DE10209328A1

DE10209328A1 - System zur Überwachung oder/und Optimierung der Funktion technischer Anlagen

Info

Publication number: DE10209328A1
Application number: DE2002109328
Authority: DE
Inventors: Henning Fuhrmann
Original assignee: T O P & Co KG GmbH
Current assignee: T O P & Co KG GmbH
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung oder/und Optimierung der Funktion technischer Anlagen, insbesondere produktionstechnischer Anlagen (1), mit wenigstens einem Sensor (7) zur Erfassung den Zustand der Anlage (1) charakterisierender Messdaten und mit einer dem Sensor nachgeordneten Einrichtung (9, 9', 10) zur Datenübertragung an eine Überwachungszentrale (2). Erfindungsgemäß ist der Übertragungseinrichtung (9, 9', 10) eine die Sensormessdaten unter Datenmengenreduktion vorverarbeitende Einrichtung (8) vorgeschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung oder/und Optimierung der Funktion technischer Anlagen, insbesondere produktionstechnischer Anlagen, mit wenigstens einem Sensor für die Erfassung, den Zustand der Anlage charakterisierender Messdaten und mit einer dem Sensor nachgeordneten Einrichtung zur Datenübertragung an eine Überwachungszentrale.
Für den Einsatz eines solchen Überwachungssystems kommen vor allem auf einem großen Areal errichtete Anlagen, wie z. B. Produktionsanlagen der chemischen Industrie, aber auch große Schiffe, die Ausrüstungen von Gebäuden oder verkehrstechnische Einrichtungen, wie Tunnel oder Schleusen, in Betracht.
Es ist seit langem bekannt, neben prozesstechnischen Daten auch für die ordnungsgemäße Anlagenfunktion maßgebende Daten durch Sensoren zu erfassen und zu einem Prozessleitstand zu übertragen. Zur Überwachung bedarf es der ständigen Beobachtung der angezeigten Datenwerte durch das Leitstandspersonal.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues System der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das sich mit geringerem, personellem Aufwand als dieses bekannte System betreiben lässt.

Das diese Aufgabe lösende Überwachungssystem nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungseinrichtung eine die Sensormessdaten unter Datenmengenreduktion vorverarbeitende Einrichtung vorgeschaltet ist.

Durch die Vorverarbeitung gemäß der Erfindung lassen sich die an der Überwachungszentrale anfallenden Datenmengen und damit der Überwachungsaufwand verringern.

Vorzugsweise sendet die Vorverarbeitungseinrichtung automatisch nur dann Daten an die Überwachungszentrale, wenn kritische Werte überschritten werden, z. B. sich ein durch die Vorverarbeitungseinrichtung aus Sensormessdaten ermittelter Temperaturanstieg beim Vergleich mit vorgespeicherten Anstiegswerten als anormal erweist. So wird der Datenmengenanfall in der Überwachungszentrale äußerst gering gehalten.

Ein Überwachungsingenieur kann anhand der vorverarbeiteten Messdaten entscheiden, ob vorbeugend eine Reparatur durchgeführt wird, bevor es durch Ausfall von Komponenten zu weiterreichenden Schädigungen der Anlage kommt. Hierbei kann er sich auf ein ggf. in der Überwachungszentrale gespeichertes, ständig aktualisierbares Bibliotheksprogramm stützen, welches aus Vergangenheitswerten gebildete Muster enthält, denen Gut-/Schlechtbeurteilungen zugewiesen sind.

Zweckmäßig weist die Vorverarbeitungseinrichtung einen Pufferspeicher zur vorübergehenden Speicherung laufend anfallender Sensormess- oder Verarbeitungswerte, z. B. die Dauer von acht Stunden oder eines Tages, auf, und die im Pufferspeicher enthaltenen Daten sind auf Abruf zur Überwachungszentrale übertragbar. Vorteilhaft können diese Daten Aufschluss über die Vorgeschichte geben, wenn anormale Zustände auftreten.

Es versteht sich, dass die Vorverarbeitungseinrichtung Sensormessdaten von einer Vielzahl von Sensoren empfangen kann. Ebenso können in einer zu überwachenden Anlage mehrere Vorverarbeitungs- und Übertragungseinrichtungen installiert sein.

