DE102017219549A1 - Method for condition monitoring of a production plant - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage, die reproduzierbar wiederkehrende Prozesse durchführt, insbesondere einer taktgebundenen Fertigungsanlage. Um ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage zu schaffen, das einfach anwendbar und automatisierbar ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Wirkleistung P(t) von mehreren aufeinanderfolgenden wiederkehrenden Prozessen als Referenzdatensatz Pref (t) registriert wird, und aus dem Referenzdatensatz Pref (t) automatisch mindestens ein parametrierter Referenzdatensatz Pref, para (t) gebildet wird, dessen Verlauf mit dem Ist-Verlauf der Wirkleistung Pist (t) des laufenden Prozesses verglichen wird, so dass Abweichungen zwischen dem parametrierten Referenzdatensatz Pref, para (t) und dem Ist-Verlauf der Wirkleistung Pist (t) einen Rückschluss auf den Zustand der Fertigungsanlage erlauben. The present invention relates to a method for condition monitoring of a manufacturing plant, which performs reproducible recurring processes, in particular a clock-bound manufacturing plant. In order to provide a method for monitoring the condition of a production plant, which is easy to use and automate, it is proposed according to the invention that the active power P (t) of several consecutive recurring processes is registered as a reference data set P ref (t), and from the reference data set P ref ( FIG. t) automatically at least one parameterized reference data record P ref, para (t) is formed, the course of which is compared with the actual course of the active power P ist (t) of the current process, so that deviations between the parameterized reference data record P ref, para (t ) and the actual course of the active power P is (t) allow a conclusion on the state of the manufacturing plant.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage, die reproduzierbar wiederkehrende Prozesse durchführt, insbesondere einer taktgebundenen Fertigungsanlage.The present invention relates to a method for condition monitoring of a manufacturing plant, which performs reproducible recurring processes, in particular a clock-bound manufacturing plant.
Die Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage dient dazu, verschleißbedingte Fehler während des laufenden Prozesses festzustellen, bevor die Fehler im ungünstigsten Fall zu einem Ausfall der Fertigungsanlage oder zu Fehlproduktionen führen. In Abhängigkeit der Art der Fertigungsanlage stehen hierfür unterschiedliche Verfahren zur Verfügung, die an das zu bearbeitende Werkstück und an die zu erwartenden Verschleißerscheinungen angepasst sind.Condition monitoring of a manufacturing plant is used to detect wear-related errors during the ongoing process before the worst-case faults lead to factory failure or faulty productions. Depending on the type of production facility, different methods are available for this, which are adapted to the workpiece to be machined and to the expected signs of wear.
Beispielsweise lassen sich mittels einer Schwingungsüberwachung Schäden und Verschleißerscheinungen an Wälzlagern, Zahnrädern, Wellen oder ähnlichen Bauteilen frühzeitig und zuverlässig durch die Veränderung des spezifischen Frequenzspektrums der jeweiligen Komponente ermitteln, wozu die Amplitude sowie die Frequenz und die auftretenden Beschleunigungen an den Komponenten der Anlage gemessen werden. Abweichungen dieser Messwerte von festgelegten Sollwerten deuten auf individuelle Abnutzungs- und Verschleißerscheinungen hin.For example, by means of a vibration monitoring damage and wear on bearings, gears, shafts or similar components can be determined early and reliable by changing the specific frequency spectrum of each component, including the amplitude and the frequency and the accelerations occurring at the components of the system are measured. Deviations of these measured values from specified target values indicate individual signs of wear and tear.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage ist eine Ölqualitätsmessung, wozu Verschleißpartikel im Schmierstoff festgestellt werden und die Viskosität des Schmierstoffs ermittelt wird.Another known method for monitoring the condition of a production plant is an oil quality measurement, in which wear particles in the lubricant are detected and the viscosity of the lubricant is determined.
Ferner können insbesondere bei Zerspanungswerkzeugen, wie beispielsweise Drehmeißel, Fräser, Verschleißerscheinungen durch eine Thermografie festgestellt werden, bei der die Temperatur der Fertigungsanlage flächenartig gemessen wird, weil die Zerspanung mit verschlissenen Werkzeugen eine erhöhte Reibung und mithin eine erhöhte Temperatur erzeugt.Furthermore, in particular in cutting tools, such as turning tools, cutters, wear phenomena can be determined by a thermography, in which the temperature of the manufacturing plant is measured area-wise, because the machining with worn tools generates increased friction and therefore an elevated temperature.
