DE102018103485A1

DE102018103485A1 - Verfahren und System zur Zustandsüberwachung einer Maschine

Info

Publication number: DE102018103485A1
Application number: DE102018103485.7A
Authority: DE
Inventors: Edwin Becker; Alvaro Chavez
Original assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Maschine (10), wobei mittels einer an oder in einem in fester räumlicher Beziehung zu der Maschine stehenden Gehäuse (18) angeordneten Video-Kamera (20) Video-Daten von mindestens einem Teil der Maschine gewonnen werden, die Video-Daten mittels einer in dem Gehäuse angeordneten Datenauswertungseinheit (22) frequenzselektiv hinsichtlich Maschinendrehfrequenzbezogenen Schwingungen ausgewertet werden, um zwecks Maschinenzustandserfassung aktuelle Schwingungszustände der Maschine in einem Frequenzbereich bis maximal 150 Hz zu erfassen, mittels einer in dem Gehäuse angeordneten Bewertungseinheit (24) die erfassten aktuellen Schwingungszustände hinsichtlich mindestens eines maschinenspezifischen Kennwerts mit Soll-Schwingungszuständen und/oder früheren erfassten Schwingungszuständen verglichen werden, um die aktuellen Schwingungszustände hinsichtlich ihrer Zulässigkeit zu bewerten, und ein Ergebnis der Bewertung ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Zustandsüberwachung einer Maschine unter Verwendung einer fest installierten Videokamera.
Die Überwachung von Maschinen und den sie umgebenden Schutzräumen durch fest installierte Überwachungskameras ist seit vielen Jahren in der Industrie üblich. Ferner ist es üblich, bei der Zustandsüberwachung von Maschinen Schwingungsmessungen mittels an der Maschine fest installierten oder temporär anzubringenden Schwingungssensoren vorzunehmen.
In der US 2016/0217588 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem anhand von Videoaufnahmen an einem schwingenden Objekt Schwingungsintensitäten für die einzelnen Videopixel durch Auswertung der Videodaten gewonnen werden.
Von der Firma RDI Technologies, Inc., Knoxville, USA wird unter der Bezeichnung „Iris M“ ein System vertrieben, welches Videoaufnahmen eines schwingenden Objekts erstellt und die Schwingungen in der bildlichen Darstellung verstärkt, so dass auch Schwingungen mit kleinen Amplituden leichter zu beobachten sind.
In der Dissertation von J. G. Chen mit dem Titel „Video Camera-based Vibration Measurement of Infrastructure“, MIT, USA, Juni 2016, sind Verfahren zur Zustandsüberwachung von Einrichtungen der Infrastruktur, insbesondere Brücken, beschrieben, bei welchen videobasierte Schwingungsmessungen vorgenommen werden; in der Arbeit wird auch über Testmessungen zur Evaluierung des vorgeschlagenen Verfahrens an einem Pumpenmotorgehäuse berichtet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Zustandsüberwachung von Maschinen zu schaffen, wodurch mit relativ geringem Aufwand aussagekräftige Ergebnisse erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein System gemäß Anspruch 15.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden eine Datenauswertungseinrichtung und eine Zustandsüberwachungseinrichtung in ein in fester räumlicher Beziehung zu der Maschine stehendes Gehäuse einer Videokamera integriert, um von der Videokamera gewonnene Videodaten vor Ort frequenzselektiv hinsichtlich maschinendrehfrequenzbezogenen Schwingungen auszuwerten, um aktuelle Schwingungszustände der Maschine bei relativ niedrigen Frequenzen zu erfassen und hinsichtlich mindestens eines maschinenspezifischen Kennwerts mit Sollschwingungszuständen zu vergleichen, um die aktuellen Schwingungszustände hinsichtlich ihrer Zulässigkeit zu bewerten und entsprechende Ergebnisse der Zustandsüberwachung auszugeben. Auf diese Weise kann beispielsweise eine üblicherweise bereits bestehende Infrastruktur in Form von Überwachungskameras für eine Vorort-Zustandsüberwachung verwendet werden, was insbesondere die üblicherweise sehr große Datenmengen erfordernde Übertragung von vor Ort erfasster Bildinformation an eine entfernt angeordnete Leitstelle/Auswertungseinrichtung entbehrlich macht. Stattdessen wird zum Beispiel eine solche Datenübertragung nur dann aktiviert, wenn die in das Kameragehäuse integrierte Datenauswertungseinrichtung bzw. Zustandsüberwachungseinrichtung Anzeichen für einen sich verändernden und/oder unzulässigen Maschinenzustand findet.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Systems zur Zustandsüberwachung einer Maschine; und
2 ein Blockdiagramm eines Beispiels der Datenverarbeitung in dem System von 1.

