DE112017001747T5

DE112017001747T5 - Ventildiagnoseverfahren und Ventildiagnosevorrichtung

Info

Publication number: DE112017001747T5
Application number: DE112017001747.5T
Authority: DE
Inventors: Masato Suga; Manabu Miyamoto; Yasutoshi Nomura
Original assignee: TOMOE VALVE CO Ltd; Ritsumeikan Trust
Current assignee: TOMOE VALVE CO Ltd; Ritsumeikan Trust
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2018-12-20
Also published as: KR102118818B1; WO2017169849A1; KR20190007418A; US10920907B2; JP6153145B1; JP2017181203A; CN108885154A; US20190107463A1; CN108885154B

Abstract

Es wird ein Diagnoseverfahren zur adäquaten Vorhersage einer Zustandsänderung eines Ventils mit einem einfachen Aufbau geschaffen. Das Ventildiagnoseverfahren umfasst: Berechnen eines Werts einer ersten Änderungsrate - in Bezug auf einen vorbestimmten Schadensindex während der Referenzdatenerfassung - des vorbestimmten Schadensindex während der Diagnose; Berechnen eines Werts einer zweiten Änderungsrate - in Bezug auf einen quadratischen Mittelwert, der aus einer Differenz zwischen vorhergesagten Wellenformdaten von Schwingungen während der Referenzdatenerfassung und Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, berechnet wird - eines quadratischen Mittelwerts, der aus einer Differenz zwischen vorhergesagten Wellenformdaten von Schwingungen während der Diagnose und Schwingungsdaten während der Diagnose berechnet wird; Anordnen eines Eintrags eines Diagnoseergebnisses auf Grundlage eines Werts der ersten Änderungsrate, die berechnet wird, und eines Werts der zweiten Änderungsrate, die berechnet wird; und Bestimmen eines Zustands eines zu diagnostizierenden Ventils auf Grundlage eines Werts der ersten Änderungsrate, die berechnet wird, eines Werts der zweiten Änderungsrate, die berechnet wird, und einer Anordnungsposition in der Ebene eines Eintrags des Diagnoseergebnisses.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventildiagnoseverfahren und eine Ventildiagnosevorrichtung zum Vorhersagen im Voraus einer Fehlfunktion aufgrund des Festsitzens des Ventilschafts eines Ventils oder dergleichen.
Hintergrund
Eine große Vielfalt von Ventilen wird in verschiedenen Anlagen und Fabriken eingesetzt. Die Wartung dieser Ventile umfasst die folgenden drei Verfahren.

(1) Wartungsverfahren durch Austausch nach Ventilversagen.
(2) Wartungsverfahren durch Durchführung regelmäßiger Wartung entsprechend dem Betriebszeitraum.
(3) Verfahren zum Treffen notwendiger Maßnahmen vor einem Versagen entsprechend dem Zustand des Ventils.

Mit dem Wartungsverfahren (1) ist das Problem verbunden, dass bei einem Versagen zu einem unerwarteten Zeitpunkt die gesamte Vorrichtung, die ein Ventil enthält, für einen vorgegebenen Zeitraum gestoppt werden muss, damit das Ventil ausgetauscht werden kann. Weiterhin ist dem Wartungsverfahren (2) das Problem verbunden, dass unnötige Kosten entstehen können, da die Teile, aus denen das Ventil besteht, regelmäßig ausgetauscht werden müssen, auch wenn die Teile in gutem und noch brauchbaren Zustand sind. Auch wenn jedoch ein regelmäßiger Austausch vorgenommen wird, muss im Falle eines plötzlichen Versagens die gesamte Vorrichtung für einen vorgegebenen Zeitraum gestoppt werden, damit das Ventil ausgetauscht werden kann, ähnlich wie beim Wartungsverfahren (1).
Mit dem Verfahren (3) ist nicht das Problem verbunden, dass die gesamte Vorrichtung für einen vorgegebenen Zeitraum gestoppt werden muss, damit das Ventil ausgetauscht werden kann, oder das Problem, dass der regelmäßige Austausch des Ventils und seiner Teile, auch wenn das Ventil und seine Teile in gutem und noch brauchbaren Zustand sind, zu unnötigen Kosten führen kann. Mehrere Verfahren zum Vorhersagen der Zustandsänderung des Ventils wurden bisher vorgeschlagen, um das Wartungsverfahren (3) durchzuführen.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 6-300667 offenbart ein Verfahren zum Erkennen eines Risses oder dergleichen des Ventilschafts. Bei diesem Verfahren ist ein Beschleunigungssensor an dem Ventilschaft angebracht, und Schwingungen, die in dem Ventilschaft erzeugt werden, indem eine Person vor Ort darauf klopft, werden gemessen. Die Eigenfrequenz wird anhand der Messdaten berechnet und Schäden am Ventilschaft werden durch Vergleich der Eigenfrequenz im fehlerfreien Zustand mit der Eigenfrequenz bei der Messung festgestellt. Dieses Verfahren weist die folgenden Probleme auf.

[1] Wenn der Ventilschaft einer hohen Temperatur ausgesetzt ist oder wenn der Ventilschaft sich innerhalb des Ventils befindet und nicht von außen zugänglich ist, kann es schwierig sein, einen Beschleunigungssensor an dem Ventilschaft anzubringen.
[2] Eine Person muss den Betriebsort aufsuchen, um auf den Ventilschaft zu klopfen.
[3] Die Schwingungen, die nach dem Klopfen gemessen werden, können sich in Abhängigkeit der vom Schlaghammer getroffenen Stelle, dem Schlagwinkel und dergleichen ändern.
[4] Wenn das Zeitintervall zwischen zwei Klopfvorgängen zu groß ist, werden Risse und dergleichen möglicherweise nicht erkannt, bevor ein Schaden auftritt.
[5] Der Ventilschaft kann nicht permanent überwacht werden.

Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-130531 offenbart ein Verfahren zum Anbringen eines Antriebskraftsensors, eines Energieversorgungssensors an einer Antriebseinheit und eines Schwingungssensors an der Antriebseinheit einer Ventilvorrichtung und zum Vorhersagen einer Zustandsverschlechterung mittels Daten von den Sensoren. Dieses Verfahren weist die folgenden Probleme auf.

[1] Da der permanente Antriebskraftsensor an der Antriebseinheit angebracht werden muss, ist die Antriebseinheit teuer.
[2] Da die Diagnose mit Hilfe von Daten des Zwischendrehmoments durchgeführt wird, kann das Ventil nicht ohne Bewegen des Ventils überprüft werden.
[3] Da die Gültigkeit des für jede Spezifikation des Ventils einzustellenden zulässigen Werts in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen schwankt, ist es schwierig, einen geeigneten zulässigen Wert einzustellen, ohne Ergebnisse aus dem tatsächlichen Betrieb zu sammeln.

Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-27615 offenbart ein Verfahren zum Messen des Fluiddrucks vor und nach dem Ventil und zur indirekten Bewertung der Schwingungen des Ventils anhand des Fluiddrucks zur Überwachung des einwandfreien Zustands des Ventils. Dieses Verfahren weist die folgenden Probleme auf.

[1] Ein geeignetes Strukturanalysemodell muss im Voraus erstellt werden.
[2] Die Schwingungen werden lediglich indirekt anhand des Fluiddrucks abgeschätzt und werden nicht notwendigerweise akkurat abgeschätzt.

Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-54434 offenbart ein Verfahren zur Diagnose von Unregelmäßigkeiten eines Ventils durch Übermitteln einer Ultraschallwelle an ein Ventil und Empfangen der von dem Ventil reflektierten Ultraschallwelle. Dieses Verfahren weist das folgende Problem auf.

[1] Es wird eine separate Ultraschallvorrichtung benötigt, um elastische Wellen in dem Ventil zu erregen.

Die ungeprüfte japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. S61-28968 offenbart ein Verfahren zum Messen des durch Undichtigkeit in einem Ventil erzeugten Schalls mit Hilfe eines Ultraschalldetektors und zum Messen der Austrittsmenge. Dieses Verfahren weist das folgende Problem auf.