Schließlich ist es bekannt, aus dem Energieverbrauch bzw. der Leistungsaufnahme einzelner Antriebe einer Fertigungsanlage den Zustand abzuschätzen. Dieses Verfahren setzt auf der Überlegung auf, dass ein etwaiger Verschleiß an Reibstellen zu einer Erhöhung der Reibung und mithin zu einer Erhöhung des Drehmoments und der Strom- bzw. Leistungsaufnahme führt. Beispielsweise erlaubt dieses Verfahren einen Rückschluss auf den Werkzeugverschleiß einer spanenden Werkzeugmaschine, weil bei konstanter Zustellung und Schnittgeschwindigkeit die Stromaufnahme des Hauptantriebs proportional zur Schnittkraft ist. Diese steigt mit zunehmendem Werkzeugverschleiß an, womit sich erforderliche Werkzeugwechsel anhand der Stromaufnahme feststellen lassen.Finally, it is known to estimate the state from the energy consumption or the power consumption of individual drives of a production plant. This method is based on the consideration that any wear on friction points leads to an increase in the friction and thus to an increase of the torque and the power consumption. For example, this method allows a conclusion on the tool wear of a cutting machine tool, because at constant delivery and cutting speed, the current consumption of the main drive is proportional to the cutting force. This increases with increasing tool wear, which allows you to determine the required tool changes based on the current consumption.
Mit bekannten Verfahren ist die Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage über die Überwachung der Energiedaten nur unter Hinzunahme weiterer Daten, insbesondere Sensordaten möglich, die mit den Energiedaten korreliert werden. Üblicherweise handelt es sich hierbei um die Temperatur, Drehzahl und/oder Verfahrgeschwindigkeit von Komponenten. Beispielsweise wird in
In vergleichbarer Weise schlägt auch
Nachteilig an den bekannten Verfahren ist, dass die Verfahren jeweils auf spezielle Anwendungsfälle und auf spezielle Fertigungsanlagen ausgelegt sind, weshalb die Anwendung der Verfahren mit einem erheblichen Aufwand bei der Einstellung erforderlicher Parameter verbunden sind. Darüber hinaus ist für bekannte Verfahren eine umfangreiche Sensorik erforderlich, was sowohl bei der Installation als auch bei der Wartung einen hohen Arbeitsaufwand und mithin hohe Kosten erzeugt. Ferner lassen sich die bekannten Verfahren aufgrund der inkonsistenten und systemspezifischen Kenndaten nicht ohne Weiteres automatisieren, was den Arbeitsaufwand bei der Installation zudem erhöht.A disadvantage of the known method is that the methods are each designed for specific applications and on special manufacturing equipment, which is why the application of the method associated with a considerable effort in the adjustment of required parameters. In addition, an extensive sensor technology is required for known methods, which generates a high workload and therefore high costs both during installation and during maintenance. Furthermore, the known methods can not be readily automated due to the inconsistent and system-specific characteristics, which also increases the workload during installation.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage zu schaffen, das einfach anwendbar und automatisierbar ist. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Wirkleistung von mehreren aufeinanderfolgenden wiederkehrenden Prozessen als Referenzdatensatz registriert wird, und aus dem Referenzdatensatz automatisch mindestens ein parametrierter Referenzdatensatz gebildet wird, dessen Verlauf mit dem Ist-Verlauf der Wirkleistung des laufenden Prozesses verglichen wird, so dass Abweichungen zwischen dem parametrierten Referenzdatensatz und dem Ist-Verlauf der Wirkleistung einen Rückschluss auf den Zustand der Fertigungsanlage erlauben. Die Wirkleistung ist dabei das Produkt aus dem Strom und der an der Fertigungsanlage anliegenden Spannung, so dass das Verfahren analog durch die Messung des Stroms anwendbar ist, sofern von einer konstanten Spannung an der Fertigungsanlage ausgegangen werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a method for monitoring the condition of a manufacturing plant, which is easy to use and automated. This object is achieved by the method according to claim 1. According to the invention, it is provided that the active power of several consecutive recurrent processes is registered as a reference data record, and from the reference data set at least one parameterized reference data record is automatically formed, the course of which is compared with the actual course of the active power of the current process, so that deviations between the parameterized reference data set and the actual course of the active power allow a conclusion on the state of the manufacturing plant. The active power is the product of the current and the voltage applied to the production plant, so that the method is analogous by the measurement of the current is applicable, provided that a constant voltage can be assumed at the manufacturing plant.