DE10204705A1

DE10204705A1 - Device and method for the simultaneous recording of several time series and for diagnosis and prognosis as well as regulation and control of dynamic processes

Info

Publication number: DE10204705A1
Application number: DE2002104705
Authority: DE
Inventors: Peter Plath; Ernst-Christoph Hass; Uwe Sydow; Magnus Buhlert
Original assignee: MIR CHEM GmbH
Current assignee: MIR CHEM GmbH
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2003-08-14
Also published as: DE10390401D2; WO2003067343A1; AU2003206657A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum simultanen Aufnehmen von mehreren Zeitreihen für Meßwerte sowie zur Diagnose und Prognose von dynamischen Prozessen in elektro-chemischen Systemen. Bei dem Verfahren werden mehrere Meßgrößen fortlaufend diskret erfaßt und mit Hilfe eines Auswerteverfahrens in einem n-dimensionalen Funktionsraum dargestellt. Zum Messen einzelner Meßwerte können verschiedene Meßwerterfassungssysteme genutzt werden, beispielsweise Sensoren oder Meßsonden. Das Verfahren kann vorteilhaft bei gekoppelten stromerzeugenden oder stromspeichernden elektrochemischen Systemen verwendet werden.The invention relates to a device and a method for the simultaneous recording of several time series for measured values and for the diagnosis and prognosis of dynamic processes in electro-chemical systems. In the method, several measured variables are continuously recorded discretely and displayed in an n-dimensional functional space with the aid of an evaluation method. Various measured value acquisition systems can be used to measure individual measured values, for example sensors or measuring probes. The method can advantageously be used in coupled current-generating or current-storing electrochemical systems.

Description

Die Vorrichtung und das Verfahren zur simultanen Aufnahme von mehreren Zeitreihen und zur Diagnose und Prognose sowie Regelung und Steuerung von dynamischen Prozessen dienen zur Regelung und Steuerung entsprechender Prozesse, wie sie beispielhaft in den Patentanmeldungen "Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung kristalliner Schäume/Emulsionen" (DE 102 00 148.0); "Verfahren zur permanenten raumaufgelösten Messung von Zuständen gekoppelter stromerzeugender elektrochemischer Systeme" (DE 101 53 395.0); "Oszillierende Extraktion" (DE 101 18 616.9); "Elektrochemisch oszillierende Extraktion" (DE 101 52 387.4); "Vorrichtung zum Ausführen einer katalytischen Rohrreaktion" (DE 100 32 059.7); "Katalytische Reinigung eines Wasserstoffstromes von Kohlenmonoxid in einer Mini-Reaktor-Anlage mit Vorvermischung" (DE 101 18 618.5) und "Katalytische Reformierung von Kohlenwasserstoffen und Alkoholen" (DE 101 37 188.8) dargestellt sind. The device and the method for the simultaneous recording of several time series and for diagnosis and prognosis as well as regulation and control of dynamic processes are used to regulate and control corresponding processes, as exemplified in the Patent applications "Device and method for producing crystalline Foams / Emulsions "(DE 102 00 148.0);" Process for permanent, spatially resolved measurement of states of coupled current-generating electrochemical systems "(DE 101 53 395.0); "Oscillating extraction" (DE 101 18 616.9); "Electrochemically Oscillating Extraction "(DE 101 52 387.4);" Device for carrying out a catalytic tube reaction " (DE 100 32 059.7); "Catalytic purification of a hydrogen stream from carbon monoxide in a mini-reactor plant with premixing "(DE 101 18 618.5) and" Catalytic Reforming of hydrocarbons and alcohols "(DE 101 37 188.8) are shown.

Bei dem Verfahren werden mehrere Messgrößen (beispielsweise Spannungen, Ströme, Temperatur, Stoffkonzentrationen etc.) fortlaufend diskret erfasst - ggf. Zeitreihen gebildet - und mit Hilfe einer mathematischen Formulierung als Vektor in einem n-dimensionalen Vektorraum (n ≥ 1) beziehungsweise Funktion in einem n-dimensionalen Funktionsraum (n ≥ 1) dargestellt. Hierbei wird die mathematische Formulierung an die jeweilige Meß- und Regelaufgabe angepasst. Es kann sich im einfachsten Fall beispielsweise um eine Linearkombination der Messwerte oder eine beliebige - auch nicht-lineare - gegebenenfalls sogar nicht stetige und/oder nicht differenzierbare Funktion der Messwerte handeln (diskrete Funktionen der Messwerte sind nirgends stetig und nirgends differenzierbar). In the process, several measured variables (e.g. voltages, currents, Temperature, substance concentrations etc.) continuously recorded discretely - if necessary, time series are formed - and using a mathematical formulation as a vector in an n-dimensional Vector space (n ≥ 1) or function in an n-dimensional functional space (n ≥ 1) shown. Here, the mathematical formulation to the respective measurement and Rule task adjusted. In the simplest case, it can be, for example Linear combination of the measured values or any - even non-linear - possibly not act and / or non-differentiable function of the measured values (discrete functions of the Measured values are nowhere constant and cannot be differentiated anywhere).