[1] Es muss im Voraus ein analytisches Modell der Ventile in einem Verrohrungszustand entwickelt werden. Zusammenfassung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Diagnoseverfahren und eine Diagnosevorrichtung zur adäquaten Vorhersage einer Zustandsänderung eines Ventils mit Hilfe eines einfachen Aufbaus. Das Diagnoseverfahren und die Diagnosevorrichtung zur adäquaten Vorhersage einer Zustandsänderung eines Ventils hat beispielsweise als ein Ziel, es einem Manager oder Bediener des Ventils zu ermöglichen, die vor Auftreten eines Fehlers notwendigen Maßnahmen gemäß dem Zustand des Ventils in geeigneter Weise auszuwählen und zu bestimmen.
Mittel zum Lösen der Aufgabe
Das Ventildiagnoseverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte:

Berechnen eines Werts einer ersten Änderungsrate - in Bezug auf einen vorbestimmten Schadensindex während der Referenzdatenerfassung, der auf Grundlage eines autoregressiven Modells berechnet wird, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird -, des vorbestimmten Schadensindex während der Diagnose, der auf Grundlage eines autoregressiven Modells berechnet wird, das auf Grundlage von Schwingungsdaten während der Diagnose erstellt wird;
Berechnen eines Werts einer zweiten Änderungsrate - in Bezug auf einen quadratischen Mittelwert, der aus einer Differenz zwischen vorhergesagten Wellenformdaten von Schwingungen auf Grundlage eines autoregressiven Modells während der Referenzdatenerfassung, die durch Eingabe und Berechnung von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, in ein autoregressives Modell, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird, erhalten werden, und Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, berechnet wird - eines quadratischen Mittelwerts, der aus einer Differenz zwischen vorhergesagten Wellenformdaten von Schwingungen während der Diagnose auf Grundlage eines autoregressiven Modells während der Referenzdatenerfassung, die durch Eingabe und Berechnung von Schwingungsdaten während der Diagnose in das autoregressive Modell, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird, erhalten werden, und Schwingungsdaten während der Diagnose berechnet wird;
Anordnen eines Eintrags eines Diagnoseergebnisses auf Grundlage eines Werts einer ersten Änderungsrate, die berechnet wird, und eines Werts einer zweiten Änderungsrate, die berechnet wird, in einer Ebene, in der eine erste Achse und eine zweite Achse orthogonal zueinander sind, wobei eine Variable auf der ersten Achse die erste Änderungsrate und eine Variable auf der zweiten Achse die zweite Änderungsrate darstellt; und
Bestimmen eines Zustands eines zu diagnostizierenden Ventils auf Grundlage eines Werts der ersten Änderungsrate, die berechnet wird, eines Werts der zweiten Änderungsrate, die berechnet wird, und einer Anordnungsposition in der Ebene eines Eintrags des Diagnoseergebnisses.

Mit dem Diagnoseverfahren und der Diagnosevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Zustandsänderung des Ventils mit Hilfe eines einfachen Aufbaus adäquat vorhergesagt und diagnostiziert werden. Somit kann weiterhin ein Manager oder ein Bediener des Ventils die vor Auftreten eines Fehlers notwendigen Maßnahmen gemäß dem Zustand des Ventils in geeigneter Weise auswählen und bestimmen.
Das Drehmoment zum Öffnen und Schließen des Ventils wird durch das Festsitzen des Ventilschafts in dem Ventil erhöht. Dieses Festsitzen des Ventilschafts und der schließlich folgende Anstieg des Drehmoments zum Öffnen und Schließen des Ventils, d. h. die Fehlfunktion des Ventils, tritt in der Schwingungsänderung des Ventils zutage. Daher ist es möglich, durch Messen der Schwingungsänderung des Ventils vor einer Fehlfunktion, nachdem sich ein Drehmomentanstieg zu zeigen beginnt, der zu einer Fehlfunktion führen kann, die Vorhersage nach außen zu melden. Darüber hinaus ist es möglich, die Zustandsänderung (wie Festsitzen) des Ventils in einem zerstörungsfreien Zustand in Bezug auf das Ventil und seine Peripheriegeräte festzustellen. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, im Voraus ein Strukturanalysemodell für die Diagnose für einzelne Ventile zu erstellen. Darüber hinaus ist es möglich, das Ventil permanent zu überwachen. Weiterhin kann die Vorhersage der Zustandsverschlechterung des Ventils auf Grundlage der Änderungstendenz einer Vielzahl von Indices durchgeführt werden.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Gesamtaufbaudiagramm einer Ventildiagnosevorrichtung und eines Datensammlungs- und Diagnose-Cloud-Systems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Diagramm, das einen Verarbeitungsablauf der Bestimmung und Vorhersage eines Zustands eines Ventils in einer Ventildiagnosevorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Ventils, an dem zwei Beschleunigungssensoren angebracht sind.
4 ist ein Diagramm, das einen Ablauf von Verarbeitungsschritten für die Berechnung eines Schadensgrads mit Hilfe eines Schadensindex (SI) auf Grundlage von Autoregressionskoeffizienten sowie Details von Schritt S04 des in 2 gezeigten Verarbeitungsablaufs zeigt.
5 ist ein Diagramm, das einen Ablauf von Verarbeitungsschritten für die Berechnung eines Schadensgrads mit Hilfe von Kreuzvorhersagefehlern sowie Details von Schritt S06 des in 2 gezeigten Verarbeitungsablaufs zeigt.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zustandsdiagnoseschemas zeigt.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zustandsdiagnoseschemas zeigt.
8A ist ein Diagramm, das ein Übergangsbeispiel des Werts von einer Änderungsrate des SI von der 0. Woche (W0) über die 1. Woche (W1) bis zur 18. Woche (W18) zeigt.
8B ist ein Diagramm, das ein Übergangsbeispiel des Werts von einer Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers von der 0. Woche (W0) über die 1. Woche (W1) bis zur 18. Woche (W18) zeigt.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Zustandsdiagnoseschemas zeigt.