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren zur Zustandsüberwachung erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine automatische Zustandsüberwachung, die ausschließlich auf der Messung der Wirkleistung und/oder des Stroms während des laufenden Prozesses basiert. Auf weitere Kenndaten durch andere Sensoren, insbesondere Messwerte von Temperaturen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen oder dergleichen kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verzichtet werden. Insofern lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne Weiteres an unterschiedlichen Fertigungsanlagen anwenden, ohne auf unterschiedliche Sensoranordnungen angepasst werden zu müssen. Mithin ist eine einfache Automatisierbarkeit des Verfahrens gegeben. In contrast to the known condition monitoring methods, the method according to the invention allows an automatic condition monitoring, which is based exclusively on the measurement of the active power and / or the current during the ongoing process. Further characteristic data by other sensors, in particular measured values of temperatures, speeds, accelerations or the like can be dispensed with in the context of the method according to the invention. In this respect, the method according to the invention can readily be applied to different production systems without having to be adapted to different sensor arrangements. Thus, a simple automation of the process is given.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend sowie in den Unteransprüchen angegeben.Preferred embodiments of the present invention are given below and in the subclaims.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Erfindung insbesondere durch die Möglichkeit einer automatischen Parametrierung des Referenzdatensatzes auszeichnet. Hierzu ist nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass anhand des Referenzdatensatzes eine Datenanalyse, eine Segmentierung, eine Klassifizierung der Segmente, eine Verfahrensauswahl und Parameterberechnung sowie eine Überprüfung des parametrierten Referenzdatensatzes durchgeführt wird. Auf die einzelnen Verfahrensschritte wird im Folgenden eingegangen.It has already been pointed out that the present invention is characterized in particular by the possibility of automatic parameterization of the reference data record. For this purpose, it is provided according to a first preferred embodiment that based on the reference data set, a data analysis, a segmentation, a classification of the segments, a method selection and parameter calculation and a review of the parameterized reference data set is performed. The individual process steps will be discussed below.
Der Referenzdatensatz wird vorzugsweise über eine lange Zeitspanne, vorzugsweise über 24 Stunden aufgezeichnet, so dass während dieser Zeit etliche wiederkehrende Prozesse durchgeführt werden. Bei der Datenanalyse des Referenzdatensatzes werden mehrere Kennwerte bestimmt, insbesondere die Anzahl der wiederkehrenden Prozesse, die Anzahl der Takte, die mittlere Prozess- oder Taktzeit, die minimale Prozess- oder Taktdauer, die minimale und maximale Wirkleistung, die durchschnittliche Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messwerten und/oder die Messwertauflösung, also die Genauigkeit, mit der die Werte gemessen werden. Bei der Prozess- oder Taktzeit handelt es sich um die Zeitspanne, die zwischen einem Taktanfang und dem darauffolgenden Taktanfang vergeht. Etwaige Transportzeiten eines Werkstücks (Standby-Zeit), das in die Fertigungsanlage ein- und ausfährt, sind in der Taktzeit bereits enthalten. Hiervon zu unterscheiden ist die Prozess- oder Taktdauer, die die Zeitspanne zwischen Taktanfang und Taktende darstellt. Die Transportzeiten der Werkstücke zwischen zwei Takten sind der Taktdauer daher nicht zuzuordnen.The reference data set is preferably recorded over a long period of time, preferably over 24 hours, so that a number of recurring processes are carried out during this time. In the data analysis of the reference data set, several characteristic values are determined, in particular the number of recurring processes, the number of cycles, the average process or cycle time, the minimum process or cycle time, the minimum and maximum active power, the average difference between two consecutive measured values and / or the measurement resolution, ie the accuracy with which the values are measured. The process or cycle time is the period of time that elapses between the start of a bar and the next bar start. Any transport times of a workpiece (standby time) that enters and exits the production line are already included in the cycle time. This is to be distinguished from the process or cycle time, which represents the time period between the beginning of the bar and the end of the bar. The transport times of the workpieces between two bars are therefore not attributable to the cycle time.
