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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen mindestens einer Störgröße eines ersten Feldgeräts für die Wartung und/oder Diagnose eines zweiten Feldgeräts und/oder eines Behältnisses, sowie ein System, welches zur Durchführung dieses Verfahrens ausgestaltet ist.
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Feldgeräte in der Prozess- und Automatisierungstechnik dienen der Überwachung und/oder Bestimmung mindestens einer, beispielsweise chemischen oder physikalischen, Prozessgröße eines Mediums. Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Feldgeräte bekannt geworden, die in industriellen Anlagen zum Einsatz kommen. In der Prozessautomatisierungstechnik ebenso wie in der Fertigungsautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen erfassen und/oder verarbeiten. So werden Feldgeräte zur Bestimmung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen verwendet. Zur Bestimmung von Prozessgrößen dienen Messgeräte, bzw. Sensoren. Diese werden beispielsweise zur Druck- und Temperaturmessung, Leitfähigkeitsmessung, Durchflussmessung, pH-Messung, Füllstandmessung, etc. verwendet und erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert, Füllstand, Durchfluss etc. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen werden Aktoren verwendet. Diese sind beispielsweise Pumpen oder Ventile, die den Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohr oder den Füllstand in einem Behälter beeinflussen können. Neben den zuvor genannten Messgeräten und Aktoren werden unter Feldgeräten auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Feldgeräte können dabei an Behältnissen montiert oder in Schaltschränken oder Schaltwarten verbaut sein.
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In modernen Industrieanlagen sind die Feldgeräte oftmals in Kommunikations-Netzwerke eingebunden. Das Feldgerät kommuniziert dabei beispielsweise mit übergeordneten Einheiten und/oder mit mobilen Bedieneinheit und/oder mit einer Cloud. Die Kommunikation zwischen zumindest einer übergeordneten Einheit und den Feldgeräten erfolgt in der Regel über ein Bussystem. Die Kommunikation kann sowohl drahtgebunden als auch drahtlos ausgestaltet sein. Die übergeordnete Einheit dient zur Prozesssteuerung, zur Prozessvisualisierung, zur Prozessüberwachung sowie zur Inbetriebnahme und Bedienung der Feldgeräte und wird auch als Konfigurier-/Managementsystem bezeichnet. Über eine Bedieneinheit lassen sich z.B. Informationen vom Feldgerät abrufen. Bekannt ist es auch, das Feldgerät über eine Bedieneinheit zu konfigurieren. In modernen Industrieanlagen findet teilweise alternativ oder zusätzlich eine Datenübertragung in eine Cloud statt, um von der Cloud wiederum die dort hinterlegten Daten von einem beliebigen Ort aus abfragen zu können.
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Feldgeräte befinden sich zumeist nicht isoliert an einzelnen Behältnissen, sondern sind häufig Teil einer Prozessanlage, die aus mehreren oder sogar einer Vielzahl an Behältnissen wie Behälter und Rohren bestehen kann, die wiederum von einer Vielzahl verschiedener Feldgeräte überwacht werden. Dementsprechend aufwändig ist die regelmäßige Wartung aller Feldgeräte und auch der Behältnisse in der Prozessanlage, um Fehlverhalten der Feldgeräte und Einschränkungen des Prozesses durch Defekte der Feldgeräte oder Behältnisse zu vermeiden. Bei mechanischen oder bewegten, beispielsweise rotierenden, Elementen von Feldgeräten oder Behältnissen spielt beispielsweise die Vibration eine große Rolle bei der Alterung und dem Versagen der Feldgeräte oder Behältnisse. Anfällig für Vibrationen sind beispielsweise Schweißnähte in Rohren oder Behältern, aber auch Aktoren wie beispielsweise Pumpen und insbesondere deren rotierende Elemente.