In 1 ist ein Beispiel für ein System zur Zustandsüberwachung einer Maschine 10, die ein rotierendes Element 12 aufweist, schematisch dargestellt. Das System umfasst eine bezüglich der Maschine 10 feststehend montierte Überwachungseinrichtung 14, die mittels eines geeigneten Befestigungselements 16 stationär bzw. fest installiert ist, so dass sie in fester räumlicher Beziehung zu der Maschine 10 steht. Mit anderen Worten, bei der Überwachungseinrichtung 14 handelt es sich um eine stationäre permanente Einrichtung, nicht jedoch um eine mobile Einrichtung, die nur vorübergehend eingesetzt wird. Typischerweise ist beim stationären Betrieb von Betriebsdauern von mindestens einem Monat auszugehen.
Die Überwachungseinrichtung 14 umfasst ein Gehäuse 18, eine Videokamera 20, eine Datenauswertungseinheit 22, eine Bewertungseinheit 24 sowie eine Ausgabeeinheit 26. Bei der Ausgabeeinheit 26 kann es sich beispielsweise um eine Kommunikationsschnittstelle zur Anbindung der Überwachungseinrichtung 18 an externe Komponenten, wie beispielsweise eine Fernauswertungseinrichtung 28, einen Leitstand 30 für die Maschine 10 oder ein Kommunikations- oder Datennetzwerk, wie beispielsweise eine Cloud 32, handeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausgabeeinheit 26 eine optische Anzeige, wie beispielsweise einen Bildschirm oder eine Warnlampe, und/oder einen Lautsprecher aufweisen.
Mittels der Videokamera 20 werden, vorzugsweise kontinuierlich oder in festen Überwachungsintervallen, Videodaten von mindestens einem Teil der Maschine 10 gewonnen, die dann von einer in dem Gehäuse 18 angeordneten Datenauswertungseinheit 22 frequenzselektiv ausgewertet werden, um zwecks Maschinenzustandserfassung aktuelle Schwingungszustände der Maschine zu erfassen. Die so erfassten aktuellen Schwingungszustände werden dann mittels einer im Gehäuse 18 angeordneten Bewertungseinheit 24 hinsichtlich maschinenspezifischer Kennwerte mit Sollschwingungszuständen und/oder früheren erfassten Schwingungszuständen verglichen, um die aktuellen Schwingungszustände hinsichtlich ihrer Zulässigkeit zu bewerten (während typischerweise eine Mehrzahl von verschiedenen Kennwerten verwendet wird, könnte grundsätzlich jedoch auch nur ein einziger Kennwert verwendet werden). Das Ergebnis der Bewertung wird dann von der Ausgabeeinheit 26 ausgegeben.
Die Auswertung der Videodaten in der Datenauswertungseinheit 22 erfolgt in einer Weise, die Bezug nimmt auf die Drehfrequenz der Maschine 10, d.h., es werden bei der Auswertung Frequenzfilter verwendet, die mit der Maschinendrehzahl in Beziehung stehen, wobei vor allem maschinenspezifische niederfrequente Schwingungsanregungen bis etwa 150 Hz erfasst werden, da diese bei der Maschinenzustandserfassung besonders aussagekräftig und hilfreich sind. Drehfrequente Anregungen entstehen beispielsweise infolge von Unwuchten oder Ausrichtfehlern. Um eine drehfrequenzspezifische Auswertung der Videodaten zu erzielen, können beispielsweise Ordnungsfilter bezüglich der Drehfrequenz der Maschine verwendet werden. Beispielsweise kann die Auswertung so gestaltet werden, dass nur Frequenzen bis zur maximal 10. Ordnung der Drehfrequenz der Maschine berücksichtigt werden. Dabei können beispielsweise Bänder um die einzelnen Ordnungen der Drehfrequenz gebildet werden, die eine Breite von maximal 3% aufweisen, wobei dann nur Frequenzen innerhalb dieser Bänder bei der Auswertung berücksichtigt werden.