Beschreibung einer Ausführungsform
Nachfolgend sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
[Hintergrund der vorliegenden Erfindung]
Es wurden mehrere Wartungsverfahren für verschiedene Ventile, die in verschiedenen Anlagen verwendet werden, entwickelt. Zu den vielversprechenden Verfahren dieser Verfahren gehören „Ein Verfahren zur Durchführung notwendiger Maßnahmen vor Auftreten eines Fehlers entsprechend dem Zustand (der Situation) des Ventils“ (A method of performing necessary measures before occurrence of failure according to the condition (situation) of the valve).
Um die „vor Auftreten eines Fehlers entsprechend dem Zustand (der Situation) des Ventils auszuführenden notwendigen Maßnahmen“ in geeigneter Weise auszuwählen und zu bestimmen, muss ein Verfahren zur Vorhersage des Zustands des Ventils (der Vorrichtung) entwickelt werden, das sich darauf konzentriert, wann ein Ventilfehler auftritt.
Wie oben beschrieben, wurden mehrere Verfahren zur Vorhersage des Zustands des Ventils (der Vorrichtung) vor Auftreten eines Fehlers vorgeschlagen. Jedes dieser Verfahren weist jedoch ein ungelöstes Problem auf. Das heißt, es wurde noch kein zufriedenstellendes Verfahren zur genauen Vorhersage eines künftigen Zustands des Ventils (der Vorrichtung) vor Auftreten eines Fehlers vorgestellt.
Angesichts der oben beschriebenen Umstände schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur genauen Vorhersage eines künftigen Zustands eines Ventils (einer Vorrichtung) vor Auftreten eines Fehlers.
[Erste Ausführungsform]
(Aufbau der Ventildiagnosevorrichtung)
1 ist ein schematisches Gesamtaufbaudiagramm einer Ventildiagnosevorrichtung 2 und eines Datensammlungs- und Diagnose-Cloud-Systems 22 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zunächst umfasst die in 1 gezeigte Ventildiagnosevorrichtung 2 eine Signalverarbeitungseinheit 4, einen AR-Signalempfänger 6 (AR: autoregressives Modell), einen Signalempfänger 8, ein Datenspeichereinheit 10, einen Sender 12, einen Beschleunigungssensor 14, einen Öffnungssensor 16 und Druck- und Temperatursensoren 18. Unter diesen sind der Beschleunigungssensor 14, der Öffnungssensor 16 und die Druck- und Temperatursensoren 18 in dem zu prüfenden Ventil selbst angeordnet oder daran angebracht oder in der Nähe davon.
Es ist anzumerken, dass das autoregressive Modell nachfolgend auch als ein AR-Modell bezeichnet ist.
Der AR-Signalempfänger 6 empfängt ein Schwingungssignal zum Erstellen eines autoregressiven Modells von dem Beschleunigungssensor 14, wie unten ausführlich beschrieben. Der Signalempfänger 8 empfängt ein Signal zum Bestimmen des Öffnungs- und Schließzustands des Ventils von dem Öffnungssensor 16 und den Druck- und Temperatursensoren 18 (wie unten beschrieben). Auf Grundlage der Daten von dem AR-Signalempfänger 6 und den Daten von dem Signalempfänger 8 sagt die Signalverarbeitungseinheit 4 z. B. genau den künftigen Zustand des Ventils voraus, wie in 2, 4 und 5 schematisch dargestellt. Die Datenspeichereinheit 10 speichert Daten und dergleichen, die von der Signalverarbeitungseinheit 4 ausgegeben werden.
Der Sender 12 übermittelt von der Signalverarbeitungseinheit 4 ausgegebene Daten und in der Datenspeichereinheit 10 gespeicherte Daten nach außen. Beispielsweise übermittelt der Sender 12 Daten an das Datensammlungs- und Diagnose-Cloud-System 22 (das sich in Bezug auf die Ventildiagnosevorrichtung 2 außerhalb befindet). Der Sender 12 kann über Personal Computer (PC) 20, die über Draht (und weiterhin beispielsweise über das Internet-Kommunikationsnetzwerk) oder über verschiedene drahtlose Kommunikationssysteme (und weiterhin beispielsweise über das Internet-Kommunikationsnetzwerk) mit der Ventildiagnosevorrichtung 2 verbunden sind, mit dem Datensammlungs- und Diagnose-Cloud-System 22 kommunizieren. Das Datensammlungs- und Diagnose-Cloud-System 22 kann beispielsweise über das Informations-Endgerät 24 bedient werden.
Es ist anzumerken, dass Verarbeitungsvorgänge im Zusammenhang mit der Datenanalyse, Bestimmung und Vorhersage in den in 2, 4 und 5 gezeigten Ablaufdiagrammen in der Signalverarbeitungseinheit 4 der Ventildiagnosevorrichtung 2 oder in dem Datensammlungs- und Diagnose-Cloud-System 22 durchgeführt werden können. Darüber hinaus kann die Verarbeitung von einem separaten Computer-Prozessor durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Verarbeitung von einem Personal Computer (PC) 20, der über Draht mit der Ventildiagnosevorrichtung 2 verbunden ist, oder einem Personal Computer, der in der Nähe der Ventildiagnosevorrichtung 2 angeordnet ist, durchgeführt werden.
(Betrieb der Ventildiagnosevorrichtung)
2 ist ein Diagramm, das einen Verarbeitungsablauf der Bestimmung und Vorhersage eines Zustands eines Ventils in einer Ventildiagnosevorrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem in 2 gezeigten Ablauf wird die Verarbeitung in der Reihenfolge Datenmessung, Analyse, Diagnose (Bestimmung) und Vorhersage durchgeführt. Es ist anzumerken, dass die Verarbeitung des in 2 gezeigten Ablaufs periodisch durchgeführt wird. Beispielsweise kann die Verarbeitung auf stündlicher Basis oder auf täglicher Basis durchgeführt werden.
Um die in 2 gezeigte Verarbeitung der Bestimmung und Vorhersage des Zustands des Ventils durchzuführen, enthält die Ventildiagnosevorrichtung 2 daher eine Uhr.
Darüber hinaus weist das Ventil im geöffneten und geschlossenen Zustand eine jeweils andere strukturelle Form auf und reagiert in unterschiedlicher Weise auf externe Schwingungen. Daher kann keine genaue Diagnose (Bestimmung) durchgeführt werden, wenn der Öffnungs-/Schließzustand des Ventils bei einwandfreiem Zustand (des Ventils), der als Kriterium dient, nicht mit dem Öffnungs-/Schließzustand des Ventils während der Diagnose übereinstimmt. Daher wird der Öffnungs-/Schließzustand des Ventils wie folgt gemessen.
Wie in 1 gezeigt, sind ein Öffnungssensor 16 und Druck- und Temperatursensoren 18 in dem Ventil (oder in der Nähe des Ventils) angeordnet. Mit diesen Sensoren misst die Signalverarbeitungseinheit 4 der Ventildiagnosevorrichtung 2 oder das Datensammlungs- und Diagnose-Cloud-System 22 den Öffnungs-/Schließzustand des Ventils. Wenn diese Sensoren durch Messung bestimmen, dass sich der Öffnungs-/Schließzustand während der Diagnose von dem Öffnungs-/Schließzustand bei einwandfreiem Zustand (des Ventils), der als das Kriterium dient, unterscheidet, wird die Öffnung des Ventils durch das Steuersystem der Anlage oder den Bediener des Ventils auf die Öffnung bei einwandfreiem Zustand, die als das Kriterium dient, eingestellt. Daher wird die Genauigkeit der Bestimmung und Vorhersage der in 2 gezeigten Verarbeitung der Bestimmung und Vorhersage des Zustands des Ventils verbessert.
Nachdem die Ventilöffnung auf die Ventilöffnung bei einwandfreiem Zustand, die als das Kriterium dient, eingestellt ist, werden die in 2 gezeigten Schritte (Verarbeitungsvorgänge) in und nach Schritt S02 durchgeführt. Es ist anzumerken, dass ein Grenzschalter, ein Potentiometer, ein Energiesensor an einer Antriebseinheit (eines Motors oder dergleichen) oder dergleichen verwendet werden kann, um den Öffnungs-/Schließzustand des Ventils zu messen.
Die Messung des Öffnungs-/Schließzustands des Ventils und die Einstellung der Öffnung wie oben beschrieben werden vor dem Schritt der „Erfassung der Schwingungsdaten des Diagnoseobjekts“ (Schritt S02) durchgeführt. Darüber hinaus wird das Ventil nach Abschluss der in 2 gezeigten Verarbeitung der Bestimmung und Vorhersage des Zustands des Ventils vorzugsweise in den ursprünglichen Öffnungs-/Schließzustand zurückversetzt.
(Erfassung von Schwingungsdaten eines Diagnoseobjekts und Vorverarbeitung des Signals (Schritt S02))
Im in 2 gezeigten Verarbeitungsablauf der Bestimmung und Vorhersage des Zustands des Ventils wird zunächst ein Schritt der „Erfassung von Schwingungsdaten eines Diagnoseobjekts“ (Schritt S02) ausgeführt. Konkret werden bei dieser „Erfassung von Schwingungsdaten eines Diagnoseobjekts“ (Schritt S02) die

•Antwortdateneingabe,
•Mittelwertbildungsverarbeitung,
•Bandpassfilter-Anwendung,
•Übertragungsfunktion-Verarbeitung,
und dergleichen ausgeführt.