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Für mechanische Elemente ist es bekannt, anhand von Wöhlerkurven die Schwingfestigkeit zu bestimmen. Die bestimmten Wöhlerkurven werden beispielsweise dazu genutzt, die Stärke einer Schraube in einer definierten Position einer Prozessanlage oder eines Getriebes zu ermitteln, damit eine gewünschte Langlebigkeit der Schwingfestigkeit der Schraube erhalten wird. Mithilfe der Wöhlerkurve lassen sich somit Abschätzungen über die Lebensdauer von mechanischen Elementen vornehmen. Eine Überwachung der Alterung oder des Verschleißes oder generell des Zustandes des mechanischen Elements oder des Feldgeräts und/oder des Behältnisse lässt sich jedoch nicht vornehmen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ein System anzugeben, welches auf einfache Weise die Wartung und/oder Diagnose eines Feldgeräts und/oder eines Behältnisses erleichtert.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Bereitstellen mindestens einer Störgröße eines ersten Feldgeräts für die Wartung und/oder Diagnose eines zweiten Feldgeräts und/oder eines Behältnisses,
wobei das erste Feldgerät mindestens eine chemische und/oder physikalische Prozessgröße eines Mediums bestimmt und/oder überwacht,
wobei das erste Feldgerät mindestens eine Störgröße zur Korrektur der mindestens einen Prozessgröße ermittelt,
wobei das erste Feldgerät und das zweite Feldgerät und/oder das Behältnis innerhalb eines Bereichs einer Prozessanlage vorgesehen sind, in dem im Wesentlichen dieselben Umgebungsbedingungen herrscht,
wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
- - Ermittlung der mindestens einen Prozessgröße und der mindestens einen Störgröße mittels des ersten Feldgeräts,
- - Übermittelung der mindestens einen Störgröße an eine übergeordnete Einheit und/oder an eine Bedieneinheit,
- - Bereitstellung von Wartungsinformation und/oder Diagnoseinformation des zweiten Feldgeräts und/oder des Behältnisses anhand der übermittelten mindestens einen Störgröße.
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Erfindungsgemäß wird zur Bereitstellung einer Wartungs- und/oder Diagnoseinformation des zweiten Feldgeräts mindestens eine Störgröße des ersten Feldgeräts genutzt. Als Störgrößen werden solche Messgrößen bezeichnet, welche die Ermittlung der eigentlich gewünschten Prozessgröße stören. Eine Bestimmung der Prozessgröße ohne vorherige Bestimmung der Störgröße würde zu einem verfälschtem Ergebnis der Prozessgröße führen. Dabei kann die Störgröße die Prozessgröße überlagern oder separat, mit einem entsprechenden weiteren Sensor, welcher Teil des ersten Feldgeräts ist, bestimmt werden. Die Störgrößen werden anschließend beispielsweise kompensiert oder gefiltert, um die Prozessgröße korrekt bestimmt zu können. Die Störgrößen sind somit integraler Bestandteil eines Verfahren, das die Bestimmung der Prozessgröße zum Ziel hat und liegen damit bereits im ersten Feldgerät vor. Gleichzeitig ist die Störgröße auch für das zweite Feldgerät und/oder dem Behältnis eine kritische Größe, welche das zweite Feldgerät und/oder das Behältnis beeinträchtigen kann. Die Beeinträchtigung hängt dabei u.a. von der Dauer der Belastung mit der Störgröße und von der Größe der Störgröße ab. Das zweite Feldgerät und/oder das Behältnis umfassen dabei keinen Sensor, der die mindestens eine Störgröße ermitteln könnte.
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Es versteht sich von selbst, dass die mindestens eine Störgröße des ersten Feldgeräts nur dann sinnvoll für eine Wartungsinformation und/oder Diagnoseinformation des zweiten Feldgeräts und/oder des Behältnisses bereitgestellt werden kann, wenn das erste Feldgerät und das zweite Feldgerät und/oder das Behältnis denselben Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Ist die Störgröße beispielsweise eine Temperatur, so sollte die Temperatur am Ort des ersten Feldgeräts und am Ort des zweiten Feldgeräts und/oder des Behältnisses im Wesentlich gleich sein. Dies gilt entsprechend für alle anderen Störgrößen.
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Durch das Bereitstellen bereits vorhandener Störgrößen aus dem ersten Feldgerät entfallen zusätzliche Sensoren oder Feldgeräte, welche sonst zur Ermittlung der Störgröße eingesetzt werden müssten. Da das zweite Feldgerät oder der Behältnis in der Regel keine direkte Kommunikationsverbindung mit dem ersten Feldgerät hat, wird die mindestens eine Störgröße in einer übergeordneten Einheit und/oder einer Bedieneinheit zur Verfügung gestellt. Die Übermittlung der mindestens einen Störgröße kann kabelgebunden oder kabellos erfolgen. Anschließend kann, beispielsweise mittels eines Vergleichs mit bereits bekannten Tabellen oder Kurven, aus der Störgröße des ersten Feldgeräts eine Wartungsinformation und/oder eine Diagnoseinformation für das zweite Feldgerät und/oder dem Behältnis abgeleitet werden und einem Kunden bereitgestellt werden. Mögliche Wartungs- und/oder Diagnoseinformation betreffen unter anderem Alterung, Reparaturen, Austausch und/oder Ersatz des zweiten Feldgeräts und/oder des Behältnisses oder von Teilen des zweiten Feldgeräts. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann im Rahmen des sogenannten „predictive maintenance“ frühzeitig beobachtet werden, ob das zweite Feldgerät und/oder das Behältnis einen Schaden erlitten hat, einem Verschleiß unterliegt und daher womöglich bald einen Defekt aufweisen wird. Eine Diagnoseinformation kann beispielsweise eine Auskunft über eine Funktion des zweiten Feldgeräts geben, z.B. ob das zweite Feldgerät angeschaltet ist oder nicht, und so eine Funktionsüberwachung des zweiten Feldgeräts bereitstellen.
