor einen schwankenden numerischen Wert zwischen etwa 0 und etwa 1 aufweist.
Überwachungssystem (110) nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (214) programmiert ist, um wenigstens einen Schwellenwert des aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes zu berechnen, wobei der Prozessor ferner programmiert ist, um den wenigstens einen Schwellenwert des aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes mit dem aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert für das erste Signal zu vergleichen.
Industrieanlage (100), die aufweist: wenigstens eine Maschine (101), die wenigstens eine Komponente (102) aufweist; und ein Überwachungssystem (110), das mit der wenigstens einen Komponente gekoppelt ist, wobei das Überwachungssystem aufweist: wenigstens einen Sensor (200), der konfiguriert ist, um wenigstens einen Betriebsparameter der wenigstens einen Komponente zu erfassen; und eine Rechenvorrichtung (201), die mit dem wenigstens einen Sensor gekoppelt ist, wobei die Rechenvorrichtung aufweist: eine Kommunikationsschnittstelle (230), die konfiguriert ist, um mehrere Signale zu empfangen, die jeweils den wenigstens einen Betriebsparameter kennzeichnen; und einen Prozessor (214), der mit der Kommunikationsschnittstelle gekoppelt und programmiert ist, um einen gleitenden Mittelwert jedes Signals zu berechnen, um die Erkennung wenigstens eines Fehlers innerhalb der wenigstens einen Komponente zu ermöglichen, wobei die Berechnung des gleitenden Mittelwertes jedes Signals eine iterative Berechnung ist, die wenigstens zum Teil auf einer Berechnung eines aktuellen Signaldurchschnittsschätzwertes für ein erstes Signal basiert.
Industrieanlage (100) nach Anspruch 8, wobei der Prozessor (214) programmiert ist, um den aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert basierend wenigstens zum Teil auf einem zeitlichen Gewichtungsfaktor, einem durch das erste Signal angegebenen aktuellen Signalwert und einem vorherigen Signaldurchschnittsschätzwert eines zweiten Signals, das von der Kommunikationsschnittstelle (230) vor dem Empfang des ersten Signals empfangen wurde, zu berechnen.
Industrieanlage (100) nach Anspruch 8, wobei der Prozessor (214) programmiert ist, um den aktuellen Signaldurchschnittsschätzwert für das erste Signal wenigstens zum Teil durch Berechnung eines Produktes aus dem zeitlichen Gewichtungsfaktor und dem durch das erste Signal angegebenen aktuellen Signalwert zu berechnen.