DE10246906A1

DE10246906A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung, insbesondere zur Verschleißdiagnose, von Regelkreisen

Info

Publication number: DE10246906A1
Application number: DE10246906A
Authority: DE
Inventors: Martin Betz; Bernd Saretzki
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2004-05-06

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) zur Überwachung, insbesondere zur Verschleißdiagnose, von Regelkreisen (2) mit mindestens einem Regler (3) ist es vorgesehen, den Wert mindestens eines dem Regler (3) zugeordneten Regelgütekriteriums auszuwerten. Dabei erlaubt insbesondere ein Vergleich des Wertes des Regelgütekriteriums mit einem früheren Wert des Regelgütekriteriums Rückschlüsse auf gegebenenfalls notwendige Wartungs- und/oder Instandhaltungsmaßnahmen.

Description

Bei technischen Anlagen werden zur Erzielung gewünschter Prozessergebnisse oftmals Regelkreise eingesetzt, mittels welcher Prozessgrößen möglichst gut auf einem gewünschten Wert gehalten oder an einen gewünschten Verlauf angepasst werden.

Bekannte Regelkreise umfassen oft mechanische Komponenten, beispielsweise hydraulisch betätigte Stellglieder, und/oder mechanisch aufgebaute Regler, welche im Lauf der Zeit einem Verschleiß unterliegen. Dieser Verschleiß wird oft erst sehr spät bemerkt, beispielsweise wenn der Regelkreis ausfällt, da auch mit verschleißenden Regelkreiskomponenten der Betrieb der technischen Anlage möglich bleibt und daher eine Betrachtung der verschleißbehafteten Komponenten lange Zeit unterbleibt.

Hat der Verschleiß zu einem Ausfall des Regelkreises geführt, so kann damit sogar ein Anlaqenstillstand erzwungen sein, welcher beispielsweise zu einem Produktionsausfall führt. Des Weiteren kann ein Ausfall eines Regelkreises eine Gefährdung von Menschen und der Umwelt bedeuten.

Um dies zu verhindern, werden bekannte Regelkreise üblicherweise periodisch inspiziert und gewartet. Aber auch für derartige Inspektionen und Wartungsmaßnahmen ist oftmals eine Außerbetriebnahme des Regelkreises notwendig, was wiederum – zumindest für die Zeitdauer der Inspektion oder Wartung – einen Produktionsausfall bedeutet. Außerdem haben derartige Maßnahmen oft rein vorbeugenden Charakter, da zum Zeitpunkt der Maßnahme in vielen Fällen noch gar kein dringender Handlungsbedarf bestünde; die Inspektion oder Wartung führt dann zumindest zu unerwünschten Kosten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine dafür geeignete Vorrichtung zur Überwachung, insbesondere zur Verschleißdiagnose, von Regelkreisen anzugeben.

Damit soll insbesondere eine bedarfsorientierte Instandhaltung und Wartung von Regelkreises möglich sein; eine derartige Maßnahme soll dann eingeleitet werden, wenn der Zustand des Regelkreises dies erfordert und nicht bloß auf Grund der Tatsache, dass ein Wartungsintervall abgelaufen ist.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur Verschleißdiagnose, von Regelkreisen mit mindestens einem Regler, wobei der Wert mindestens eines, dem Regler zugeordneten Regelgütekriteriums während des Betriebs des Reglers ermittelt und mit mindestens einem früheren Wert des Regelgütekriteriums verglichen wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der Wert eines Regelgütekriteriums nicht nur zur Optimierung des Regelkreises im Hinblick auf sein Regelverhalten – was aus der Fachliteratur bekannt ist -, sondern auch zur Detektierung eines Verschleißes von Reglerkomponenten herangezogen werden kann.

Insbesondere liefert der Vergleich eines aktuellen Werts des Regelgütekriteriums mit einem entsprechenden früheren Wert oftmals wichtige Aufschlüsse über einen möglichen Verschleiß im Regelkreis, besonders, wenn sich der Wert im Sinne des Regelgütekriteriums verschlechtert hat. Es ist dann damit zu rechnen, dass sich der Regelkreis verändert hat, was bei mechanische Komponenten aufweisenden Regelkreisen oftmals den Verschleiß einer Regelkreiskomponente impliziert.