•Antwortdateneingabe
Die Signalverarbeitungseinheit 4 empfängt über den AR-Signalempfänger 6 ein Schwingungssignal des Ventils von dem Beschleunigungssensor 14 der in 1 gezeigten Ventildiagnosevorrichtung 2. Um den Ventilzustand festzustellen, erfasst die Signalverarbeitungseinheit 4 die Messdaten der konstanten Schwingungen (einschließlich der von der Umgebung übertragenen Schwingungen), die in dem Ventil auftreten.
•Vorverarbeitung des Signals
(Mittelwertbildungsverarbeitung 1)
Beispielsweise wird die Messung für 5 Sekunden durchgeführt. Mit anderen Worten wird die Messung 5 Mal für 5 Sekunden durchgeführt, jedes Ergebnis wird einer Fourier-Transformation unterzogen und der Mittelwert der fünf transformierten Ergebnisse wird im Frequenzbereich berechnet. Eine inverse Fourier-Transformation des berechneten Transformationsergebnisses wird als Schwingungsdaten für die Diagnose eingestellt.
•Vorverarbeitung des Signals
(Mittelwertbildungsverarbeitung 2)
Darüber hinaus können die Messdaten wie folgt erfasst werden. Es werden Daten ausreichender Länge (beispielsweise 30 Sekunden) gemessen, die Daten in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt und für jeden Abschnitt der Daten eine Fourier-Transformation durchgeführt. Es wird der Mittelwert der Fourier-Transformationsergebnisse berechnet. Eine inverse Fourier-Transformation des berechneten Transformationsergebnisses wird als Schwingungsdaten für die Diagnose eingestellt.
•Vorverarbeitung des Signals (Bandpassfilter)
Vorzugsweise wird Rauschen von den durch die Messung erfassten Schwingungsdaten für die Diagnose entfernt. Da wird für die Schwingungsdaten für die Diagnose eine Fourier-Transformation durchgeführt und ein Bandpassfilter auf das Ergebnis angewandt. Mit diesem Bandpassfilter werden Frequenzbänder entfernt, die die Diagnose nicht beeinflussen und viel Rauschen enthalten. Für das Ergebnis der Entfernung wird eine inverse Fourier-Transformation durchgeführt, um die Schwingungsdaten wiederherzustellen.
Beispielsweise liegt der Vibrationslärm in der Nähe vorbeifahrender Fahrzeuge und dergleichen häufig im Bereich von nicht über 200 Hz. Daher werden Signale in dem Bereich von nicht mehr als 200 Hz häufig entfernt, unabhängig davon, ob solcher Vibrationslärm tatsächlich enthalten ist. Da die Eigenschwingung eines Ventils in vielen Fällen selten in den Bereich von nicht weniger als 10.000 Hz fällt, werden Signale im Bereich von nicht weniger als 10.000 Hz häufig entfernt.
•Übertragungsfunktion-Verarbeitung
Selbst wenn Rauschkomponenten der Umgebung entfernt werden, sind die Intensität der auf das zu diagnostizierende Ventil übertragenen Schwingungskomponenten und die in den Schwingungskomponenten enthaltenen Frequenzkomponenten nicht notwendigerweise immer konstant. Es ist notwendig, diese Effekte zu korrigieren. Wie in 3 gezeigt, ist für diese Korrektur neben dem Beschleunigungssensor 14 zum Messen der Schwingungen des Ventils 100 selbst ein zweiter Beschleunigungssensor 14a in der Nähe des zu diagnostizierenden Ventils 100 angeordnet (in 3 an der Außenfläche des Rohrs 102). Die freien Schwingungen des Ventils 100 werden durch Verwendung des Messwerts des zweiten Beschleunigungssensors 14a extrahiert. Die „freien Schwingungen“ sind hierbei die einem bestimmten System inhärenten Schwingungen und sind Schwingungsdaten des Ventils selbst. Es lässt sich also sagen, dass es sich um eine Eigenschaft handelt, die die Eigenschwingung und die Dämpfungskonstante des Ventils beinhaltet.
Angenommen, die Werte des Beschleunigungssensors 14 zum Messen der Schwingungen des Ventils 100 sind X1, Y1 und Z1, und die Werte des zweiten Beschleunigungssensors 14a sind X2, Y2 und Z2. Dann werden genauer die Werte X1 / X2, Y1 / Y2 und Z1 / Z2, bei denen es sich um Übertragungsfunktionen handelt, als Schwingungsdaten für die Zustandsdiagnose (Bestimmung) verwendet, um Änderungen der Umgebungsschwingungen auszugleichen.
(Berechnung des Schadensgrads (Schritt S04, Schritt S06))
Im in 2 gezeigten Verarbeitungsablauf der Bestimmung und Vorhersage des Zustands des Ventils werden daraufhin die Schritte der „Berechnung des Schadensgrads (Schadensindex: SI) mit Hilfe von Autoregressionskoeffizienten“ (Schritt S04) und der „Berechnung des Schadensgrads mit Hilfe von Kreuzvorhersagefehlern“ (Schritt S06) ausgeführt.
Im in 2 gezeigten Ablauf werden die Schritte S04 und S06 parallel ausgeführt. Der Schritt S06 kann jedoch auch nach dem Schritt S04 und vor dem Schritt S08 (unten beschrieben) ausgeführt werden, oder der Schritt S04 kann nach dem Schritt S06 und vor dem Schritt S08 ausgeführt werden.
4 ist ein Diagramm, das einen Ablauf von Verarbeitungsschritten für die Berechnung des Schadensgrads (Schadensindex: SI) mit Hilfe von Autoregressionskoeffizienten sowie Details von Schritt S04 des in 2 gezeigten Verarbeitungsablaufs zeigt. Ähnlich ist 5 ist ein Diagramm, das einen Ablauf von Verarbeitungsschritten für die Berechnung des Schadensgrads (Schadensindex: SI) mit Hilfe von Kreuzvorhersagefehlern sowie Details von Schritt S06 des in 2 gezeigten Verarbeitungsablaufs zeigt.
Zunächst wird in dem in 4 gezeigten Ablaufdiagramm, wie in der Zeichnung gezeigt, der Verarbeitungsablauf in zwei Abläufe unterteilt - die Verarbeitung während der Referenzdatenerfassung und die Verarbeitung während der Diagnose (ausgenommen die Referenzdatenerfassung). Das heißt, in dem in 4 gezeigten Ablaufdiagramm wird der Ablauf auf der linken Seite bei der Verarbeitung während der Referenzdatenerfassung und der Ablauf auf der rechten Seite bei der Verarbeitung während der Diagnose ausgeführt. Hierbei werden die Referenzdaten, d. h. die Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erfasst, wenn der Zustand des Ventils in der Anfangsphase des Betriebs des Ventils einwandfrei ist. Daher entspricht die Zeit der Referenzdatenerfassung einem Zeitpunkt in der Anfangsphase des Betriebs des Ventils.
Es ist anzumerken, dass die Verarbeitung während der Referenzdatenerfassung, da diese normalerweise durchgeführt wird, um ein autoregressives Modell während der Referenzdatenerfassung (unten beschrieben), einen Schadensindex (SI_BASIS) während der Referenzdatenerfassung und einen Autovorhersagefehler (AutoVF) zu erfassen und zu bestimmen, nur mindestens einmal durchgeführt werden muss.
Der Verarbeitungsablauf wird in zwei Abläufe - einen Ablauf während der Referenzdatenerfassung und einen Ablauf während der Diagnose (den Ablauf während der Referenzdatenerfassung ausgenommen) - unterteilt, und ein Ablauf auf der linken Seite wird bei der Verarbeitung während der Referenzdatenerfassung ausgeführt und ein Ablauf auf der rechten Seite wird bei der Verarbeitung während der Diagnose ausgeführt. Das Gleiche gilt auch für das in 5 gezeigte Ablaufdiagramm der Verarbeitungsschritte der Berechnung des Schadensgrads mit Hilfe der Kreuzvorhersagefehler.
In dem in 4 gezeigten Ablaufdiagramm wird während der Referenzdatenerfassung zunächst ein AR-Modell (autoregressives Modell) auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt (Schritt S20). Die Erstellung des wohl bekannten AR-Modells (autoregressiven Modells) geschieht anhand der folgenden Gleichung. $[Y_{j}] = \sum_{i = 1}^{k} (a_{i} Y_{j - i}) + e_{j}$
wobei k die „Ordnung“ ist. Das heißt, um ein autoregressives Modell zu erstellen, ist es notwendig, die Ordnung „k“ des Autoregressionskoeffizienten zu bestimmen. Daher wird in der vorliegenden Erfindung ein wohl bekanntes Verfahren auf Grundlage von Akaike's Informationskriterium (AIK) verwendet. Ein autoregressives Modell wird auf Grundlage der anhand des AIK berechneten Ordnung erstellt.