Vorzugsweise erfolgt bei der Auswertung der Videodaten eine Betriebsschwingformanalyse, wobei die Verteilung der Schwingungsamplituden und die Phasenlage der Schwingungspunkte der Maschine berücksichtigt werden. Über Betriebsschwingformanalysen lassen sich beispielsweise Lockerungen, Strukturresonanzen, Parallelversatz von Wellen (seitlicher und winkliger Versatz), Ausrichtprobleme von Grundrahmen, Fundamentneigungen, Rohrleitungs- und Gerüstverspannungen und ähnliches effizient ermitteln. Beispielsweise kann in einer drehenden Maschine eine Unwucht und/oder ein Parallelversatz zum Beispiel durch Lockern eines Lagersitzes entstehen.
Basierend auf den maschinendrehzahlspezifisch niederfrequenten Anregungen und unter Verwendung von Betriebsschwingformanalysen können Bänder definiert werden, um daraus eindimensionale oder mehrdimensionale Kennwerte für die Zustandsüberwachung abzuleiten. Schwingungskennwerte, das Phasenverhalten und Bewegungsabläufe in der Fläche und in der Ebene können benutzt werden, um Schwingungsintensitäten zu verfolgen, woraus sich dann Beanspruchungen der Maschine und Kritizitäten ableiten lassen. Welche Zustände maschinenspezifisch noch zulässig sind, kann vergleichend mit Betriebserfahrungen ermittelt werden. Dabei können auch Verfahren wie SOM („Self-Organizing Maps“) eingesetzt werden. Es ist auch sinnvoll, KPls („Key Performance Indicators“) bzw. Leistungskennzahlen zu definieren, welche die Performance der Maschine beschreiben, und diese hinsichtlich ihrer zeitlichen Veränderung zu überwachen.
Wie bereits erwähnt, können bei der Auswertung der Videodaten Schwingungsamplituden, Schwingungsgeschwindigkeiten und/oder Schwingungsphasen berücksichtigt werden; insbesondere können dabei Schwingungsintensitäten ermittelt und bei der Zustandsüberwachung berücksichtigt werden.
Für die Bewertung der erfassten Maschinenschwingungszustände ist es zweckmäßig, für die einzelnen Kennwerte Grenzen festzulegen, die eine maximal zulässige Abweichung von Sollschwingungszuständen widerspiegeln. Die Sollschwingungszustände und die maximal zulässige Abweichung davon werden typischerweise durch Messungen an der Maschine oder an einer typgleichen Maschine empirisch ermittelt. Die entsprechenden Daten werden typischerweise in der Überwachungseinrichtung 18 abgelegt und können dann bei der Bewertung der erfassten Schwingungszustände herangezogen werden.
Bei der Festlegung der Zulässigkeitsgrenzen für die Kennwerte ist es zweckmäßig, zwischen Warngrenzen, Alarmgrenzen und Abschaltgrenzen zu unterscheiden, so dass beispielsweise das Überschreiten einer Warngrenze durch die ermittelten Kennwerte von aktuellen Schwingungszuständen als Bewertungsergebnis zu einer Warnung, das Überschreiten einer Alarmgrenze durch Kennwerte von aktuellen Schwingungszuständen zu einer Alarmierung und das Überschreiten der Abschaltgrenze durch Kennwerte von aktuellen Schwingungszuständen zu einem Abschalten der Maschine führt. Je nach Dimension der Kennwerte können die Grenzen dabei als Grenzwerte (eindimensional), Grenzhüllflächen (zweidimensional) und/oder Grenzräume (dreidimensional) ausgebildet sein.
Die Bewertung der von der Auswerteeinheit 22 erfassten aktuellen Schwingungszustände erfolgt in der Bewertungseinheit 24, die Zugriff auf die entsprechenden Grenzen hat und diese bei der Bewertung berücksichtigt. Das Bewertungsergebnis kann über die Ausgabeeinheit 26 in Form einer optischen oder akustischen Warnung, eines optischen oder akustischen Alarms, und in Form eines Abschaltungssignals bzw. -kommandos, beispielsweise an den Maschinenleitstand 30, ausgegeben werden. Dabei können die Bewertungsergebnisse direkt an der Überwachungseinrichtung 18 akustisch und/oder optisch ausgegeben werden, oder sie werden alternativ oder zusätzlich an den Leitstand 30, die Cloud 32 und/oder die Fernauswertungseinrichtung 28 ausgegeben.