Anhand der ermittelten Kennwerte erfolgt die Segmentierung des Referenzdatensatzes in Segmente, die einer Prozess- oder Taktdauer zuzuordnen sind. Jedes Segment beginnt dabei mit dem Beginn eines Taktes und endet mit dem Ende des Taktes. Im Falle von Takten, die beispielweise 55 s dauern und einer Transportzeit des Werkstücks von 5 s, erhält man unter der (theoretischen) Annahme einer ununterbrochenen Fertigung 1.440 Segmente für einen Referenzdatensatz mit einer Länge von 24 Stunden.On the basis of the determined characteristic values, the segmentation of the reference data set takes place in segments that are to be assigned to a process or cycle time. Each segment begins with the beginning of a bar and ends with the end of the bar. For example, in the case of cycles lasting 55 s and a transport time of the workpiece of 5 s, the (theoretical) assumption of uninterrupted production gives 1,440 segments for a reference data record with a length of 24 hours.
Die Segmente werden anschließend iterativ klassifiziert, indem die Segmente miteinander verglichen werden und im Falle signifikanter Unterschiede unterschiedlichen Klassen zugeordnet werden. Die signifikanten Unterschiede können durch zum Teil unterschiedliche Arbeitsschritte bedingt sein, die an Werkstücken in derselben Fertigungsanlage durchgeführt werden. Wie viele Klassen letztendlich gebildet werden müssen, ist insbesondere von dem zu überwachenden Prozess und den vorgebbaren Toleranzen abhängig.The segments are then iteratively classified by comparing the segments and assigning different classes in case of significant differences. The significant differences may be due to sometimes different operations performed on workpieces in the same manufacturing plant. How many classes ultimately have to be formed depends, in particular, on the process to be monitored and the predefinable tolerances.
Die anschließende Parameterberechnung erfolgt klassenweise. Das bedeutet, dass zur Parameterberechnung klassenweise auf alle Referenzdaten der Segmente mindestens ein Beschreibungsverfahren angewendet wird, so dass sich pro Klasse und Beschreibungsverfahren ein parametrierter Referenzdatensatz ergibt. Ein Beschreibungsverfahren ist dabei eine wählbare Vorschrift, mit der die Messwerte aller Segmente einer Klasse miteinander verknüpft werden. Beispielsweise sieht ein bevorzugtes Beschreibungsverfahren vor, aus allen Messwerten der Segmente zu einem Zeitpunkt den Mittelwert zu bilden und die Standardabweichung zu bestimmen. Der parametrierte Referenzdatensatz enthält in diesem Fall einen zeitlichen Verlauf der Mittelwerte aller Messwerte inklusive einer Hüllkurve von der Höhe der dreifachen Standardabweichung.The subsequent parameter calculation is done class by class. This means that for parameter calculation, at least one description method is applied class-wise to all reference data of the segments, so that a parameterized reference data record results per class and description method. A description method is a selectable rule with which the measured values of all segments of a class are linked to one another. By way of example, a preferred description method provides for averaging the values of all the measured values of the segments at one time and determining the standard deviation. In this case, the parameterized reference data record contains a chronological progression of the mean values of all measured values including an envelope of the height of three times the standard deviation.