Betrachtet man den Verlauf des Regelgütekriteriums über einen längeren Zeitraum, so kann man aus der Änderung des Werts des Regelgütekriteriums Rückschlüsse auf die Dringlichkeit einer Wartungsmaßnahme schließen. Beispielsweise lässt eine betragsmäßig stark ansteigende Änderung des Regelgütekriteriums auf einen fortgeschrittenen Verschleiß mit baldiger Wartungsnotwendigkeit schließen, wohingegen eine Änderung gleich Null oder eine betragsmäßig konstante oder nur leicht ansteigende Änderung eher auf eine später notwendig werdende Wartungsmaßnahme schließen lässt.

In Versuchen kann für typische Regelkreiskomponenten deren Regelgüteverhalten und/oder dessen zeitliche Änderung ermittelt und zusammen mit den jeweils notwendigen Wartungsmaßnahmen tabelliert werden. So sind später in der Praxis Wartungsmaßnahmen rechtzeitig, aber nicht zu spät und auch nicht übermäßig zu früh einleitbar.

Vorteilhaft wird je nach aktuellem Arbeitspunkt des Reglers der entsprechende, dem aktuellen Arbeitspunkt zugeordnete Wert des Regelgütekriteriums mit mindestens solch einem früheren Wert des Regelgütekriteriums verglichen wird, welcher einem dem aktuellen Arbeitspunkt entsprechenden, früheren Arbeitspunkt zugeordnet ist.

Dabei wird berücksichtigt, dass der Regler – je nach aktueller Betriebssituation – an verschiedenen Arbeitspunkten arbeiten kann und ein Vergleich der Werte des Regelgütekriteriums in einem derartigen Fall bezüglich einander entsprechender Arbeitspunkte stattfindet. So ist der Vergleich besonders aussagekräftig.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Regelgütekriterium eine Regelfläche, welche von einen zeitlichen Verlauf einer Regeldifferenz des Regelkreises und einer entsprechenden Zeitachse eingeschlossen wird.

Die Regelfläche kann dabei beispielsweise mittels eines Integrales über die Differenz der Regeldifferenz und einer blei benden Regeldifferenz ermittelt werden, wobei ein sogenannter Führungs- oder Störungssprung als Testsignal auf den Regelkreis geschaltet wird.

Die Größe der Regelfläche ist dabei ein Maß für die Güte des Regelkreises, wobei die Regelgüte umso günstiger ist, je kleiner die Regelfläche ist. Eine Veränderung, insbesondere eine Vergrößerung, der Regelfläche im Laufe der Zeit kann also wertvolle Hinweise auf einen sich verschlechternden Regelkreis und somit auf gegebenenfalls notwendige Wartung- und/oder Instandhaltungsmaßnahmen liefern.

Die Verwendung einer linearen Regelfläche im Zusammenhang der Ermittlung eines Werts des Regelgütekriteriums ist insbesondere für Regelkreise geeignet, welche eine Dämpfung aufweisen; bei instabilen Regelkreisen, welche zu ungedämpften Schwingungen neigen, könnte die Berechnung einer linearen Regelfläche sogar einen Wert gleich Null liefern, was aber in diesem Falle nicht aussagekräftig wäre. Für derartige und auch andere Regelkreise stehen eine Reihe anderer Regelgütekriterien zur Verfügung.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Regelgütekriterium eine Regelfläche, welche von einem zeitlichen Verlauf des Absolutbetrages einer Regeldifferenz des Regelkreises und einer entsprechenden Zeitachse eingeschlossen wird.

Bei dieser Ausgestaltung ergibt die Betragsbildung der positiven und negativen Anteile an der Regelfläche eine positive Summe dieser Anteile, so dass sich diese Anteile auch bei einem zu Schwingungen neigenden Regelkreis nicht aufheben und eine hohe Regelgüte vortäuschen. Ein derartiges Regelgütekriterium nach dieser Ausführungsform der Erfindung bezeichnet man auch als Betragsregelfläche, wobei das zeitliche Integral über die Regeldifferenz ggf. minus der bleibenden Regeldifferenz gebildet wird.