Beispielsweise wird die Ordnung wie folgt bestimmt. Die Messdaten (Schwingungsdaten) und ein Zahlenwert von Kandidaten für die zu berechnende „Ordnung“ werden in die Berechnungsfunktion für AIK, die in wohl bekannter numerischer Berechnungssoftware enthalten ist, eingegeben, woraufhin die Berechnungsfunktion für AIK einen numerischen Wert ausgibt. Dieser Vorgang wird wiederholt ausgeführt, während der Zahlenwert der Kandidaten für die „Ordnung“ geändert wird, und wenn unter der endlichen Anzahl von Kandidaten für die „Ordnung“ der von der Berechnungsfunktion für AIK ausgegebene numerische Wert minimal ist, wird der entsprechende Zahlenwert der Kandidaten für die „Ordnung“ als die Ordnung für die Erstellung des AR-Modells eingestellt. Der Bereich der Zahlenwerte unter der endlichen Anzahl der Kandidaten für die „Ordnung“ reicht beispielsweise von 20 bis 400 und dergleichen.
Weiterhin werden die Messdaten (Schwingungsdaten) und die durch die oben beschriebene Berechnungsfunktion für AIK erhaltene Ordnung in eine wohl bekannte Berechnungsfunktion für autoregressive Modelle eingegeben, und ein autoregressives Modell wird erstellt.
In dem in 4 gezeigten Ablaufdiagramm wird während der Referenzdatenerfassung daraufhin der Schadensindex aus den Autoregressionskoeffizienten auf Grundlage der Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, berechnet (Schritt S22). Der Schadensindex ist wie folgt definiert. $D I = \frac{a_{1}}{\sqrt{a_{1}^{2} + a_{2}^{2} + \dots + a_{n}^{2}}}$
wobei n eine natürliche Zahl ist, deren Wert geeignet bestimmt wird.
Der Autoregressionskoeffizient des auf Grundlage der Messdaten (Schwingungsdaten) erstellten autoregressiven Modells beinhaltet Informationen einer Ventilstruktur. Wie oben beschrieben, ist der Schadensindex als ein Index für die Prüfung des Änderungszustands in dem Autoregressionskoeffizienten, d. h. des Schadenszustands des Ventils, definiert.
Der berechnete SI (Schadensindex) wird während der Referenzdatenerfassung als Schadensindex „SI_BASIS“ in der Datenspeichereinheit 10 gespeichert. Es ist anzumerken, dass Schritt S40 bei der Verarbeitung während der Referenzdatenerfassung nicht ausgeführt wird.
Weiterhin wird in dem in 4 gezeigten Ablaufdiagramm während der Diagnose ein AR-Modell (autoregressives Modell) auf Grundlage der Schwingungsdaten während der Diagnose erstellt (Schritt S30). Obwohl ein Unterschied dahingehend besteht, ob das Verfahren zur Erstellung des AR-Modells (autoregressiven Modells) auf den Schwingungsdaten während der Diagnose oder auf den als Referenz dienenden Schwingungsdaten während der Referenzdatenerfassung basiert, ist das eigentliche Verfahren zur Erstellung des AR-Modells (autoregressiven Modells) das gleiche wie das Verfahren zur Erstellung des AR-Modells (autoregressiven Modells) während der Referenzdatenerfassung (Schritt S20).
Weiterhin wird in dem in 4 gezeigten Ablaufdiagramm während der Diagnose daraufhin der Schadensindex aus den Autoregressionskoeffizienten auf Grundlage der Schwingungsdaten während der Diagnose berechnet (Schritt S32). Obwohl ein Unterschied dahingehend besteht, ob die Berechnung des Schadensindex auf den Autoregressionskoeffizienten auf Grundlage der Schwingungsdaten während der Diagnose oder den Autoregressionskoeffizienten auf Grundlage der als Referenz dienenden Schwingungsdaten während der Referenzdatenerfassung basiert, ist die eigentliche Berechnung des Schadensindex die gleiche wie die Berechnung des Schadensindex während der Referenzdatenerfassung (Schritt S22).
Weiterhin wird in dem in 4 gezeigten Ablaufdiagramm während der Diagnose die Änderungsrate des Schadensindex (SI) berechnet (Schritt S40). Die Änderungsrate des Schadensindex (SI) ist wie folgt definiert. $| 1 - \frac{D I_{T E S T}}{D I_{B A S E}} |$
wobei „SI_BASIS“ ein Schadensindex während der Referenzdatenerfassung (in der Datenspeichereinheit 10 gespeichert) und „SI_TEST“ ein Schadensindex während der Diagnose ist.
Der auf Grundlage der Schwingungsdaten erstellte Autoregressionskoeffizient drückt die Schwingungseigenschaften des Ventils als eine Struktur aus. Mit Schwingungseigenschaften sind Informationen wie die Eigenfrequenz und Dämpfungskonstante gemeint. Wenn daher in dem Ventil Festsitzen oder dergleichen auftritt, folgt eine Änderung in der Struktur und eine Differenz in dem Autoregressionskoeffizienten gegenüber dem Referenzzeitpunkt (während der Referenzdatenerfassung) tritt auf. Daher ist es möglich, die Zustandsänderung des Ventils durch Verwendung und Vergleich der Koeffizienten, die diese Eigenschaften beinhalten, zu erkennen. Die zu erkennende Änderungsrate (Differenz) wird als die Änderungsrate des Schadensindex (SI) berechnet.
Daraufhin wird in dem in 5 gezeigten Ablaufdiagramm, wie oben beschrieben, der Verarbeitungsablauf ebenfalls in zwei Abläufe - einen Ablauf während der Referenzdatenerfassung und einen Ablauf während der Diagnose (den Ablauf während der Referenzdatenerfassung ausgenommen) - unterteilt.
In dem in 5 gezeigten Ablaufdiagramm wird während der Referenzdatenerfassung zunächst ein AR-Modell (autoregressives Modell) auf Grundlage der Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt (Schritt S50). Das Verfahren zur Erstellung des AR-Modells (autoregressiven Modells) ist hierbei das gleiche wie das Verfahren zur Erstellung des AR-Modells (autoregressiven Modells) in Schritt S20 des in 4 gezeigten Ablaufdiagramms.
In dem in 5 gezeigten Ablaufdiagramm werden während der Referenzdatenerfassung daraufhin die Schwingungsdaten, die als Referenz dienen (Wellenformdaten), in das autoregressive Modell, das auf Grundlage der Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wurde, eingegeben, und vorhergesagte Wellenformdaten von Schwingungen, die auf dem autoregressiven Modell während der Referenzdatenerfassung basieren, werden berechnet. Weiterhin wird ein quadratisches Mittel (root mean square) der Differenz zwischen den Schwingungsdaten, die als Referenz dienen (Wellenformdaten), und den vorhergesagten Wellenformdaten der Schwingungen, die auf dem autoregressiven Modell während der Referenzdatenerfassung basieren, berechnet (Schritt S52). Das quadratische Mittel wird hierin als „Autovorhersagefehler (AutoVF (Vorhersagefehler))“ bezeichnet.
Selbst wenn die als Referenz dienenden Schwingungsdaten während der Referenzdatenerfassung in das autoregressive Modell, das auf Grundlage der Schwingungsdaten während der Referenzdatenerfassung erstellt wurde, eingegeben werden, enthalten die vorhergesagte Wellenformdaten einen Fehler, da das autoregressive Modell ein annähernder Ausdruck ist. Der AutoVF ist eine numerische Repräsentation des Fehlers.
Der berechnete AutoVF (Autovorhersagefehler) wird in der Datenspeichereinheit 10 gespeichert. Es ist anzumerken, dass Schritt S70 bei der Verarbeitung während der Referenzdatenerfassung nicht ausgeführt wird.
Weiterhin besteht während der Diagnose in dem in 5 gezeigten Ablaufdiagramm keine Möglichkeit der Erstellung eines autoregressiven Modells auf Grundlage der Schwingungsdaten während der Diagnose. Während der Diagnose werden Schwingungsdaten (Wellenformdaten) während der Diagnose in das in Schritt S50 auf Grundlage der Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellte autoregressive Modell eingegeben, und die vorhergesagten Wellenformdaten der Schwingungen während der Diagnose werden auf Grundlage des autoregressiven Modells während der Referenzdatenerfassung berechnet. Weiterhin wird ein quadratisches Mittel der Differenz zwischen den Schwingungsdaten während der Diagnose (Wellenformdaten) und den vorhergesagten Wellenformdaten der Schwingungen während der Diagnose auf Grundlage des autoregressiven Modells während der Referenzdatenerfassung berechnet (Schritt S62). Das quadratische Mittel wird hierin als „Kreuzvorhersagefehler (KreuzVF (Vorhersagefehler))“ bezeichnet.
Da das autoregressive Modell Informationen einer Struktur (Ventil) beinhaltet, vergrößert die Eingabe der Schwingungsdaten während der Diagnose in das autoregressive Modell während der Referenzdatenerfassung den Fehler (KreuzVF) gegenüber dem Fehler während der Referenzdatenerfassung, wenn der Zustand der Struktur (Ventil) während der Diagnose geändert wird. In dem in 5 gezeigten Ablaufdiagramm wird während der Diagnose daraufhin die Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers berechnet (Schritt S70). Die Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers ist wie folgt definiert. $| 1 - \frac{C r o s s P E}{A u t o P E} |$