Nach der automatisierten Parametrierung des Referenzdatensatzes ist eine Überprüfung durchzuführen, ob der parametrierte Referenzdatensatz anwendbar ist und ob er den Referenzdatensatz hinreichend genau beschreibt, wozu er zunächst an dem ursprünglichen Referenzdatensatz getestet wird. Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass zur Überprüfung die parametrierten Referenzdatensätze auf den Referenzdatensatz angewendet werden, wobei die Überprüfung positiv abgeschlossen wird, wenn mindestens ein parametrierter Referenzdatensatz dem Verlauf des Referenzdatensatzes bei jedem Takt ohne signifikanten Abweichungen entspricht. Demnach wird überprüft, ob jeder Abschnitt des Referenzdatensatzes dem Verlauf mindestens eines parametrierten Referenzdatensatzes entspricht, wobei etwaige Toleranzen einstellbar sind und beispielsweise durch die Hüllkurve vorgegeben werden können. Sollte sich der Verlauf des Referenzdatensatzes nicht durch die mehrfache Aneinanderreihung von parametrierten Referenzdatensätzen darstellen lassen, sind die parametrierten Referenzdatensätze zu verwerfen und die Parametrierung des Referenzdatensatzes ist mit anderen Vorgaben bzw. Parametern zu wiederholen.After the automated parameterization of the reference data set, a check is to be carried out as to whether the parameterized reference data record is applicable and whether it describes the reference data record with sufficient accuracy, for which it is first tested on the original reference data record. For this purpose, it is preferably provided that the parameterized reference data sets are applied to the reference data record for checking, wherein the check is concluded positively if at least one parameterized reference data record corresponds to the course of the reference data record at each clock without significant deviations. Accordingly, it is checked whether each section of the reference data set corresponds to the course of at least one parameterized reference data set, wherein any tolerances are adjustable and can be specified for example by the envelope. If the course of the reference data set is not due to the multiple stringing of parameterized reference data records are to be rejected, the parameterized reference data records must be discarded and the parameterization of the reference data record must be repeated with other specifications or parameters.
Sobald ein parametrierter Referenzdatensatz vorliegt, der eine hinreichend genaue Beschreibung des Referenzdatensatzes liefert, kann der laufende Produktionsprozess mit dem parametrierten Referenzdatensatz überwacht werden, indem der zeitliche Verlauf der Energiedaten des laufenden Prozesses mit dem parametrierten Referenzdatensatz verglichen wird. Sollten die Energiedaten im Laufe der Zeit signifikante Abweichungen aufzeigen, die in den Daten des Referenzdatensatzes nicht wiederzufinden ist, deuten die Abweichungen auf Verschleißerscheinungen hin. Der Zeitpunkt innerhalb eines Taktes, bei dem die Abweichungen vorliegen, liefert bei der Fehlerdiagnose wertvolle Hinweise auf die Art der Verschleißerscheinung und welche Komponente der Fertigungsanlage betroffen ist.As soon as a parameterized reference data record is available that provides a sufficiently accurate description of the reference data record, the current production process can be monitored with the parameterized reference data record by comparing the time profile of the energy data of the current process with the parameterized reference data record. If the energy data show significant deviations over time that can not be found in the data of the reference data set, the deviations indicate signs of wear. The time within a cycle in which the deviations are present provides valuable information on the type of wear and which component of the production plant is affected during the fault diagnosis.
Eine konkrete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen erläutert. Es zeigen:
-
1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und -
2 einen Verfahrensablauf bei der Parametrierung eines Referenzdatensatzes.
-
1 a schematic structure of an apparatus for performing the method and -
2 a procedure in the parameterization of a reference data set.
Die automatisierbare Parametrierung des aufgezeichneten Referenzdatensatzes ist schematisch in
Die identifizierten Segmente werden anschließend miteinander verglichen und im Falle signifikanter Differenzen unterschiedlichen Klassen zugeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Segmente
In jeder Klasse werden die Messwerte aller Segmente über ein geeignetes Beschreibungsverfahren miteinander verknüpft, so dass sich ein resultierender zeitlicher Verlauf der Energiedaten inklusive einer Hüllkurve ergibt, die eine Art Toleranzbereich um den zeitlichen Verlauf der Energiedaten bildet. Pro Klasse und Beschreibungsverfahren entsteht so ein parametrierter Referenzdatensatz, wobei in
Die abschließende Überprüfung der ermittelten Datensätze ergibt, ob die Segmente
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fertigungsanlagemanufacturing plant
- 22
- MessleitungMeasurement line
- 33
- Mikrocontrollermicrocontroller
- 44
- Computercomputer
- 55
- DatenbankDatabase
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