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In einer Ausgestaltung wird als übergeordnete Einheit eine Steuereinheit und/oder eine Cloud eingesetzt.
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Vorteilhafterweise wird die mindestens eine Störgröße von der mindestens einen Prozessgröße im ersten Feldgerät getrennt, wobei die mindestens eine Störgröße separat an die übergeordnete Einheit und/oder die Bedieneinheit übermittelt wird. Dank der separaten Übermittelung der Störgröße kann eine Überlastung des Kommunikationskanals des ersten Feldgeräts vermieden werden. Insbesondere wenn die Störgröße die Prozessgröße, beispielsweise spektral, überlagert, kann die Trennung der Störgröße von der Prozessgröße, mithilfe von Filtern o.ä., bereits im ersten Feldgerät erfolgen. Teilweise liegt die Störgröße bereits getrennt von der Prozessgröße im ersten Feldgerät vor, wenn Störgröße und Prozessgröße separat mittels zweier Sensoren bestimmt wurden.
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Alternativ wird die mindestens eine Prozessgröße mit der mindestens einen Störgröße überlagert, wobei die Trennung der mindestens einen Prozessgröße von der mindestens einen Störgröße in der übergeordneten Einheit und/oder der Bedieneinheit erfolgt. Sofern ein Kommunikationskanal mit ausreichend Bandbreite o.ä. zur Verfügung steht, können zunächst Störgröße und Prozessgröße zusammen, beispielsweise in einem gemeinsamen Spektrum, übermittelt werden, um anschließend die Störgröße von der Prozessgröße zu trennen. Bei der digitalen Signalübertragung können die Prozessgröße und die Störgröße gemeinsam oder getrennt im zeitlichen Multiplexverfahren übertragen werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein System zum Bereitstellen mindestens einer Störgröße eines ersten Feldgeräts für die Wartung und/oder Diagnose eines zweiten Feldgeräts und/oder eines Behältnisses, wobei das System das erste Feldgerät und das zweite Feldgerät und/oder das Behältnis umfasst, wobei das erste Feldgerät mindestens eine chemische und/oder physikalische Prozessgröße eines Mediums bestimmt und/oder überwacht, wobei das erste Feldgerät mindestens eine Störgröße zur Korrektur der mindestens einen Prozessgröße ermittelt, wobei das erste Feldgerät und das zweite Feldgerät und/oder das Behältnis innerhalb eines Bereichs einer Prozessanlage vorgesehen sind, in dem im Wesentlichen dieselben Umgebungsbedingungen herrscht, wobei das System eine übergeordnete Einheit und/oder eine Bedieneinheit umfasst, wobei das System dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach zumindest einer der vorangegangen Ausgestaltungen auszuführen.
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Das erfindungsgemäße System ermöglicht das Bereitstellen einer Wartungsinformation und/oder eine Diagnoseinformation für das zweite Feldgerät anhand mindestens einer Störgröße des ersten Feldgeräts. Damit werden bereits ohnehin in der Prozessanalage vorhandene Störgröße vorteilhaft eingesetzt, um die Wartung und/oder Diagnose eines zweiten Feldgerätes zu verbessern. Der Einsatz zusätzlicher Sensoren oder Feldgeräte, die explizit die Störgröße bestimmen, entfällt.
