DE19545008A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von Maschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von periodisch arbeitenden Maschinen zur Früherkennung von Maschinenveränderungen, wobei mittels eines Überwachungssensors maschinenspezi­ fische Meßsignale erfaßt werden, die in einer Auswerte­ einheit mit einer Referenz verglichen werden.

Die Überwachung von Maschinen im Betrieb und die Erkennung eines Schadens, wie Abnutzung, Materialermüdung, Risse und dergleichen im frühen Stadium ist bekannt. Der Überwachung liegen maschinenspezifischen Meßgrößen zugrunde, die von einem Sensor geliefert werden. Meßgrößen können Beschleu­ nigungen, Dehnungen, Schwingungen, etc. sein, die beim Eintreten eines Schadens eine Änderung erfahren.

Aus der DE 38 12 474 ist eine Einrichtung der oben genannten Art zur Überwachung der Schuppenbildung an Wälz­ lagern bekannt, bei der ein Sensor zur Erfassung von akustischen Emissionen am Lager montiert ist. In einem Komparator werden die Meßsignale eines vorbestimmten Frequenzbereichs, der für Schäden der vorstehenden Art repräsentativ ist, mit entsprechenden Referenzwerten verglichen. Diese Einrichtung ist jedoch nur für den gesonderten Einsatz geeignet.

Für den Einsatz in unterschiedlichen Überwachungssystemen wird in der DE 32 45 505 ein Verfahren unter Verzicht auf eine Referenz vorgeschlagen. Hier werden Schallsignale im hochfrequenten bzw. im tieffrequenten Bereich mittels zwei entsprechend angeordneten Sensoren erfaßt und zu einer Größe verarbeitet, deren Anstieg zu überwachen ist. Aber auch dieses Verfahren hat begrenzte Einsatzmöglichkeiten. Gemäß der DE ist das Verfahren zur Überwachung von Wälz­ lagern, Getrieben und Turbinenanlagen vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das universell einsetzbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Hier wird beim Einsatz der Überwachungeinrichtung aus den vom Sensor gelieferten Meßsignalen eine Referenz ermit­ telt, die das Verhalten der zu überwachenden Maschine im Anfangs- bzw. Ausgangszustand darstellt. Damit wird eine maschinenbezogene Referenz verwendet, die unabhängig vom Typ der Maschine direkt aus den Meßsignalen ermittelbar ist, und zwar immer dann, wenn die Überwachungseinrichtung einen Einsatz an einer neuen Maschine beginnt. Damit findet das Verfahren eine universelle Einsatzmöglichkeit, wobei aufgrund der Kenntnis des Anfangsverhaltens der Maschine eine sensible Überwachung während des Betriebs möglich ist.

Das Verfahren ist vorzugsweise in zwei Arbeitsphasen aufgeteilt, nämlich in einen Ausgangsmodus für die Ermitt­ lung der Referenz und einen Überwachungsmodus für die eigentliche Überwachung. In dem Ausgangsmodus wird die z. B. das maschinenbezogene Schwingungsverhalten darstel­ lende Referenz ermittelt und gespeichert, die in dem an­ schließend einsetzenden Überwachungsmodus Verwendung fin­ det. Der Wechsel zwischen beiden Modi erfolgt vorzugsweise automatisch. Das den Einsatz des Ausgangsmodus auslösende Signal kann beispielsweise durch den Wechsel des Sensors von einer Maschine zu einer anderen hervorgerufen werden. Die Einleitung des Ausgangsmodus kann aber auch manuell durch Betätigung eines Schalters erfolgen, während der Übergang vom Ausgangsmodus zum Überwachungsmodus auto­ matisch erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit universell bei allen periodisch arbeitenden Maschinen einsetzbar und kann bei Bedarf von Maschine zu Maschine gewechselt werden, ohne Referenzwerte einspielen oder das Verhalten der Ma­ schine im Schadensfall durch Vorversuche ermitteln zu müssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß die Überwachung von mehreren Maschinen mit nur einem Überwachungsgerät durchgeführt werden kann. Es ist dabei möglich mehrere Maschinen gleichzeitig, d. h. im Parallel­ betrieb zu überwachen, indem jedem Überwachungssensor eine Meßstrecke zugeordnet wird. Werden die Maschinen abwech­ selnd betrieben, dann ist nur eine Meßstrecke erforder­ lich, die bei Bedarf dem Sensor der jeweilig zu betreiben­ den Maschine zugeschaltet wird.