(Ausführung der umfassenden Bestimmung (Bestimmung des einwandfreien Zustands) (Schritt S08))
In dem in 2 gezeigten Verarbeitungsablauf der Bestimmung und Vorhersage des Zustands des Ventils wird daraufhin der Schritt der „Ausführung der umfassenden Bestimmung (Bestimmung des einwandfreien Zustands)“ (Schritt S08) ausgeführt.
Es ist anzumerken, dass bei der Verarbeitung während der Referenzdatenerfassung die folgende „Ausführung der umfassenden Bestimmung (Bestimmung des einwandfreien Zustands)“ (Schritt S08) und die „Vorhersage der Zustandsverschlechterung“ (Schritt S10) nicht ausgeführt werden. Dies liegt daran, dass die Verarbeitung während der Referenzdatenerfassung die Aufgabe hat, das autoregressive Modell während der Referenzdatenerfassung zu erstellen sowie den Schadensindex (SI_BASIS) und den Autovorhersagefehler (AutoVF) während der Referenzdatenerfassung zu erfassen und festzulegen.
Die Änderungsrate des Schadensindex (SI) und die Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers werden in einem Zustandsdiagnoseschema aufgetragen, wie in 6 gezeigt. In dem Zustandsdiagnoseschema ist auf der Y-Achse die Änderungsrate des SI und auf der X-Achse die Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers aufgetragen. Wie in 6 gezeigt, ist das Zustandsdiagnoseschema in neun Bereiche unterteilt, und ein konkreter Schwellenwert ist jeder der Grenzen der Bereiche zugeordnet (siehe 7 und 9).
Das heißt, die Änderungsrate des SI auf der Y-Achse ist in den „Bereich eines einwandfreien Zustands“, „Warnbereich“ und „Festsitzbereich“ unterteilt, wie in 7 gezeigt. Der „Bereich eines einwandfreien Zustands“ und der „Warnbereich“ der Änderungsrate des SI werden dabei durch den Schadensschwellenwert 1 abgegrenzt und der „Warnbereich“ und der „Festsitzbereich“ der Änderungsrate des SI werden durch den Schadensschwellenwert 2 abgegrenzt. In ähnlicher Weise und wie in 7 gezeigt, wird die Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers auf der X-Achse in den „Bereich eines einwandfreien Zustands“, „Warnbereich“ und „Festsitzbereich“ unterteilt. Der „Bereich eines einwandfreien Zustands“ und „Warnbereich“ der Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers werden durch den Schadensschwellenwert 3 abgegrenzt und der „Warnbereich“ und der „Festsitzbereich“ der Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers werden durch den Schadensschwellenwert 4 abgegrenzt. Die Bestimmung konkreter Werte für die Schadensschwellenwerte 1 bis 4 ist unten beschrieben.
Wie in 6 gezeigt, sind die neun Bereiche des Zustandsdiagnoseschemas weiterhin als ein „Bereich eines einwandfreien Zustands“, (zwei) „Bereiche einer leichten Warnung“, ein „Warnbereich“ (zwei) „Bereiche leichten Festsitzens“, (zwei) „Festsitzbereiche“ und ein „Bereich starken Festsitzens“ entsprechend dem Bereich der Änderungsrate des SI auf der Y-Achse und dem Bereich der Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers auf der X-Achse klassifiziert.
Wenn irgendeiner der Indices in dem in 6 gezeigten Zustandsdiagnoseschema den „Bereich eines einwandfreien Zustands“ verlässt, ist möglicherweise Festsitzen aufgetreten, sodass der Zustand als im „Bereich einer leichten Warnung“ bestimmt wird. Sind beide Indices im jeweiligen Warnbereich, wird der Zustand als im „Warnbereich“ bestimmt. Ist ein Index im Bereich eines einwandfreien Zustands und der andere Index ist im Festsitzbereich, wird der Zustand als im „Bereich leichten Festsitzens“ bestimmt. Wenn ein Index im Warnbereich und der andere Index im Festsitzbereich ist, wird der Zustand als im „Festsitzbereich“ bestimmt. Wenn beide Indices im Festsitzbereich sind, wird der Zustand als im „Bereich starken Festsitzens“ bestimmt.
In dem Zustandsdiagnoseschema, das wie oben beschrieben aufgebaut ist, wird in Abhängigkeit von dem Bereich, in dem sich die Änderungsrate des Schadensindex (SI) und die Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers befinden, bestimmt, ob sich der Zustand des Ventils im „Bereich eines einwandfreien Zustands“, „Bereich einer leichten Warnung“, „Warnbereich“, „Bereich leichten Festsitzens“, „Festsitzbereich“ oder „Bereich starken Festsitzens“ befindet.
Es ist anzumerken, dass die Unterteilung der Änderungsrate des SI auf der Y-Achse und die Unterteilung der Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers auf der X-Achse nicht auf die oben beschriebenen Unterteilungen beschränkt sind. Jede der Änderungsraten kann in mehr (oder weniger) Abschnitte unterteilt werden. Daher ist auch die Unterteilung in die Bereiche des Zustandsdiagnoseschemas nicht auf die oben beschriebene Unterteilung beschränkt. Das Zustandsdiagnoseschema kann in mehr (oder weniger) Bereiche unterteilt werden.
Die Schadensschwellenwerte 1 bis 4 in dem Zustandsdiagnoseschema können durch verschiedene Berechnungsmethoden bestimmt werden. Im Folgenden ist ein Beispiel einer Berechnungsmethode zur experimentellen Bestimmung der Schadensschwellenwerte und ein Beispiel einer Berechnungsmethode zur statistischen Bestimmung der Schadensschwellenwerte beschrieben.
(Beispiel einer Berechnungsmethode zur experimentellen Bestimmung der Schadensschwellenwerte)
Wenn das Ventil eine Absperrklappe mit einem Sitzring aus Gummi ist, wird bei diesem Ventil während des Zustands, in welchem das Drehmoment zum Öffnen und Schließen 10 Nm beträgt, der Wert der zu erfassenden Änderungsrate des SI als „Schadensschwellenwert 1“ eingestellt und der Wert der zu erfassenden Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers als „Schadensschwellenwert 3“ eingestellt. Der Grund für die Verwendung des Werts während des Zustands, in welchem das Drehmoment zum Öffnen und Schließen des Ventils 10 Nm beträgt, ist die Tatsache, dass 10 Nm ungefähr der untere Grenzwert ist, bei dem Menschen ein Festsitzen feststellen können. In einem tatsächlich durchgeführten Experiment war der „Schadensschwellenwert 1“ 0,25 und der „Schadensschwellenwert 3“ war 0,33.
Weiterhin wird bei diesem Ventil während des Zustands, in welchem das Drehmoment zum Öffnen und Schließen 50 Nm beträgt, der Wert der zu erfassenden Änderungsrate des SI als „Schadensschwellenwert 2“ eingestellt und der Wert der zu erfassenden Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers als „Schadensschwellenwert 4“ eingestellt. Der Grund für die Verwendung des Werts während des Zustands, in welchem das Drehmoment zum Öffnen und Schließen des Ventils 50 Nm beträgt, ist die Tatsache, dass 50 Nm ein Wert ist, bei dem ein Widerstand aufgrund des Festsitzens des Ventils beim Öffnen und Schließen mit menschlicher Kraft deutlich gespürt wird. In einem tatsächlich durchgeführten Experiment war der „Schadensschwellenwert 2“ 0,35 und der „Schadensschwellenwert 4“ war 0,65.
(Beispiel einer Berechnungsmethode zur statistischen Bestimmung der Schadensschwellenwerte)
Bei der Berechnungsmethode zur experimentellen Bestimmung der Schadensschwellenwerte ist die Berechnungsmethode manchmal nicht realistisch, da es notwendig ist, Experimente für jede Art von Ventil durchzuführen und die Schwellenwerte einzeln zu bestimmen. Um daher die Schadensschwellenwerte automatisch einzustellen, wird während der Referenzdatenerfassung eine Vielzahl von Messungen durchgeführt und eine Standardabweichung (σ) auf Grundlage einer Vielzahl von Werten der Änderungsrate des SI und von Werten der Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers ermittelt; dann werden Werte, die durch Addition von 1σzu den Durchschnittswerten der Änderungsraten erhalten werden, als Schadensschwellenwert 1 und Schadensschwellenwert 3 eingestellt, und Werte, die durch Addition von 2σzu den Durchschnittswerten der Änderungsraten erhalten werden, als Schadensschwellenwert 2 und Schadensschwellenwert 4 eingestellt.
[Bestimmungsformel]
$\begin{array}{l} Schadensschwellenwert 1 und Schadensschwellenwert 3 = \\ Durchschnittswert + Standardabweichung \end{array}$
$\begin{array}{l} Schadensschwellenwert 2 und Schadensschwellenwert 4 = \\ Durchschnittswert + 2 \times Standardabweichung \end{array}$