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In einer Ausgestaltung ist das erste Feldgerät ein Druckmessgerät, wobei die mindestens eine Prozessgröße ein Absolutdruck, ein Relativdruck oder ein Differenzdruck ist. In Druckmessgeräten wird der ermittelte Druck typischerweise hinsichtlich der Temperatur und der Vibration als zwei Beispiele für Störgrößen korrigiert. So wird die Temperatur über einen in den Druckmessgerät eingebrachten Temperatursensor bestimmt. Die Vibration ist bereits in dem mittels eines Drucksensors bestimmten Druckes enthalten und wird in der Regel gefiltert, um den Druck zu bestimmen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die mindestens eine Störgröße eine Temperatur, eine Vibration, ein Massedurchfluss und/oder ein Volumendurchfluss.
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Bevorzugterweise weist das zweite Feldgerät ein rotierendes Element und/oder ein Lager auf. Rotierende Elemente und/oder Lager sind in der Regel einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt. Eine Ermittlung einer Diagnose und/oder Wartungsinformation ist für solche Feldgeräte besonders vorteilhaft.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist das zweite Feldgerät eine Pumpe und/oder ein Rührwerk. Pumpen und/oder Rührwerke weisen in der Regel keine integrierten Sensoren auf, welche eine für die Pumpe und/oder das Rührwerk relevante Störgröße bestimmt.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Behältnis ein Behälter oder ein Rohr ist. Insbesondere Schweißungen an Behältern oder Rohren sind anfällig für Bruch oder Verbiegung aufgrund von Vibrationen und Temperatur.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren 1-3 näher erläutert werden. Sie zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems.
- 2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3: einen beispielhaften Graph, der die Druckmessung eines Druckmessgeräts über die Zeit und unter dem Einfluss einer Pumpe zeigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße System ist für alle Arten von ersten Feldgeräten einsetzbar, welche mindestens eine chemische und/oder physikalische Prozessgröße eines Mediums bestimmen und/oder überwachen, und mindestens eine Störgröße zur Korrektur der mindestens einen Prozessgröße ermitteln. Als erstes Feldgerät und/oder als zweites Feldgerät kann eines der eingangs genannten Feldgeräte verwendet wird, sowie alle weiteren Typen von Feldgeräten.
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Das erfindungsgemäße System S ist in 1 schematisch als Teil einer Prozessanlage P dargestellt, die hier beispielhaft aus mehreren Rohren R sowie dem daran befestigten ersten Feldgerät FG1 und dem zweiten Feldgerät FG2 besteht. Anstelle oder zusätzlich zum zweiten Feldgerät FG2 kann ein Behältnis, wie ein Behälter oder ein Rohr, Teil des System S sein. In 1 ist als Beispiel für das Behältnis das Rohr R gezeigt, welches zusätzlich mit einer Schweißnaht versehen ist. Das Rohr R ist von einem Medium M durchströmt. Die beiden Feldgeräte FG1, FG2 befinden sich in 1 in einer geringen räumlichen Distanz zueinander. Das erste Feldgerät FG1 und das zweite Feldgerät FG2 könnten alternativ beispielsweise benachbart oder räumlich entfernt angeordnet sein, solange das erste Feldgerät FG1 und das zweite Feldgerät FG2 und/oder das Behältnis im Wesentlichen denselben Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Zumindest das erste Feldgerät FG1 steht, kabellos oder kabelgebunden, mit einer übergeordneten Einheit E und/oder einer Bedieneinheit B in Kontakt.
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Als erstes Feldgerät FG1 kann optional ein Druckmessgerät eingesetzt werden, welches als Prozessgröße einen Absolutdruck, einen Relativdruck oder einen Differenzdruck bestimmt. Typische Störgrößen wären in dem Fall des Druckmessgeräts die Temperatur und die Vibration. Andere mögliche Störgrößen sind der Massedurchfluss und/oder der Volumendurchfluss des Mediums. Auch weitere Störgrößen sind im Rahmen der Erfindung vorgesehen.
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In Druckmessgeräten ist häufig zusätzlich ein Temperatursensor eingebracht, um die Temperatur zu bestimmen und mittels der bestimmten Temperatur den Druck zu korrigieren. In Prozessanlagen P finden sich zudem häufig Vibrationen, die beispielsweise von Aktoren in den Prozessanlage P oder vom Medium M ausgehen und/oder vom Medium M übertragen werden, und welche das Drucksignal im Drucksensor des Druckmessgeräts überlagern. Die Vibration wird daher entweder gefiltert oder auf andere Weise kompensiert, um das vibrationsfreie Drucksignal zu erhalten.