Beispiele für die Ermittlung von Schwingungsinformationen aus Videodaten sind beispielsweise in der US 2016/0217588 A1 zu finden.
Vorzugsweise wird bei der Auswertung der Videodaten zunächst ein Bewegungsverstärkungsalgorithmus auf die Videodaten angewandt, um die auszuwertenden Bewegungen/Schwingungen in den Videodaten zu verstärken. Solche Algorithmen sind auch unter der Bezeichnung „Motion Amplification“ bekannt. Ein Beispiel für einen solchen Algorithmus ist in der US 9,338,331 B2 beschrieben.
Vorzugsweise werden Daten betreffend die gewonnenen oder bereits bearbeiteten Videodaten, die erfassten aktuellen Schwingungszustände und/oder Bewertungsergebnisse mindestens dann zur Weiterverarbeitung und/oder Archivierung über die Ausgabeeinheit 26 in ein Datennetzwerk (Cloud 32) und/oder die Fernauswertungseinrichtung 28 ausgegeben, wenn die Überwachungseinrichtung 18 unzulässige aktuelle Schwingungszustände erfasst (also z.B. Warngrenzen oder Alarmgrenzen der Kennwerte erreicht werden), so dass solche Daten betreffend unzulässige Schwingungszustände archiviert und/oder von einem Experten per Fernüberwachung begutachtet werden können.
Durch die Verwendung von Drehzahlbezugsgrößen bei der Auswertung der Videodaten lassen sich ähnlich zu einem „Stroboskopeffekt“ Bewegungsabläufe verlangsamen, Amplituden und Phasen quantifizieren und in ihrer Tendenz überwachen.
Bei den zu überwachenden Maschinen kann es sich beispielsweise um Windenergieanlagen oder Antriebe, insbesondere Schiffsantriebe, handeln. Typische Maschinendrehzahlen liegen im Bereich von 1 bis 50 Hz.
Grundsätzlich besteht nicht nur die Möglichkeit, die Überwachungseinrichtung 18 vollständig neu zu fertigen, sondern es können auch bereits bestehende Überwachungskamerasysteme mit den entsprechenden Datenverarbeitungseinrichtungen (Auswertungseinheit 22 und Bewertungseinheit 24 sowie Ausgabeeinheit 26) nachgerüstet werden.
Optional können auch „Augmented Reality“-Anwendungen eingebunden und mit den Bilddaten verknüpft werden.
Auch lassen sich instationäre oder nur kurzzeitig wirkende Maschinenzustände (Schwingungszustände) über die Videodaten erfassen, abspeichern und zur Fernauswertung an Spezialisten schicken.
Es versteht sich, dass die Kommunikation mit der Überwachungseinrichtung 18 grundsätzlich bidirektional sein kann, so dass beispielsweise ein Fernauswertungsspezialist die Datenauswertung in der Überwachungseinrichtung 18 beeinflussen kann.
Die bei der Videodatenauswertung verwendete Maschinendrehzahl kann der Auswertungseinheit 22 entweder extern vorgegeben werden oder sie wird von dieser durch Frequenzanalyse der Videodaten selbst ermittelt.
Gemäß dem beispielhaften Blockdiagramm von 2 umfasst die Auswertungseinheit 22 eine Einheit 40 zur Bewegungsverstärkung, eine Frequenzfiltereinheit 42 sowie eine Schwingungsanalyseeinheit 44. Die Bewertungseinheit 24 umfasst einen Speicher 46 für die Grenzen der Kennwerte (diese Grenzen ergeben sich aus den Sollwerten/Sollzuständen und den maximal zulässigen Abweichungen davon), einen Zwischenspeicher zur Datenpufferung (nicht dargestellt), eine Vergleichseinheit 48 sowie eine Entscheidungseinheit 50.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2016/0217588 A1 [0003, 0021]
US 9338331 B2 [0022]

Claims

Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Maschine (10), wobei mittels einer an oder in einem in fester räumlicher Beziehung zu der Maschine stehenden Gehäuse (18) angeordneten Video-Kamera (20) Video-Daten von mindestens einem Teil der Maschine gewonnen werden, die Video-Daten mittels einer in dem Gehäuse angeordneten Datenauswertungseinheit (22) frequenzselektiv hinsichtlich Maschinendrehfrequenz-bezogenen Schwingungen ausgewertet werden, um zwecks Maschinenzustandserfassung aktuelle Schwingungszustände der Maschine in einem Frequenzbereich bis maximal 150 Hz zu erfassen, mittels einer in dem Gehäuse angeordneten Bewertungseinheit (24) die erfassten aktuellen Schwingungszustände hinsichtlich mindestens eines maschinenspezifischen Kennwerts mit Soll-Schwingungszuständen und/oder früheren erfassten Schwingungszuständen verglichen werden, um die aktuellen Schwingungszustände hinsichtlich ihrer Zulässigkeit zu bewerten, und ein Ergebnis der Bewertung ausgegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Video-Daten auf die Video-Daten zunächst ein Bewegungsverstärkungs-Algorithmus angewandt wird, um die auszuwertenden Schwingungen in den Video-Daten zu verstärken.