In beiden Fällen werden die Referenzen mit den dazuge­ hörenden Einstellungen, wie z. B. die an die Maschine ange­ paßte Empfindlichkeit, die Maschinenzuordnung der jeweili­ gen Maschine abgespeichert, so daß sie im Überwachungs­ modus abrufbar zur Verfügung stehen.

Gemäß einer Maßnahme der Erfindung wird aus den vom Sensor gelieferten Zeitsignalen mittels Fouriertransformation für den Maschinenzyklus ein Frequenzspektrum erstellt und aus den Frequenzsignalen von mindestens zwei, vorzugsweise von mindestens zehn Frequenzspektren Mittelwerte der ein­ zelnen Frequenzordnungen errechnet, die die Grundlage des Verfahrens für die Überwachung bildet. Damit wird ein statistisch abgesichertes Ergebnis erreicht, mit dem der Einfluß zyklischer Schwankungen verringert wird.

Da die in der Technik vorkommenden Signale in der Regel Frequenzen enthalten, die nur bis zu einer oberen Grenze reichen, kann sich die Analyse auf eine endliche Anzahl von Ordnungen beschränken.

In den nach vorstehender Methode ermittelten Meßwerten sind außer den betriebsbedingten Informationen auch solche Informationen eingebunden, die aus betriebsbedingten in­ stabilen Zuständen, wie Lastschwankungen, hervorgerufen werden und die zu einem Signalrauschen führen. Damit bil­ det die Gesetzmäßigkeit des Maschinenbetriebs die Grund­ lage der Überwachung. Diese bietet eine sensible Methode zur rechtzeitigen Erkennung eines eintretenden Maschinen­ schadens oder einer Unregelmäßigkeit im Arbeitsprozeß der Maschine, indem eine Änderung des Verhaltens oder der Gesetzmäßigkeit der Maschine zur Deutung auf eine Verän­ derung der Maschine verwertet werden kann. Demzufolge ist mit Hilfe leicht anzubringender Sensoren ein zuverlässiges Verfahren zur Früherkennung von Maschinenschäden sowie zur Überwachung von Prozeß- oder Fertigungsabläufen geschaf­ fen, im letzteren fall, wenn eine Unregelmäßigkeit im Prozeßablablauf sich in einem geänderten Maschinenver­ halten dokumentiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem vom Benutzer ohne besondere Anleitung überall dort einsetzbar, wo periodisch arbeitende Maschinen einer Überwachung bedürfen. Die Ermittlung der Gesetzmäßigkeit ist nicht an Bedingungen geknüpft. Sie kann unter Anwendung einfacher Sensorik sowohl aus akustischen und anderen Signalen sowie aus der Drehzahl ermittelt werden.

Die Erfindung erstreckt sich auf ein Überwachungsgerät zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, das die Merkmale des Anspruchs 5 enthält.

Für den Einsatz des erfindungsgemäßen Überwachungsgeräts wird lediglich der Sensor an eine entsprechende Stelle der zu überwachenden Maschine angebracht, und das Über­ wachungsgerät ans Netz angeschlossen. Mit der Anbringung des Sensors sind keine besonderen Bedingungen verbunden. Ohne Vorkenntnis der Maschine kann mit dem Überwachungs­ gerät eine sensible Überwachung gestartet werden, indem das Gerät aus den ersten vom Sensor gelieferten Meßsig­ nalen eine im Überwachungsprozeß benötigte Referenz selbsttätig ermittelt. Damit ist das Gerät allgemein anwendbar, d. h. es ist nicht auf die Überwachung von spezifischen Schäden oder einer gesonderten Maschinen­ gruppe eingeschränkt.