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Das zweite Feldgerät FG2 enthält beispielsweise ein rotierendes Element und/oder ein Lager, oder ist eine Pumpe und/oder ein Rührwerk. Derartige zweite Feldgeräte FG2 sind hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die allmählich zu einem Verschleiß des zweiten Feldgeräts FG2 oder eines Elements des zweiten Feldgeräts FG2 führen. Behältnisse weisen häufig Bereiche auf, wie beispielsweise Schweißnähte, die unter dem Einfluss von Temperatur und/oder Vibration mit der Zeit verschleißen.
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In 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren schematisch dargestellt, welches mittels eines in 1 dargestellten Systems durchführbar ist. Im ersten Schritt 1 des Verfahrens wird die mindestens eine Prozessgröße, beispielsweise der Druck, und die mindestens eine Störgröße, wie beispielsweise die Vibration, mittels des ersten Feldgeräts FG1 ermittelt. Anschließend wird die mindestens eine Störgröße im zweiten Schritt 2 an eine übergeordnete Einheit E und/oder eine Bedieneinheit B übermittelt. Als übergeordnete Einheit E kann unter anderem eine Steuereinheit und/oder eine Cloud verwendet werden.
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Die Störgröße kann prinzipiell auf verschieden Weisen übermittelt werden. Eine Variante sieht vor, dass die mindestens eine Störgröße von der mindestens einen Prozessgröße getrennt wird und die Störgröße somit separat von der Prozessgröße übermittelt wird. Beispielsweise kann aus einem Schwingungsspektrum, welches den Druck und die Vibration enthält, die Vibration gefiltert und dann einzeln übermittelt werden. Alternativ kann das Schwingungsspektrum zunächst komplett an die übergeordnete Einheit E und/oder die Bedieneinheit B übermittelt werden und die Vibration anschließend von dem Druck abgetrennt werden. Auch andere Störgrößen können zunächst mit der Prozessgröße überlagert übermittelt werden, bevor eine Trennung der beiden Größen erfolgt.
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Im dritten Schritt 3 des Verfahrens wird schließlich eine Wartungsinformation und/oder Diagnoseinformation des zweiten Feldgeräts FG2 und/oder des Behältnisses anhand der übermittelten mindestens einen Störgröße bereitgestellt. So kann beispielsweise eine Spektralanalyse anhand des Spektrums der Vibration durchgeführt werden, um charakteristische Frequenzen zu ermitteln, welche einen Schaden am zweiten Feldgerät FG2 anzeigen. So ist beispielsweise ein Lagerschaden einer Pumpe anhand eines charakteristischen Schwingungsspektrums erkennbar.
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3 zeigt ein Beispiel einer Druckmessung eines Druckmessgeräts. In dem Graph aus 3 sind das aus dem Drucksensor erhaltene Stromsignal sowie der daraus abgeleitete Druck über die Zeit dargestellt. Innerhalb definierter Zeitspannen wird eine Pumpe angestellt, die einen Behälter, an dem das Druckmessgerät angebracht ist, mit einem Medium bei einem konstanten Volumenstrom befüllt. Der Volumenstrom der Pumpe wird bei jedem Einschalten der Pumpe erhöht, von zunächst 50 m3/h auf schließlich 200 m3/h. Sowohl das Stromsignal als auch das Drucksignal zeigen ein größeres Rauschen während der Zeitspannen, in denen die Pumpe läuft, als während der Zeitspannen, in denen die Pumpe ausgestellt ist. Das Rauschen ist auf die durch die Pumpe verursache Vibration zurückzuführen. Zudem ist das Rauschen bei einem kleineren Volumenstrom der Pumpe, und damit einer kleineren Drehzahl der Pumpe, tendenziell kleiner als bei höheren Volumenströmen. Neben der Analyse von charakteristischen Frequenzen der Vibration kann auch die Amplitude des Rauschens analysiert werden, um eine Wartungsinformation und/oder Diagnoseinformation des zweiten Feldgeräts FG2 und/oder des Behältnisses zu ermitteln. Anhand des durch die Pumpe verursachten Rauschens lässt sich beispielsweise auch eine Diagnose über die Funktion der Pumpe aufstellen, also dass die Pumpe angeschaltet und aktiv ist. Läuft die Pumpe nicht, ist das Rauschen kaum sichtbar. Auf diese Weise kann eine Funktionsüberwachung der Pumpe erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- FG1
- erstes Feldgerät
- FG2
- zweites Feldgerät
- R
- Rohr mit Schweißnaht
- E
- übergeordnete Einheit
- B
- Bedieneinheit
- S
- System
- M
- Medium
- P
- Prozessanlage