Tabelle 1 unten zeigt ein Beispiel der Bestimmung der Schadensschwellenwerte. W0-1 bis W0-30 stehen für eine Vielzahl von Messergebnissen während der Referenzdatenerfassung. Das heißt, im tatsächlichen Betriebszustand, in dem das Ventil verwendet wird, wird die Standardabweichung über 30 Messungen während der Referenzdatenerfassung ermittelt, und der Schadensschwellenwert wird berechnet. [Tabelle 1]

	W0-1	W0-2	·	W0-30	Durchschnittswe rt	Standardabweichu ng	1σ	2σ
Änderungsrate des SI	0,16 6	0,06 6	· · ·	0,06 6	0,146	0,075	0,07 5	0,15 0
Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehl	0, 33 1	0, 43 1	·	0,23 1	0,338	0,108	0,10 8	0,21 6
ers			·

Aus der Tabelle 1 oben ergibt sich:

Schadensschwellenwert 1 = 0,221,
Schadensschwellenwert 3 = 0,446,
Schadensschwellenwert 2 = 0,296 und
Schadensschwellenwert 4 = 0,553.

(Vorhersage der Zustandsverschlechterung (Schritt S10))
In dem in 2 gezeigten Verarbeitungsablauf der Bestimmung und Vorhersage des Zustands des Ventils wird daraufhin der Schritt der „Vorhersage der Zustandsverschlechterung“ (Schritt S10) ausgeführt.
Durch Fortführung der Messung wie oben beschrieben werden der Wert der Änderungsrate des SI und der Wert der Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers, die den Zustand des Ventils ausdrücken, akkumuliert. In Schritt S10 wird die Übergangszeit zwischen jedem Bereich des Zustandsdiagnoseschemas anhand des Trends dieser Werte vorhergesagt.
Das heißt, annähernde Ausdrücke werden für die periodisch gemessenen und berechneten Werte der Änderungsrate des SI und der Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers entwickelt. 8A ist ein Diagramm, das ein Übergangsbeispiel für den Wert der Änderungsrate des SI von der 0. Woche (W0) über die 1. Woche (W1) bis zur 18. Woche (W18) zeigt, und 8B ist ein Diagramm, das ein Übergangsbeispiel für den Wert der Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers von der 0. Woche (W0) über die 1. Woche (W1) bis zur 18. Woche (W18) zeigt. Für den Übergang (Beispiel) in 8A und 8B werden annähernde Ausdrücke ermittelt. Als einen annähernden Ausdruck werden hierbei im Voraus eine lineare Annäherung, eine exponentielle Annäherung, eine polynomiale Annäherung, ein gleitender Durchschnitt und dergleichen vorbereitet. Die Messergebnisse (Änderungsrate des SI und Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers) werden in diese annähernden Ausdrücke eingegeben, um entsprechende Korrelationskoeffizienten R² zwischen dem annähernden Ausdruck und dem tatsächlichen Messwert zu berechnen. Schließlich werden die annähernden Ausdrücke mit der besten Übereinstimmung (das heißt mit maximalen numerischen Werten der Korrelationskoeffizienten) ausgewählt. Mit dem auf diese Weise entwickelten annähernden Ausdruck ist es möglich, die Zeit vorherzusagen, wann die Änderungsrate des SI und die Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers vom „Bereich eines einwandfreien Zustands“ in den „Warnbereich“ und den „Festsitzbereich“ eintreten.
9 ist ein Zustandsdiagnoseschema, in dem Beispiele von periodischen Diagnoseergebnissen für ein Ventil eingetragen sind. In 9 sind die Diagnoseergebnisse von der 0. Woche (W0) über die 1. Woche (W1) bis zur 30. Woche (W30) aufgetragen. In diesem Fall werden ein annähernder Ausdruck, der am besten den Übergang der Änderungsrate des SI darstellt, und ein annähernder Ausdruck, der am besten den Übergang der Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers darstellt, ermittelt, und anhand dieser beiden annähernden Ausdrücke ist es möglich, den Wert der Änderungsrate des SI und den Wert der Änderungsrate des Kreuzvorhersagefehlers vorherzusagen und die Position in dem Zustandsdiagnoseschema zu einem künftigen Zeitpunkt einzutragen (d. h. in und nach der 31. Woche) .
Durch Ermittlung der Zeit, wann der Zustand des Ventils sich ändern kann, können die Benutzer der Ventildiagnosevorrichtung 2 und des Datensammlungs- und Diagnose-Cloud-Systems 22 somit konkrete Maßnahmen wie die Durchführung einer Wartung und dergleichen vor dem Eintreten der Zustandsänderung und die Aufnahme des Ventils in die Liste der Ventile, bei denen zum Zeitpunkt der regelmäßigen Inspektion eine Wartung durchgeführt werden sollte, ergreifen.
(Zusammenfassung)
Die Ventildiagnosevorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform umfasst einen AR-Signalempfänger 6 zum Empfangen eines Schwingungssignals von dem Beschleunigungssensor 14, um Schwingungsdaten auszugeben, und eine Signalverarbeitungseinheit 4. Die Signalverarbeitungseinheit 4 führt die folgenden Schritte aus:

(a) Berechnen eines Werts einer ersten Änderungsrate - in Bezug auf einen vorbestimmten Schadensindex während der Referenzdatenerfassung, der auf Grundlage eines autoregressiven Modells berechnet wird, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird -, des vorbestimmten Schadensindex während der Diagnose, der auf Grundlage eines autoregressiven Modells berechnet wird, das auf Grundlage von Schwingungsdaten während der Diagnose erstellt wird;
(b) Berechnen eines Werts einer zweiten Änderungsrate - in Bezug auf einen quadratischen Mittelwert, der aus einer Differenz zwischen vorhergesagten Wellenformdaten von Schwingungen auf Grundlage eines autoregressiven Modells während der Referenzdatenerfassung, die durch Eingabe und Berechnung von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, in ein autoregressives Modell, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird, erhalten werden, und Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, berechnet wird - eines quadratischen Mittelwerts, der aus einer Differenz zwischen vorhergesagten Wellenformdaten von Schwingungen während der Diagnose auf Grundlage eines autoregressiven Modells während der Referenzdatenerfassung, die durch Eingabe und Berechnung von Schwingungsdaten während der Diagnose in das autoregressive Modell, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird, erhalten werden, und Schwingungsdaten während der Diagnose berechnet wird;
(c) Anordnen eines Eintrags eines Diagnoseergebnisses auf Grundlage eines Werts einer ersten Änderungsrate, die berechnet wird, und eines Werts einer zweiten Änderungsrate, die berechnet wird, in einer Ebene, in der eine erste Achse und eine zweite Achse orthogonal zueinander sind, wobei eine Variable auf der ersten Achse die erste Änderungsrate und eine Variable auf der zweiten Achse die zweite Änderungsrate darstellt; und
(d) Bestimmen eines Zustands eines zu diagnostizierenden Ventils auf Grundlage eines Werts der ersten Änderungsrate, die berechnet wird, eines Werts der zweiten Änderungsrate, die berechnet wird, und einer Anordnungsposition in der Ebene eines Eintrags des Diagnoseergebnisses.