Auch hierbei ist eine Veränderung des Werts des Regelgütekriteriums im Laufe der Zeit, insbesondere eine Erhöhung dieses Werts, ein Anzeichen für eine sich verschlechternde Regelgüte und somit ein Hinweis ob eine gegebenenfalls notwendige Wartungs- und/oder Instandhaltungsmaßnahme.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Regelgütekriterium eine Regelfläche, welche von einem zeitlichen Verlauf einer quadrierten Regeldifferenz des Regelkreises und einer entsprechenden Zeitachse eingeschlossen wird.

Dabei gehen in Folge der Quadrierung große Werte der Regeldifferenz stärker in die Bildung der quadratischen Regelfläche ein als kleine. Der Wert für ein derartiges Regelgütekriterium wird also bei sich verschlechterndem Regelverhalten größer, wobei der Wert besonders stark ansteigt, wenn die Regeldifferenz große Werte aufweist. So kann beispielsweise ein sich verschlechterndes Regelverhalten frühzeitig erkannt werden, da sich eine damit in Zusammenhang stehende Vergrößerung der Regeldifferenz in Folge der Quadrierung stark auf den Wert für das Regelgütekriterium auswirkt.

Bei dieser Ausführungsform ist es weiterhin vorteilhaft, dass die quadrierte Regeldifferenz zeitlinear und/oder zeitquadratisch gewichtet wird.

Bei diesen Ausführungsformen werden insbesondere kleine Regeldifferenzen mit zunehmender Zeit stärker bewertet und liefern somit einen im Laufe der Zeit immer größer werdenden Beitrag zum Wert des Regelgütekriteriums.

Die Erfindung führt weiterhin zu einer Vorrichtung zur Überwachung, insbesondere zur Verschleißdiagnose, vom Regelkreisen mit mindestens einem Regler, wobei die Vorrichtung eine Datenverarbeitungseinheit umfasst, mittels welcher der Wert mindestens eines, dem Regler zugeordneten Regelgütekriteriums während des Betriebs des Reglers ermittelbar und mit mindestens einem früheren Wert des Regelgütekriteriums vergleichbar ist.

Vorteilhaft ist der Datenverarbeitungseinheit zur Ermittlung des Regelgütekriteriums ein zeitlicher Verlauf einer Regeldifferenz des Regelkreises datenmäßig zuführbar.

Bei dieser Ausführung ist weiterhin mittels der Datenverarbeitungseinheit vorteilhaft der zeitliche Verlauf der Regeldifferenz integrierbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Integration eine zeitlineare oder zeitquadratische Gewichtung des zeitlichen Verlaufs der Regeldifferenz.

Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und seiner Ausgestaltungen angeführten Vorteile, Erläuterungen und Hinweise sind in analoger Weise auf die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie deren Ausführungsformen übertragbar und werden daher an dieser Stelle nicht wiederholt.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt.

Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
In der Figur ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dargestellt. Mittels der Vorrichtung 1 soll ein Regelkreis 2 überwacht werden, welcher einen Regler 3 und eine Regelstrecke 5 umfasst. Der Regler 3 und/oder die Regelstrecke 5 umfassen dabei insbesondere mechanische Komponenten, beispielsweise mechanisch betätigte oder mechanisch wirkende Stellglieder, welche einem Materialverschleiß unterliegen.
Die Regelstrecke 5 soll mittels des Reglers 3 auf ein gewünschtes Verhalten eingestellt werden. Dazu wird ein Istwert 9, welcher ein tatsächliches Verhalten der Regelstrecke 5 beschreibt, mittels eines Subtrahierers 13 verglichen mit einem Sollwert 11, welcher ein gewünschtes Verhalten der Regelstrecke beschreibt.
Der Subtrahierer 13 ermittelt die Differenz zwischen dem Sollwert 11 und dem Istwert 9 als eine Regeldifferenz 15, welche zum einen als Eingangssignal für den Regler 3 und zum anderen als ein Informationssignal für eine Datenverarbeitungseinheit 17 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dient.
Mittels des Reglers 3 wird mit Hilfe eines Regelalgorithmus (beispielsweise eines PID-Algorithmus) die Regeldifferenz 15 verarbeitet zu einem Reglerausgangssignal, aus welchem ein Stellsignal 7 für die Regelstrecke 5 gebildet wird. Das Stellsignal 7 soll dabei die Regelstrecke 5 derart beeinflussen, dass deren Istwert 9 den gewünschten Sollwert 11 möglichst gut entspricht. Solange der Wert der Regeldifferenz 15 nicht verschwindet, wird mittels des Reglers 3 das Stellsignal 7 für die Regelstrecke 5 erzeugt.
Mittels der Datenverarbeitungseinheit 17 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird der zeitliche Verlauf der Regeldifferenz 15 erfasst und daraus ein dem Regler 3 zugeordnetes Regelgütekriterium ermittelt.
Das Regelgütekriterium (in den folgenden Formeln jeweils mit G1 bis G5 bezeichnet) kann dabei beispielsweise mit Hilfe folgender Formeln alternativ oder in Kombination ermittelt werden, wobei die dabei durchzuführenden Integrationen mittels eines Integrierers 19 der Datenverarbeitungseinheit 17 ausgeführt werden können.
Bei den oben angegebenen Formeln 1 bis 5 wird jeweils bei der Bildung des Integrals eine gegebenenfalls vorhandene bleibende Regeldifferenz vom zeitlichen Verlauf der Regeldifferenz 15 subtrahiert, da ansonsten der Wert des jeweiligen Integrals über alle Grenzen wachsen würde. Wendet man eine oder mehrere der oben angegebenen Formeln auf einen Regelkreis ohne bleibende Regeldifferenz an, so ist der entsprechende Anteil der bleibenden Regeldifferenz gleich Null zu setzen.
Für eine Auswertung oben genannter Formeln in der Praxis können bekannte, insbesondere numerische, Algorithmen zur Integration eingesetzt werden und im Integrierer 19 implementiert sein.
Die Formel 1 beschreibt als Regelgütekriterium G1 die sogenannte lineare Regelfläche.
Die Formel 2 verwendet zur Bestimmung des Regelgütekriteriums G2 die sogenannte Betragsregelfläche.
In der Formel 3 wird zur Ermittlung des Regelgütekriteriums G3 die sogenannte quadratische Regelfläche herangezogen.
In den Formeln 4 und 5 wird zur Ermittlung des Regelgütekriteriums G4 bzw. G5 die sogenannte zeitlinear gewichtete die zeitquadratisch gewichtete quadratische Regelfläche herangezogen.
Geometrisch kann man obige Beispiele zur Ermittlung des Regelgütekriteriums interpretieren als jeweils eine Fläche, welche vom zeitlichen Verlauf der Regeldifferenz 15 und einer entsprechenden Zeitachse eingeschlossen wird, wobei der zeitliche Verlauf der Regeldifferenz 15 dabei einer Betragsbildung, einer Quadrierung und/oder einer Zeitgewichtung unterliegen kann. Des Weiteren kann zur Vermeidung unendlich großer Werte für das Regelgütekriteriums, wie bereits erwähnt, vom zeitlichen Verlauf der Regeldifferenz 15 eine gegebenenfalls vorhandene bleibende Regeldifferenz subtrahiert sein.
In den Formeln entspricht der Ausdruck x_d(t) der Regeldifferenz 15 der Figur.
Wenn nun mittels des Integrierers 19 der Datenverarbeitungseinheit 17 für ein erstes Zeitintervall ein Wert für das Regelgütekriterium ermittelt wurde, beispielsweise anhand einer oder mehrerer der vorher angegebenen Formeln, so kann dieser Wert mit einem entsprechenden später ermittelten Wert verglichen und eine möglicherweise vorhandene Abweichung festgestellt werden.
Vorteilhaft werden dazu in einer Speichereinheit 21 eine Anzahl an historischen Werten für das Regelgütekriterium abgelegt und zumindest ein oder mehrere dieser gespeicherten Werte für einen Vergleich mit einen aktuell ermittelten Wert für das Regelgütekriterium herangezogen; ein idealer Regelkreis würde sein Verhalten und damit den Wert des Regelgütekriteri ums im Laufe der Zeit nicht verändern. Da jedoch alle in der Praxis vorkommenden Regelkreise einem Verschleiß unterworfen sind, verändert sich bei derartigen Regelkreisen praktisch in jedem Fall der Wert des Regelgütekriteriums mehr oder weniger stark im Laufe der Zeit.
Wird nun mittels der Datenverarbeitungseinheit 17 eine Veränderung des ermittelten Regelgütekriteriums im Vergleich zu einem früheren Wert festgestellt, so wird ein Wartungssignal 23 generiert, welches im Bedarfsfall auf eine notwendige Wartungs- und/oder Instandhaltungsmaßnahme des Regelkreises 2 hinweist.
Vorteilhaft umfasst das Wartungssignal 23 in Abhängigkeit von einer aktuellen Beurteilung des zeitlichen Verhaltens des Regelgütekriteriums, welches sich aus einem Vergleich von in der Speichereinheit 21 gespeicherten historischen Werten und eines aktuell ermittelten Wertes ermitteln lässt, auf die jeweilige Situation abgestimmte Verhaltensvorschläge für eine Wartungsmaßnahme, welche beispielsweise von einer einfachen Sichtprüfung bis zu einer kompletten Demontage und Erneuerung von Reqelkreiskomponenten reichen können.
Als Regelgütekriterium kommen nehmen den beispielhaft genannten Formeln insbesondere auch deren inverse Werte, also 1/G1, 1/G2,...1/G5 in Betracht, so dass die nach derartigen Formeln berechnete Regelgüte eines Regelkreises um so größer ist, je größer der Wert des entsprechenden Regelgütekriteriums ist; bei den vorher beispielhaft genannten Formeln 1 bis 5 ist die Güte des Regelkreises um so größer, je kleiner der Wert des entsprechenden Regelgütekriteriums ist.
Zusammengefasst lässt sich die Erfindung folgendermaßen umreißen: Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Überwachung, insbesondere zur Ver schleißdiagnose, von Regelkreisen 2 mit mindestens einem Regler 3 ist es vorgesehen, den Wert mindestens eines, dem Regler 3 zugeordneten Regelgütekriteriums auszuwerten. Dabei erlaubt insbesondere ein Vergleich des Wertes des Regelgütekriteriums mit einem früheren Wert des Regelgütekriteriums Rückschlüsse auf gegebenenfalls notwendige Wartungs- und/oder Instandhaltungsmaßnahmen.