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Video-Daten Ordnungsfilter bzgl. der Drehfrequenz der Maschine (10) verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Video-Daten nur Frequenzen bis maximal zur 10. Ordnung der Drehfrequenz der Maschine (10) berücksichtigt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Video-Daten nur Frequenzen in Bändern mit einer Breite von maximal 3% um die ersten 10 Ordnungen der Drehfrequenz der Maschine (10) berücksichtigt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Video-Daten Betriebsschwingformanalysen verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung und Bewertung der Video-Daten kontinuierlich erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Soll-Schwingungszustände und maximal zulässige Abweichungen von den Soll-Schwingungszustände in der Bewertungseinheit (24) abgelegt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Soll-Schwingungszustände und maximal zulässige Abweichungen von den Soll-Schwingungszustände an der Maschine (10) oder an einer typgleichen Maschine empirisch ermittelt werden, bevor sie in der Bewertungseinheit (24) abgelegt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Video-Daten Schwingungsamplituden, Schwingungsgeschwindigkeiten und/oder Schwingungsphasen berücksichtigt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Video-Daten Schwingungsintensitäten ermittelt und bei der Zustandsüberwachung berücksichtigt werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Daten betreffend die gewonnenen oder bearbeiteten Video-Daten, die erfassten aktuellen Schwingungszustände und/oder Bewertungsergebnisse mindestens dann zur Weiterverarbeitung und/oder Archivierung an ein Datennetzwerk (32) und/oder ein Kommunikationsnetzwerk (28; 30) ausgegeben werden, wenn die Bewertungseinheit unzulässige aktuelle Schwingungszustände erfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Bewertung eine Warnung bei Überschreitung einer Warngrenze durch mindestens einen Kennwert von aktuellen Schwingungszuständen, eine Alarmierung bei Überschreitung einer Alarmgrenze durch mindestens einen Kennwert von aktuellen Schwingungszuständen oder eine Abschaltung der Maschine bei Überschreitung einer Abschaltgrenze durch mindestens einen Kennwert von aktuellen Schwingungszuständen ist, wobei die Grenzen insbesondere als Grenzwerte, Grenzhüllflächen und/oder Grenzräume ausgebildet sind.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Maschine (10) um eine Windenergieanlage oder einen Antrieb, insbesondere Schiffsantrieb handelt, wobei die Drehzahl der Maschine zwischen 1 und 50 Hz liegt.
System zur Zustandsüberwachung einer Maschine (10), mit einem in fester räumlicher Beziehung zu der Maschine stehenden Gehäuse (18), einer an oder in dem Gehäuse angeordneten Video-Kamera (20) zum Gewinnen von Video-Daten mindestens eines Bereichs der Maschine, einer in dem Gehäuse angeordneten Datenauswertungseinheit (22), die ausgebildet ist, um die Video-Daten mittels einer in dem Gehäuse angeordneten Datenauswertungseinrichtung frequenzselektiv hinsichtlich Maschinendrehfrequenzbezogenen Schwingungen auszuwerten, um zwecks Maschinenzustandserfassung aktuelle Schwingungszustände der Maschine in einem Frequenzbereich bis maximal 150 Hz zu erfassen, einer in dem Gehäuse angeordneten Bewertungseinheit (24), die ausgebildet ist, um die erfassten aktuellen Schwingungszustände hinsichtlich mindestens eines maschinenspezifischen Kennwerts mit Soll-Schwingungszuständen und/oder früheren erfassten Schwingungszuständen zu vergleichen, um die aktuellen Schwingungszustände hinsichtlich ihrer Zulässigkeit zu bewerten, einer in dem Gehäuse angeordneten Einheit (26) zum Ausgeben eines Ergebnisses der Zustandsüberwachung.