Entsprechend ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Vorverarbeitungseinrichtung und/oder die Überwachungszentrale zur Auswertung der Daten von mehreren Sensoren und zur automatischen Erkennung kritischer Zustände durch Vergleich der Daten mit vorgespeicherten Datenmustern vorgesehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Überwachungszentrale an ein innerbetriebliches oder/und weltweit zugängliches Datennetz angeschlossen, derart, dass an der Überwachungszentrale zugängliche Daten durch Zugangsberechtigte von beliebigen Orten aus abgerufen werden können.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Datenübertragungseinrichtung zum bidirektionalen Datenverkehr ausgebildet, und Art und Umfang der Datenerfassung und Datenvorverarbeitung sind von der Überwachungszentrale aus einstellbar. Eine solche Einstellung kann z. B. durch Übertragung von Programmparametern oder ganzer, in der Vorverarbeitungseinrichtung zu speichernder Verarbeitungsprogramme erfolgen.

In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Übertragungseinrichtung zur Übertragung von Zustandsdaten unter Mitnutzung vorhandener, anderweitig, insbesondere zum Betrieb der Anlage verwendeter, elektrischer Leitungen vorgesehen. Vorhandene Anlagen lassen sich durch ein solches Überwachungssystem mit geringem Aufwand nachrüsten, indem die Verlegung gesonderter Signalleitungen für das Überwachungssystem entfällt.

Bei den elektrischen Leitungen kann es sich z. B. um elektrische Leitungen eines Stromversorgungsnetzes handeln.

Zweckmäßig liegt die Übertragungsfrequenz deutlich unterhalb des Bereichs der Funkfrequenzen, so dass es für den Betrieb eines solchen Überwachungssystems keiner besonderen Genehmigung einer Zulassungsbehörde bedarf.

Zweckmäßig ist die Übertragungseinrichtung mit einer Kontrolleinrichtung zur Erfassung potentieller Störsignale in der elektrischen Leitung versehen, welche die Datenübertragung nur bei störungsfreier Leitung freigibt. Solche Störungen treten z. B. bei Schaltvorgängen im Stromversorgungsnetz auf. Die Datenreduzierung bei der Datenvorverarbeitung trägt der verhältnismäßig geringen Übertragungskapazität einer solchen Übertragungseinrichtung Rechnung, die einerseits durch die auftretenden Störsignale und andererseits durch die verhältnismäßig niedrige Übertragungsfrequenz begrenzt wird.

Mit einem nachrüstbaren System nach der Erfindung lässt sich auch die Leistungsfähigkeit vor allem älterer, verfahrenstechnischer Anlagen verbessern. In einem solchen Optimierungssystem werden durch die Sensoren zusätzlich zu den Prozessparametern, welche das vorhandene Prozessleitsystem der betreffenden Anlage ermittelt, weitere Prozessparameter erfasst. Im Rahmen einer gewünschten Prozessoptimierung erforderliche, dem neusten Stand der Technik entsprechende, feldbusfähige Mess- und Regeleinrichtungen können nachgerüstet werden. Im Rahmen der Vorverarbeitung der Sensorparameter lässt sich eine Schnittstelle zum vorhandenen Prozessleitsystem bilden.

Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf eines dieser Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema eines Überwachungssystems nach der Erfindung und
Fig. 2 ein Detail des Überwachungssystems von Fig. 1.
Eine geschlossene Umgrenzungslinie 1 in Fig. 1 soll auf eine zu überwachende Anlage hindeuten, z. B. eine Produktionsanlage auf dem Gelände eines Chemiebetriebs.
Eine Überwachungszentrale 2, die räumlich einem (nicht gezeigten) Prozessleitstand der Produktionsanlage beigeordnet ist und z. B. einen Personalcomputer enthält, steht in Verbindung mit mehreren dezentralen Messstellen 3 bis 6, welche verschiedenen (nicht gezeigten) Komponenten der Produktionsanlage 1 zugeordnet sind.
Jede der Messstellen weist mehrere Sensoren 7 auf, deren Anzahl von Messstelle zu Messstelle, abhängig vom Überwachungsumfang, unterschiedlich ist. Die Sensoren 7 dienen der Erfassung für die Funktionstüchtigkeit der Produktionsanlage maßgebender Daten. In Betracht kommen hier z. B. die Temperatur von Lagern, Spannungen und Stromstärken in bestimmten Leitungen, Füllstände, Abnutzungsgrade, Verformungen, Lärmpegel, Vibrationen, Drücke, Momente, Anzahl von Ereignissen oder dergleichen. Im Falle von Defekten oder sich anbahnenden Defekten treten im Vergleich zu analysierten und dokumentierten Vergangenheitswerten anormale Sensormesswerte auf.
Die Sensoren 7 stehen jeweils in Verbindung mit einer Einrichtung 8, in welcher die Sensormessdaten vorverarbeitet werden.
Die Vorverarbeitungseinrichtung 8 der Messstellen 3 bis 6 steht jeweils in Verbindung mit einer Baueinheit 9, die Teil einer Datenübertragungseinrichtung ist, welche in der Produktionsanlage vorhandene Stromversorgungsleitungen 10 für die Übertragung von Daten zu der Überwachungszentrale 2 nutzt. Eine der Baueinheit 9 entsprechende Baueinheit 9' ist bei der Überwachungszentrale 2 angeordnet.
Über die durch die Baueinheiten 9, die Stromversorgungsleitungen 10 und die Baueinheit 9' gebildete Übertragungseinrichtung steht die Überwachungszentrale 2 im bidirektionalen Datenverkehr mit den Vorverarbeitungseinrichtungen 8, was in Fig. 2 durch einen Pfeil 11 angedeutet ist.
Der Datenverkehr zwischen der Überwachungszentrale 2 und der Messstelle 3 erfolgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel teilweise drahtlos über eine Funkstrecke mit Kopfstationen 12 und 13.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Messanordnung an einer Messstelle mit einer Vorverarbeitungseinrichtung 8 und einer Baueinheit 9 für die Datenübertragung. In dem betreffenden Beispiel sind drei Sensoren 7' vorgesehen, die ein Analogsignal erzeugen. Bei diesen Sensoren kann es sich z. B. um Geräte mit einem standardisierten Signalausgang handeln, welcher Signalspannungs- oder -stromwerte zwischen 0 und 20 mV bzw. mA liefert. Die Sensoren 7' sind über einen Multiplexer 14 und einen Analogdigitalwandler 15 mit einer Rechnereinheit 16 verbunden, die in üblicher Weise einen Prozessor sowie Speicher- und Ein-/Ausgabebausteine enthält. Ein Sensor 7" liefert ein digitales Signal und ist direkt an einen Eingabebaustein der Rechnereinheit 16 angeschlossen.
Ein weiterer Sensor 7''', der über einen Analogdigitalwandler 17 mit der Rechnereinheit 16 verbunden ist, liefert ein Analogsignal, das sich so schnell ändert, dass es für eine Mitübertragung durch einen Multiplexer ungeeignet wäre.
Bei 18 ist ein der Rechnereinheit 16 zur Verfügung stehender Pufferspeicher angedeutet, welcher von den Sensoren 7' bis 7''' laufend gelieferte Sensormesswerte oder daraus ermittelte Werte über einen bestimmten Zeitraum, z. B. 8 Stunden, speichert.
Die Baueinheit 9 enthält ein der Datenübertragung über die Stromversorgungsleitung 10 dienendes Modem 19. Das Modem erzeugt Signale mit einer Trägerfrequenz, die unterhalb der Funkfrequenzen liegen. Mit dem Modem 19 in Verbindung steht eine Kontroll- und Steuereinrichtung 20, welche an der Stromversorgungsleitung 10 anliegende Störspannungen registriert und die Datenübertragung durch das Modem sperrt, wenn z. B. infolge von Schaltvorgängen im Stromversorgungsnetz Spannungssignale mit Frequenzanteilen vorliegen, die mit der Trägerfrequenz des Modems vergleichbar sind. Die Kontroll- und Steuereinrichtung 20 sorgt dafür, dass Datenübertragungen nur dann erfolgen bzw. für gültig erklärt werden, wenn keine Störsignale auf der Stromversorgungsleitung liegen bzw. gelegen haben.
Das vorangehend beschriebene Überwachungssystem eignet sich insbesondere zur Nachrüstung von Produktionsanlagen. Die Sensoren 7, Vorverarbeitungseinheiten 8 und Baueinheiten 9 können dezentral weitgehend ohne Unterbrechung des Produktionsprozesses installiert werden. Vor allem ist keinerlei Aufwand zur Verlegung von Signalleitungen zwischen den dezentralen Messstellen und der Überwachungszentrale zu betreiben.
Bei Inbetriebnahme der Messstellen 3 bis 6 werden zur Übermittlung von Verarbeitungsinstruktionen von der Überwachungszentrale 2 aus in die Rechnereinheiten 16 der Vorverarbeitungseinrichtungen 8 jeweils Verarbeitungsprogramme überspielt oder dort bereits installierte Programme parametrisiert.