Ein derartiges Gerät kann ohne weiteres zur Überwachung in Folge von unterschiedlichen Maschinen eingesetzt werden, indem es entweder lediglich umgesteckt oder mittels einer Multiplexschaltung umgeschaltet wird. Im letzten Fall können mehrere Maschinen abwechselnd überwacht werden.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestelltem Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Mit 10 ist eine periodisch arbeitende Maschine darge­ stellt, die sowohl eine Werkzeugmaschine als auch ein Verbrennungsmotor, Turbine oder jede andere periodisch arbeitende Maschine sein kann.

An einer geeigneten Stelle am Maschinengehäuse ist ein Überwachungssensor, kurz Sensor 11 genannt, angebracht, der ein Schall-Emissionssensor, Beschleunigungsaufnehmer, etc. sein kann. Zur Aufnahme der Maschinenzyklen ist ein Inkrementalgeber 12 vorgesehen, der im dargestellten Beispiel ein Drehzahlsensor ist, aber auch ein Winkel­ messer oder ein anderer periodischer Zyklengeber sein kann.

Der Sensor 11 und der Inkrementalgeber 12 sind jeweils über Signalleitungen 13 bzw. 14 mit einer Auswerteeinheit 15 verbunden, die mit einer Offsetkorrektur oder einer Signalanpassungsstufe 16, einem Signalverstärker 17, einem A/D-Wandler 18, einem Signalprozessor 19, einem Speicher 20 und einer Schnittstelle 21 für ein Ausgangsgerät, wie Stellglied, Computer 22 oder dergleichen, ausgestattet ist.

Wenn nur ein begrenztes Frequenzspektrum der Überwachung zugrundegelegt werden soll, kann in der Leitung 13 des Überwachungssensors 11 ein Analogfilter 23, z. B. Band- und/oder Hochpaßfilter, zwischengeschaltet werden.

Die Auswerteeinheit 15 ist für zwei Arbeitsphasen, nämlich einem Ausgangsmodus A und einem Überwachungsmodus ausge­ legt. Der Ausgangsmodus stellt sich bei einem Maschinen­ wechsel entweder automatisch, z. B. ausgelöst durch den Sensoren-Anschlußwechsel, oder durch Betätigung eines dafür vorgesehenen Schalters ein. Im Ausgangsmodus wird eine erste Serie von vom Sensor 11 gelieferten Meßsignalen zur Bildung einer Referenz verarbeitet, die das Ausgangs­ verhalten der Maschine darstellen soll und die im nachfol­ genden Überwachungsmodus mit den aktuellen Meßwerten verglichen wird.

Die Verarbeitung der vom Sensor gelieferten Meßsignale erfolgt im Ausgangs- und Überwachungsmodus A bzw. Ü nach denselben Kriterien. Die Kriterien lassen sich nach verschiedenen Methoden bestimmen.

Nachfolgend wird ein Beispiel zur Verarbeitung der Meß­ signale beschrieben, mit dem eine auf einen Maschinen­ schaden oder eine Prozeßunregelmäßigkeit hindeutende Veränderung des Schwingungs- oder Beschleunigungs­ verhaltens zuverlässig und früh erkannt werden kann.

Um die bei periodisch arbeitenden Maschinen auftretenden Störungen durch Drehungleichförmigkeiten zu vermeiden, ist die Frequenz der Datenerfassung auf die Rotationsfrequenz einer Maschinenwelle zu synchronisieren. Hierzu wird der Inkrementalgeber 12 genutzt.

Das vom Sensor 11 kommende Signal wird im A/D-Wandler 18 digitalisiert und im Speicher 20 abgespeichert und zu einem digitalen Datensatz 30 pro Maschinenzyklus zusammen­ gefaßt. Der Datensatz 30 wird vom Signalprozessor 19 abge­ rufen und mittels der Fourieranalyse in ein Frequenzspek­ trum 31 umgewandelt:

wobei A(k) die Amplitude der k-ten Ordnung der Spektral­ linien, N die Anzahl der Meßsignale und a(n) die Amplitude des n-ten Meßsignals ist. Die jeweilige Ordnung ist ein Vielfaches der Rotationsfrequenz. Die Analyse beschränkt sich auf eine endliche Anzahl von Ordnungen, da in der Praxis vorkommende Signale nur bis zu einer oberen Grenze Frequenzen enthalten.