Der resultierende n-dimensionale Raum wird durch mehrere, beliebige ggf. gekrümmte und/oder berandete (n - 1)-dimensionale Unterräume in Bereiche unterteilt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die Unterräume so gewählt, dass die resultierenden Bereiche für den Gesamtsystemzustand relevante Eigenschaften beschreiben. Der aus der Messung durch mathematische Formulierung hergeleitete Vektor oder Funktionswert wird einem dieser Bereiche zugeordnet. Entsprechend der Zuordnung können daraus mit Hilfe eines, beispielsweise in Speichersystemen, hinterlegten Aktionsvorgabesystems (z. B. Aktionstabelle, Aktionsmodell, Wenn-Dann-Vorschriften, neuronales Netz, Mustererkennung durch "synergetischen Computer" (H. Haken)) Aktionen abgeleitet werden, so dass ein Regelkreis entsteht. The resulting n-dimensional space is made up of several, optionally curved ones and / or bordered (n-1) -dimensional subspaces divided into areas. In one particularly advantageous embodiment, the subspaces are chosen so that the resulting Describe areas relevant to the overall system status. The one from the Measurement derived from mathematical formulation vector or function value assigned to one of these areas. According to the assignment you can use this an action specification system stored in, for example, storage systems (e.g. Action table, action model, if-then rules, neural network, pattern recognition by "synergetic computer" (H. Haken)) actions are derived, so that a Control loop arises.

Zur Messung der einzelnen Messwerte kommen verschiedene Messwerterfassungsysteme, beispielsweise Sensoren oder Messsonden zum Einsatz. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform zur raumzeitlichen Erfassung von Spannungen in elektrochemischen Systemen kommen insbesondere Messsonden zum Einsatz, wie sie in der Patentanmeldung "Ausführungsformen für Messsonden zur permanenten raumaufgelösten Messung von Zuständen gekoppelter stromerzeugender und -speichernder elektrochemischer Systeme" (DE 101 54 204.6) dargelegt sind. Various measurement systems are used to measure the individual measured values, for example sensors or measuring probes. In a particularly advantageous Embodiment for the spatiotemporal detection of voltages in electrochemical systems In particular, measuring probes such as those used in the patent application are used "Embodiments for measuring probes for permanent, spatially resolved measurement of states coupled electrochemical systems generating and storing electricity "(DE 101 54 204.6) are set out.

Description of individual embodiments

Fig. 1 zeigt eine mögliche Vorgehensweise, die bei der Anwendung von Vorrichtungen und Verfahren zur simultanen Aufnahme von mehreren Zeit-diskreten Zeitreihen und zur Diagnose und Prognose sowie zur Regelung und Steuerung von dynamischen Prozessen genutzt werden kann. Fig. 1 shows a possible procedure that can be used in the application of apparatus and methods for simultaneously receiving a plurality of time-discrete time series and for the diagnosis and prognosis as well as for regulation and control of dynamic processes.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf in einem 2-dimensonalen Diagramm mehrerer aufgezeichneter Messwerte (M_i) (beispielsweise M₁ und M₂). Die gestrichelten Linien 1-6 zeigen beispielhaft für die ersten 6 Zeitpunkte der Zeitreihe die jeweils zugeordneten Messwerte M₁ und M₂. Bei den Messwerten kann es sich zum Beispiel um Spannungen, Temperaturen und Stoffkonzentrationen handeln, die über der Zeit (t) aufgetragen werden. Fig. 2 shows the time course in a 2 dimensonalen diagram of several recorded measured values (M _i) (for example, M ₁ and M _2). The dashed lines 1-6 show, by way of example, the respectively assigned measured values M ₁ and M ₂ for the first 6 times in the time series. The measured values can be, for example, tensions, temperatures and substance concentrations that are plotted over time (t).