Während des Betriebs der Überwachungsanlage erzeugen die Sensoren 7 Messwerte, welche die Rechnereinheiten 16 je nach von der Überwachungszentrale vorgegebenen und gespeicherten Verarbeitungsinstruktionen auf unterschiedliche Weise vorverarbeiten.
Diese Vorverarbeitung kann z. B. darin bestehen, jeweils aus einer vorbestimmten Anzahl von anfallenden Sensormesswerten den Mittelwert zu bestimmen, Extremwerte auszuwählen, Leistungsmesswerte über vorbestimmte Zeiträume zu integrieren oder nach irgendeiner anderen Vorschrift, insbesondere nach einem Rechenalgorithmus, einen Wert zu bilden. In jedem Fall ist die Verarbeitung mit einer Datenmengenreduktion verbunden, d. h. jeder im Rahmen der Vorverarbeitung ermittelte Wert beruht auf mehreren Sensormesswerten.
Es versteht sich, dass die Messwerte der einzelnen Sensoren durch die programmierte Rechnereinheit 16 zunächst individuell verarbeitet werden, wobei Verknüpfungen zwischen den in den verschiedenen Verarbeitungskanälen bei der Vorverarbeitung gebildeten Werten möglich sind.
Eine weitere Vorverarbeitung unter Datenmengenreduktion kann darin bestehen, dass ein laufend gebildeter oder ausgewählter Wert mit einem vorgegebenen Wert oder Wertebereich verglichen und der jeweils gebildete oder ausgewählte Wert verworfen wird, wenn er größer oder kleiner als der vorgegebene Wert ist bzw. innerhalb oder außerhalb des vorgegebenen Wertebereichs liegt.
Auf diese Weise kann die Vorverarbeitungseinrichtung kritische Werte im Sinne der Abweichung von vorgegebenen Grenzwerten oder einer Trendentwicklung beim Vergleich mit Vergangenheitsmustern erkennen.
Zweckmäßig überträgt die Vorverarbeitungseinrichtung, um den Datenanfall in der Überwachungszentrale gering zu halten, von sich aus nur solche kritischen Werte. Umfang, Bedingungen und Zeitraum der Übertragung von vorverarbeiteten (oder nicht vorverarbeiteten) Daten werden in die Überwachungszentrale eingegeben und an die Rechnereinheiten 16 übertragen, die die für sie jeweils gültigen Vorverarbeitungsinstruktionen speichern.
Empfangene, kritische Werte zeigt die Überwachungszentrale in Zuordnung zu der betreffenden Messstelle bzw. dem betreffenden Sensor an. Gegebenenfalls wird ein Alarmsignal erzeugt, um die Aufmerksamkeit des Leitstandspersonals auf die Überwachungszentrale 2 zu lenken.
Es ist denkbar, im Falle der Erkennung kritischer Werte durch die Vorverarbeitungseinrichtung den Verarbeitungsmodus zu ändern und z. B. das Ausmaß der Datenmengenreduktion zu verringern. Eine solche Änderung könnte automatisch in Reaktion auf die Erkennung kritischer Werte erfolgen oder durch Eingaben an die Überwachungszentrale bewirkt werden.
In dem Pufferspeicher 18 der Rechnereinheiten 16 lassen sich laufend anfallende Sensormesswerte oder durch Verarbeitung gebildete Werte kanalweise jeweils für einen bestimmten Zeitraum, z. B. die folgenden 8 Stunden, speichern. Die über einen entsprechenden Vergangenheitszeitrum gespeicherten Werte können von der Überwachungszentrale aus abgerufen und im Fall der Anzeige kritischer Zustände ergänzend zur Beurteilung der Lage herangezogen werden.
Die Überwachungszentrale 2 enthält ein sich laufend mit aktuellen Werten ergänzendes Bibliotheksprogramm, in dem in früheren, kritischen Situationen ermittelte Daten als Charakterisierungsmuster eines kritischen Anlagenzustands abgespeichert sind. Dieses Bibliotheksprogramm kann dem überwachenden Betriebsingenieur zu einer aktuellen Zustandsanalyse, einer Ausfallprognose und damit zu einer Entscheidung über Zeitpunkt und Umfang einer ggf. vorzunehmenden Reparatur verhelfen.
Durch die Einbindung der Überwachungszentrale in ein Datennetz lassen sich Diagnosen von beliebigen Orten aus durchführen, ggf. mit Hilfe eines tragbaren, per Funk mit dem Netz verbundenen Computers. Die Überwachung in fernen Ländern gelegener Zweigbetriebe ist damit über das Internet möglich.
Ein dem vorangehend beschriebenen Überwachungssystem ähnliches System kann zur Prozesssteuerung eingesetzt werden, insbesondere als nachrüstbares Optimierungsystem zur Ergänzung und Steigerung der Leistungsfähigkeit eines vorhandenen Prozessleitsystems. Beispielsweise die Sensoren 7' und 7''' in Fig. 2 dienen in diesem Fall der Ermittlung von Prozessparametern. Über den digitalen Eingang der Rechnereinheit 16, an welchen gemäß Fig. 2 der Sensor 7" angeschlossen ist, können im Rahmen der Nachrüstung aktive, feldbusfähige Stell- und Regelelemente angeschlossen werden, wobei in diesem Fall der betreffende Eingang der Rechnereinheit 16 für ein bidirektionalen Datenverkehr ausgelegt ist. Die Vorverarbeitungseinrichtungen 8 könnten über das Übertragungssystem 9, 9', 10 direkt mit dem vorhandenen Prozessleitstand oder einer mit dem Prozessleitstand verbundenen, der Überwachungszentrale 2 entsprechenden Zentrale gemäß Strichlinie 22 in Fig. 1 verbunden sein. Steuerungen, zu denen das vorhandene Prozessleitsystem nicht in der Lage ist, erfolgen über das nachgerüstete System, das an der Schnittstelle zum vorhandenen Prozessleitsystem als "intelligente Klemme" die jeweilige Übersetzung in die vorgegebenen, unterschiedlichen System-Datenformate übernimmt.