Um zu einem statistisch abgesicherten Ergebnis zu kommen, werden in Folge mehrere Ordnungsanalysen erstellt und jede Ordnung oder Spektrallinie hinsichtlich deren Mittelwert und Abweichung in der Amplitudenhöhe bewertet.

Aus einer Serie von Frequenzspektren 31a-31m wird ein mittleres Spektrum 32 durch Ermittlung der Mittelwerte (k) der Amplituden A(k) jeder Frequenzordnung k nach

gebildet, wobei m die Mittelungstiefe ist.

Auf diese Weise werden die vom Sensor 11 gelieferten Meß­ signale über die gesamte Überwachungsdauer, d. h. sowohl im Ausgangs- als auch Überwachungsmodus A bzw. Ü verarbei­ tet. Jedes mittlere Spektrum 32 enthält sowohl betriebsbe­ dingte Signale als auch betriebsbedingte Unregelmäßigkei­ ten und stellt jeweils das aktuelle Verhalten der Maschine dar.

Um zu einen statistisch abgesicherten Ergebnis zu kommen, wird jede Ordnung bzw. Spektrallinie hinsichtlich Stan­ dardabweichung in der Amplitudenhöhe bewertet. Hierzu wird aus den Spektren 31a bis 31m und dem Mittelwert (k) Stan­ dardabweichungen S(k) für jede Spektrallinie nach folgen­ der Formel errechnet:

Die im Ausgangsmodus A errechnete Standardabweichung S(k) wird als Referenz-Standardabweichung S_R(k) der jeweiligen Frequenzordnung abgespeichert. Für eine Überwachung von mehreren Maschinen im Paralellbetrieb oder im Wechsel werden die Referenzwerte S_R(k) und die weiter unten definierten Referenzmittelwerte _R(k) mit einem Kennwort jeder Maschi­ ne gespeichert und im Überwachungsmodus Ü entsprechend abgerufen.

Bei gleichzeitiger Überwachung von mehreren Maschinen wird jedem Sensor 11 eine Meßstrecke 13, 16, 17, zugeordnet. Die Referenzwerte der einzelnen Maschinen werden der Reihe nach ermittelt und mit einem maschinenbezogenen Kennwort abgespeichert.

Im darauffolgenden Überwachungsmodus werden die für die weiteren Maschinenzyklen ermittelten Standardabweichungen S(k) gemäß Formel (III) als aktuelle Abweichungen gewertet und zum Vergleich mit der Referenz-Standardabweichung S_R(k) herangezogen werden.

Hier können verschiedene Kriterien angewandt werden, um aus den Unterschieden oder Abweichungen zwischen aktuellen Standardabweichungen und der Referenz-Standardabweichung das Signal eines eintretenden einer Veränderung bzw. Scha­ dens zu bestimmen. So kann beispielsweise ein vorgegebener Mindestwert für die Abweichung als Maß für einen eintre­ tenden Schaden verwendet werden. Dieser kann frequenzbe­ zogen oder als Mittelmaß über das Spektrum gewählt werden.

Die Schwierigkeit liegt in der richtigen Beurteilung der Maschinenveränderungen, d. h. in der Relevanz der in der Überwachung ermittelten Vergleichswerte zwischen aktuellen Werten und Referenz.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zur Beurteilung der Relevanz ein Instabilitätsmaß R(k) herangezogen werden, das aus den Standardabweichungen wie folgt gebildet wird,

R(k) = [S_R(k)+S(k)]/2 (IV)

wobei R(k) das Instabilitätsmaß der k-ten Ordnung ist.

Dabei wird die absolute Abweichung zwischen den nach der Formel (II) errechneten Mittelwerten (k) der Amplituden der jeweiligen Ordnung mit dem Instabilitätsmaß R(k) nach folgender Beziehung verglichen:

Δ(k) = |_R(k) - (k)| - R(k) (V)

wobei Δ(k) der Änderungsindex der k-ten Ordnung und _R(k) die im Ausgangsmodus für die Referenz errechnete mittlere Amplitude der k-ten Ordnung ist. D.h., ändert sich der Mittelwert (k) einer aktuellen Spektrallinie gegenüber dem Mittelwert _R(k) der Referenzlinie über das Maß der zugehörigen Standard-Abweichung R(k) hinaus, wird diese Änderung als signifikant gewertet. Die Änderung kann das Signal für eine Unregelmäßigkeit in einem Fertigungsprozeß, das eine Verhaltensänderung der Maschine zur Folge hat und/oder das Eintreten eines Maschinenschaden sein.