In Fig. 3 ist beispielhaft dargestellt, wie aus den einzelnen Zeitverläufen der Messwerte M₁ und M₂ von Fig. 2 der Zeitverlauf der Gesamtmessgröße M abgeleitet werden kann. Als mathematische Vorschrift wird in diesem Beispiel die Vektoraddition der Messwerte M₁ und M₂ verwendet, wobei M₁ und M₂ ein 2-dimensionales, orthogonales Koordinatensystem aufspannen. Im Falle der Zeitpunkte 1-6 von Fig. 2 ergeben sich aus den jeweiligen Messwerten M₁ und M₂ in Fig. 3 die Werte 7-12 der Gesamtmessgröße M, aus denen durch Interpolation die Kurve 13 für die zeitliche Entwicklung der Gesamtmessgröße M resultiert. FIG. 3 shows an example of how the time profile of the total measurement variable M can be derived from the individual time profiles of the measured values M ₁ and M ₂ from FIG. 2. In this example, the vector addition of the measured values M ₁ and M _{2 is} used as a mathematical rule, with M ₁ and M ₂ spanning a 2-dimensional, orthogonal coordinate system. In the case of points in time 1-6 of FIG. 2, the respective measured values M ₁ and M ₂ in FIG. 3 result in the values 7-12 of the overall measurement variable M, from which the curve 13 for the temporal development of the overall measurement variable M results from interpolation ,

Fig. 4 zeigt beispielhaft die Unterteilung eines durch die Messwerte M₁ und M₂ aufgespannten 2-dimensionalen Raumes 14 (Ebene) in die Bereiche 15-17 (Flächen) durch die 1- dimensionalen Unterräume 18 und 19 (Trennlinien) sowie die interpolierte Kurve 20 für die zeitliche Entwicklung einer Gesamtmessgröße M. Dabei umfasst der gesamte 2-dimensionale Raum 14 alle möglichen Werte der Gesamtmessgröße M. Es wird nun beispielhaft angenommen, dass die Gesamtmessgröße M drei verschiedene, wesentliche Systemeigenschaften repräsentieren kann: z. B. "ok", "kritisch" und "gefährlich", die in Fig. 4 den Bereichen 15, 16 und 17 entsprechen. Fällt der Wert der Gesamtmessgröße M in den Bereich 15, so wird das System als in Ordnung betrachtet, liegt er im Bereich 16, so wird der Systemzustand als kritisch bzw. das System als eingeschränkt funktionsfähig angenommen (ggf. Warnmeldung erforderlich), befindet er sich im Bereich 17, so wird der Systemzustand als gefährlich bzw. das System als nicht mehr funktionsfähig angesehen (ggf. Fehleralarm erforderlich). Die Trennlinien zwischen den Bereichen sind in diesem Beispiel die Warngrenze 18 und die Fehlergrenze 19. Fig. 4 shows the subdivision of a plane defined by the measured values M ₁ and M ₂ 2-dimensional space shows an example of 14 (level) in the regions 15-17 (areas) by the 1-dimensional sub-spaces 18 and 19 (parting lines) and the interpolated curve, 20 for the temporal development of an overall measurement variable M. The entire 2-dimensional space 14 comprises all possible values of the overall measurement variable M. It is now assumed as an example that the overall measurement variable M can represent three different, essential system properties: z. B. "ok", "critical" and "dangerous", which correspond to areas 15 , 16 and 17 in FIG . If the value of the total measurement quantity M falls within the range 15 , the system is considered to be OK; if it lies within the range 16 , the system status is assumed to be critical or the system is assumed to be of limited functionality (warning message may be required) in area 17 , the system status is regarded as dangerous or the system is no longer functional (error alarm may be required). In this example, the dividing lines between the areas are the warning limit 18 and the error limit 19 .

Der Kurve 20 für den zeitlichen Verlauf der Gesamtmessgröße M ist in Fig. 4 beispielhaft so gezeichnet, dass jeder der Bereich 15-17 durchlaufen wird. The curve 20 for the time profile of the total measured variable M is drawn in FIG. 4 by way of example so that each of the areas 15-17 is traversed.

Fig. 5 ergänzt beispielhaft das in Fig. 4 dargestellte Diagramm um den Aspekt der Prognosefähigkeit. In diesem Beispiel wird der 2-dimensionale Raum durch eine weitere Trennlinie 21 (gestrichelt eingezeichnet) in einen zusätzlichen Bereich 22, den Diagnosebereich, unterteilt. Verbleibt das System für eine Reihe von Messpunkten der Gesamtmessgröße M im Prognosebereich 22, so lässt sich beispielsweise prognostizieren, dass es demnächst bzw. schon sehr bald in den "gefährlichen" Bereich 17 gelangt, obwohl es sich selbst noch im "ok"- Bereich 15 befindet. FIG. 5 supplements the diagram shown in FIG. 4 by way of example with the aspect of forecasting ability. In this example, the 2-dimensional space is subdivided into an additional area 22 , the diagnostic area, by a further dividing line 21 (shown in broken lines). If the system remains in the forecast area 22 for a number of measuring points of the total measurement quantity M, it can be predicted, for example, that it will soon or very soon reach the "dangerous" area 17 even though it is still in the "ok" area 15 located.