Claims

1. System zur Überwachung oder/und Optimierung der Funktion technischer Anlagen, insbesondere produktionstechnischer Anlagen (1), mit wenigstens einem Sensor (7) für die Erfassung, den Zustand der Anlage (1) charakterisierender Messdaten und mit einer dem Sensor (7) nachgeordneten Einrichtung (9, 9', 10) zur Datenübertragung an eine Überwachungszentrale (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungseinrichtung (9, 9', 10) eine, die Sensormessdaten unter Datenmengenreduktion vorverarbeitende Einrichtung (8) vorgeschaltet ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitungseinrichtung (8) zur automatischen Absendung von Zustandsdaten nur bei Überschreiten kritischer, aus den Sensormessdaten ermittelter Werte vorgesehen ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitungseinrichtung (8) einen Pufferspeicher (18) zur vorübergehenden Speicherung laufend anfallender Sensormesswerte oder vorverarbeiteter Werte aufweist und die im Pufferspeicher (18) enthaltenen Daten auf Abruf zur Überwachungszentrale (2) übertragbar sind.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitungseinrichtung (8) und/oder die Überwachungszentrale (2) zur Auswertung der Daten von mehreren Sensoren und zur Erkennung kritischer Zustände durch Vergleich der Daten oder Verknüpfungen von Daten mit vorgespeicherten Datenmustern vorgesehen ist.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (9, 9', 10) zum bidirektionalen Datenverkehr vorgesehen und Art und Umfang der Datenverarbeitung durch die Vorverarbeitungseinrichtung (8) von der Überwachungszentrale (2) aus einstellbar ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungszentrale (2) an ein innerbetriebliches und/oder weltweites Datennetz (21) angeschlossen ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (9, 9', 10) zur Datenübertragung unter Mitnutzung vorhandener, anderweitig, insbesondere zum Betrieb der Anlage (1), verwendeter, elektrischer Leitungen (10) vorgesehen ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen Stromversorgungsleitungen (10) sind.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine bei der Mitnutzung vorhandener, elektrischer Leitungen (10) zur Datenübertragung verwendete Übertragungsträgerfrequenz unterhalb des Bereichs der Funkfrequenzen liegt.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (9, 9', 10) eine Einrichtung (20) zur Erfassung von Störsignalen in der elektrischen Leitung (10) und Freigabe der Datenübertragung nur bei störungsfreier Leitung (10) aufweist.