Claims

Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur Verschleißdiagnose, von Regelkreisen (2) mit mindestens einem Regler (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Wert mindestens eines, dem Regler (3) zugeordneten Regelgütekriteriums während des Betriebs des Reglers (3) ermittelt und mit mindestens einem früheren Wert des Regelgütekriteriums verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je nach aktuellem Arbeitspunkt des Reglers (3) der entsprechende, dem aktuellen Arbeitspunkt zugeordnete Wert des Regelgütekriteriums mit mindestens solch einem früheren Wert des Regelgütekriteriums verglichen wird, welcher einem dem aktuellen Arbeitspunkt entsprechenden, früheren Arbeitspunkt zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelgütekriterium eine Regelfläche umfasst, welche von einem zeitlichen Verlauf einer Regeldifferenz (15) des Regelkreises (2) und einer entsprechenden Zeitachse eingeschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelgütekriterium eine Regelfläche umfasst, welche von einem zeitlichen Verlauf des Absolutbetrags einer Regeldifferenz (15) des Regelkreises (2) und einer entsprechenden Zeitachse eingeschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, dass das Regelgütekriterium eine Regelfläche umfasst, welche von einem zeitlichen Verlauf einer quadrierten Regeldifferenz (15) des Regelkreises (2) und einer entsprechenden Zeitachse eingeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die quadrierte Regeldifferenz (15) zeitlinear gewichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die quadrierte Regeldifferenz (15) zeitquadratisch gewichtet wird.
Vorrichtung (1) zur Überwachung, insbesondere zur Verschleißdiagnose, von Regelkreisen (2) mit mindestens einem Regler (3), gekennzeichnet durch eine Datenverarbeitungseinheit (17), mittels welcher der Wert mindestens eines, dem Regler (3) zugeordneten Regelgütekriteriums während des Betriebs des Reglers (3) ermittelbar und mit mindestens einem früheren Wert des Regelgütekriteriums vergleichbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenverarbeitungseinheit (17) zur Ermittlung des Regelgütekriteriums ein zeitlicher Verlauf einer Regeldifferenz (15) des Regelkreises (2) datenmäßig zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Datenverarbeitungseinheit (17) der zeitliche Verlauf der Regeldifferenz (15) integrierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Integration eine zeitlineare oder zeitquadratische Gewichtung des zeitlichen Verlaufs der Regeldifferenz (15) umfasst.