Gemäß Fig. 6 umfasst eine beispielhafte Vorrichtung zum elektrochemischen Bearbeiten von Werkstücken 23 ein Elektrolytgefäß 24, welches mit Elektrolyt 25 gefüllt ist. Dabei taucht das zu bearbeitende Werkstück 26 zumindest teilweise in den Elektrolyten 25 ein. Mit Hilfe einer Bearbeitungselektrode 27, wird in der elektrolytischen Flüssigkeit ein Stromfeld erzeugt. Zum Zwecke der Bearbeitung ist dabei das Werkstück leitend mit einer Stromquelle 28 über Anschluss 29 verbunden, und die Bearbeitungselektrode 27 ist leitend mit der Stromquelle 28 über Anschluss 30 verbunden. Mit Hilfe von Messsonden 31-34 werden Messdaten erfasst, die gemäß dem oben beschriebenen Verfahren verarbeitet werden. Mit Hilfe der verarbeiteten Messdaten wird das elektrochemische Bearbeiten dann gesteuert, beispielsweise wird die Stromquelle 28 nachgeregelt. Referring to FIG. 6 illustrates an exemplary apparatus for electrochemical machining of workpieces 23 includes an electrolyte container 24, which is filled with electrolyte 25th The workpiece 26 to be machined is at least partially immersed in the electrolyte 25 . With the help of a processing electrode 27 , a current field is generated in the electrolytic liquid. For the purpose of machining, the workpiece is conductively connected to a current source 28 via connection 29 , and the machining electrode 27 is conductively connected to the current source 28 via connection 30 . With the help of measuring probes 31-34 , measuring data are recorded which are processed according to the method described above. The electrochemical processing is then controlled with the aid of the processed measurement data, for example the current source 28 is readjusted.

In Fig. 7 ist beispielhaft die elektrochemische Zelle 36 in einem "Stack" (Zellenstapel) eines gekoppelten, stromerzeugenden elektrochemischen Systems (z. B. Bleiakkumulator, Brennstoffzelle) dargestellt. Dabei tauchen zwei unterschiedlich geladene Plattenelektroden 37 und 38 (im Beispiel des Bleiakkumulators Pb und PbO₂) in einen Elektrolyten 39 (im Beispiel des Bleiakkumulators Schwefelsäure) ein, die durch einen Separator 40 getrennt sind. Mit Hilfe von Messsonden in 41-43 in verschiedenen räumlichen Positionen zwischen den beiden Platten 37 und 38 werden Messdaten erfasst, die beispielsweise mit dem oben beschriebenen Algorithmus verarbeitet werden (z. B. Prognosen über die Lebensdauer der Batterie oder der Brennstoffzelle). In Fig. 7, the electrochemical cell is by way of example 36 in a "stack" (cell stack) of a coupled, power generating electrochemical system (z. B. lead-acid battery, fuel cell) is shown. Two differently charged plate electrodes 37 and 38 (in the example of the lead accumulator Pb and PbO ₂ ) are immersed in an electrolyte 39 (in the example of the lead accumulator sulfuric acid), which are separated by a separator 40 . With the help of measuring probes in 41-43 in different spatial positions between the two plates 37 and 38 , measurement data are recorded, which are processed, for example, with the algorithm described above (e.g. forecasts of the life of the battery or the fuel cell).

Claims

1. Use of devices and methods according to the general description of Embodiments for diagnosis and prognosis as well as for regulating and controlling Processes that can be linear and non-linear or chaotic.

2. Use of devices and methods according to the description of individual Embodiments for diagnosis and prognosis as well as for regulating and controlling Processes in particular of devices and methods for electrochemical processing of workpieces.

3. Use of devices and methods according to the description of individual Embodiments for diagnosis and prognosis as well as for regulating and controlling Processes in particular of devices and methods for producing crystalline Foams / emulsions.

4. Use of devices and methods according to the description of individual Embodiments for diagnosis and prognosis as well as for regulating and controlling Processes in particular of devices and methods for permanent spatial resolution Measurement of states of coupled current-generating electrochemical systems.

5. Use of devices and methods according to the description of individual Embodiments for diagnosis and prognosis as well as for regulating and controlling Processes in particular of devices and methods for oscillating extraction.

6. Use of devices and methods according to the description of individual Embodiments for diagnosis and prognosis as well as for regulating and controlling Processes in particular of devices and methods for electrochemically oscillating Extraction.

7. Use of devices and methods according to the description of individual Embodiments for diagnosis and prognosis as well as for regulating and controlling Processes in particular of devices and methods for carrying out a catalytic Tube reaction.

8. Use of devices and methods according to the description of individual Embodiments for diagnosis and prognosis as well as for regulating and controlling Processes in particular of devices and methods for the catalytic cleaning of a Hydrogen flow of carbon monoxide in a mini-reactor plant Premixed.

9. Use of devices and methods according to the description of individual Embodiments for diagnosis and prognosis as well as for regulating and controlling Processes in particular of devices and methods for catalytic reforming of hydrocarbons and alcohols.