Mit Hilfe der Diagnosevorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform kann die Zustandsänderung des Ventils mit einem einfachen Aufbau adäquat vorhergesagt und diagnostiziert werden. Somit kann weiterhin ein Manager oder ein Bediener des Ventils die vor Auftreten eines Fehlers notwendigen Maßnahmen gemäß dem Zustand des Ventils in geeigneter Weise auswählen und bestimmen.
[Andere Ausführungsformen]
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene erste Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise können in dem Zustandsdiagnoseschema drei oder mehr Schadensschwellenwerte auf der X-Achse und der Y-Achse festgelegt werden, oder nur ein Schadensschwellenwert kann festgelegt werden.
Darüber hinaus kann die Ventildiagnosevorrichtung beispielsweise einen annähernden Ausdruck auf Grundlage einer Vielzahl von Einträgen in dem Zustandsdiagnoseschema ermitteln, um den Zustand des Ventils vorherzusagen.
Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung nicht nur für Ventile verwendet werden, sondern auch für die Wartung von Anlagen, Wartung von Fabriken und die Zustandsdiagnose von Einrichtungen.
Bezugszeichenliste

2: Ventildiagnosevorrichtung
4: Signalverarbeitungseinheit
14: Beschleunigungssensor
22: Datensammlungs- und Diagnose-Cloud-System
100: Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP S6128968 [0009]

Claims

Ventildiagnoseverfahren, umfassend die folgenden Schritte: Berechnen eines Werts einer ersten Änderungsrate - in Bezug auf einen vorbestimmten Schadensindex während der Referenzdatenerfassung, der auf Grundlage eines autoregressiven Modells berechnet wird, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird -, des vorbestimmten Schadensindex während der Diagnose, der auf Grundlage eines autoregressiven Modells berechnet wird, das auf Grundlage von Schwingungsdaten während der Diagnose erstellt wird; Berechnen eines Werts einer zweiten Änderungsrate - in Bezug auf einen quadratischen Mittelwert, der aus einer Differenz zwischen vorhergesagten Wellenformdaten von Schwingungen auf Grundlage eines autoregressiven Modells während der Referenzdatenerfassung, die durch Eingabe und Berechnung von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, in ein autoregressives Modell, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird, erhalten werden, und Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, berechnet wird - eines quadratischen Mittelwerts, der aus einer Differenz zwischen vorhergesagten Wellenformdaten von Schwingungen während der Diagnose auf Grundlage eines autoregressiven Modells während der Referenzdatenerfassung, die durch Eingabe und Berechnung von Schwingungsdaten während der Diagnose in das autoregressive Modell, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird, erhalten werden, und Schwingungsdaten während der Diagnose berechnet wird; Anordnen eines Eintrags eines Diagnoseergebnisses auf Grundlage eines Werts einer ersten Änderungsrate, die berechnet wird, und eines Werts einer zweiten Änderungsrate, die berechnet wird, in einer Ebene, in der eine erste Achse und eine zweite Achse orthogonal zueinander sind, wobei eine Variable auf der ersten Achse die erste Änderungsrate und eine Variable auf der zweiten Achse die zweite Änderungsrate darstellt; und Bestimmen eines Zustands eines zu diagnostizierenden Ventils auf Grundlage eines Werts der ersten Änderungsrate, die berechnet wird, eines Werts der zweiten Änderungsrate, die berechnet wird, und einer Anordnungsposition in der Ebene eines Eintrags des Diagnoseergebnisses.
Ventildiagnoseverfahren nach Anspruch 1, wobei der Bestimmungsschritt das Bestimmen eines Zustands eines zu diagnostizierenden Ventils auf Grundlage eines Werts der ersten Änderungsrate, die berechnet wird, eines Werts der zweiten Änderungsrate, die berechnet wird, und einer Anordnungsposition eines Eintrags des Diagnoseergebnisses auf Grundlage mindestens eines ersten Schwellenwerts, der eine erste Änderungsrate betrifft, und mindestens eines zweiten Schwellenwerts, der eine zweite Änderungsrate betrifft, umfasst.
Ventildiagnoseverfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Schwellenwert und der zweite Schwellenwert auf Grundlage von Daten, die durch ein Experiment an einem Ventil gewonnen werden, bestimmt werden.
Ventildiagnoseverfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Schwellenwert und der zweite Schwellenwert auf Grundlage von Daten, die durch statistische Verarbeitung einer Vielzahl von Schwingungsdatensätzen zu einem Ventil gewonnen werden, bestimmt werden.
Ventildiagnoseverfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend die folgenden Schritte: Erstellen eines ersten annähernden Ausdrucks, der einen Übergang einer ersten Änderungsrate angibt, auf Grundlage einer Vielzahl von Werten der ersten Änderungsrate, Erstellen eines zweiten annähernden Ausdrucks, der einen Übergang einer zweiten Änderungsrate angibt, auf Grundlage einer Vielzahl von Werten der zweiten Änderungsrate, und Vorhersagen eines Zustands eines zu diagnostizierenden Ventils auf Grundlage eines ersten vorhergesagten Werts, der anhand des ersten annähernden Ausdrucks berechnet wird, eines zweiten vorhergesagten Werts, der anhand des zweiten annähernden Ausdrucks berechnet wird, und einer Anordnungsposition eines vorhergesagten Eintrags in der Ebene auf Grundlage des ersten vorhergesagten Werts und des zweiten vorhergesagten Werts.
Ventildiagnosevorrichtung, umfassend: einen Signalempfänger, der ausgelegt ist, ein Schwingungssignal zu empfangen, um Schwingungsdaten auszugeben; und eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgelegt ist, die folgenden Schritte auszuführen: Berechnen eines Werts einer ersten Änderungsrate - in Bezug auf einen vorbestimmten Schadensindex während der Referenzdatenerfassung, der auf Grundlage eines autoregressiven Modells berechnet wird, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird -, des vorbestimmten Schadensindex während der Diagnose, der auf Grundlage eines autoregressiven Modells berechnet wird, das auf Grundlage von Schwingungsdaten während der Diagnose erstellt wird; Berechnen eines Werts einer zweiten Änderungsrate - in Bezug auf einen quadratischen Mittelwert, der aus einer Differenz zwischen vorhergesagten Wellenformdaten von Schwingungen auf Grundlage eines autoregressiven Modells während der Referenzdatenerfassung, die durch Eingabe und Berechnung von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, in ein autoregressives Modell, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird, erhalten werden, und Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, berechnet wird - eines quadratischen Mittelwerts, der aus einer Differenz zwischen vorhergesagten Wellenformdaten von Schwingungen während der Diagnose auf Grundlage eines autoregressiven Modells während der Referenzdatenerfassung, die durch Eingabe und Berechnung von Schwingungsdaten während der Diagnose in das autoregressive Modell, das auf Grundlage von Schwingungsdaten, die als Referenz dienen, erstellt wird, erhalten werden, und Schwingungsdaten während der Diagnose berechnet wird; Anordnen eines Eintrags eines Diagnoseergebnisses auf Grundlage eines Werts einer ersten Änderungsrate, die berechnet wird, und eines Werts einer zweiten Änderungsrate, die berechnet wird, in einer Ebene, in der eine erste Achse und eine zweite Achse orthogonal zueinander sind, wobei eine Variable auf der ersten Achse die erste Änderungsrate und eine Variable auf der zweiten Achse die zweite Änderungsrate darstellt; und Bestimmen eines Zustands eines zu diagnostizierenden Ventils auf Grundlage eines Werts der ersten Änderungsrate, die berechnet wird, eines Werts der zweiten Änderungsrate, die berechnet wird, und einer Anordnungsposition in der Ebene eines Eintrags des Diagnoseergebnisses.