Die Summe

der signifikanten Änderungen Δ(k) wird schließlich als Änderungsindex F für das Signal zur Abschaltung der Maschine verwendet.

Überschreitet der Änderungsindex F einen festzulegenden Erfahrungswert, wird ein Signal zum Abschalten der über­ wachten Maschine ausgegeben oder die Maschine direkt vom Überwachungsgerät abgeschaltet.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung von periodisch arbeitenden Maschinen zur Früherkennung von Maschinenveränderungen, bei dem mittels eines Überwachungssensors maschinenspe­ zifische Meßsignale erfaßt werden, die in einer Auswerte­ einheit mit einer Referenz verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Ausgangsverhalten der Maschine (10) dokumentierende Referenz (S_R(k), _R(k)) aus einer Serie von Meßsignalen ermittelt und abgespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zwischen einem Ausgangsmodus (A) und einen Überwachungsmodus (Ü) unterscheidet, in denen die vom Sensor (11) gelieferten Zeitsignale nach gleichen Kriterien (I bis III) verarbeitet werden, und daß im Aus­ gangsmodus die das Ausgangsverhalten der Maschine (10) dokumentierende Referenz (S_R(k), (k)) ermittelt wird, die im Überwachungsmodus mit dem aktuellen Maschinenverhalten verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vom Sensor (11) gelieferten Zeitsignale in Frequenzsignale umgewandelt werden und daß aus Fre­ quenzsignalen von mindestens zwei Maschinenzyklen Mittel­ werte ((k)) der einzelnen Frequenzordnungen gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus Abweichungen vom Mittelwert ein Insta­ bilitätsmaß (R(k)) für jede Frequenzordnung gebildet wird, das das Ausgangsverhalten der Maschine (10) darstellt.

5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Überwachungsmodus (Ü) die aktuellen Mittelwerte ((k)) mit dem Referenz-Mittelwert (A_R(k)) verglichen werden und daß bei Überschreiten eines Insta­ bilitätsmaßes (R(k)) eine Maschinenänderung angezeigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Beziehung Δ(k) = |_R(k) - (k)| - R(k) mit Δ(k)<0sich ergebenden Änderungen ΔA(k) über alle Spektrallinien (k) addiert werden und daß bei Erreichen eines vorbestimm­ ten Wertes ein Maschinenschaden angezeigt wird, in der Beziehung bedeutet: (k) und _R(k) sind die Mittelwerte der Amplituden der k-ten Ordnung des aktuellen Wertes bzw. des Referenzwertes.

7. Überwachungsgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Überwachungssensor zur Erfassung von maschinenspezifischen Meßsignalen und einer Auswerte­ einheit, in der die Meßsignale zur Früherkennung von Maschinenschäden mit einer Referenz verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz (Sr(k), _R(k)) eine aus Meßsignalen ermittelte Referenz ist, die das Verhalten der zu überwachenden Maschine (10) im Ausgangs­ zustand dokumentiert.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (15) zur Durchführung eines Ausgangs­ modus (A) für die Ermittlung der Referenz (S_R(k), _R(k)) eines Überwachungsmodus (Ü) ausgelegt ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Inkrementalgeber (12) zur Erfassung der periodischen Zyklen der Maschine (12) vorgesehen ist und daß die Re­ ferenz (Sr(k), _R(k)) ein, aus mindestens zwei Maschinen­ zyklen im Ausgangsmodus (A) erfaßten Serien von Meßsig­ nalen ermitteltes Datenspektrum (30, 31) ist.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (15) einen Analogfilter (16) für die Meßdaten und einen Analysator aufweist, der mit einem Verstärker (17), einem A/D-Wandler (18), einem Signalprozessor (19) für die Frequenzanalyse und einem Speicher (20) ausgestattet ist.