DE4237574A1 - Diagnoseverfahren für einen Anlagenprozeß - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Diagnoseverfahren für einen Anlagenprozeß, insbesondere eines Kraftwerks, z. B. einer Dampfturbinenanlage, mit einer Anzahl von unterein­ ander wechselwirkenden Anlagenteilen, bei dem in einem den Anlagenteilen gemeinsamen Prozeßleitsystem über einen Datenbus anlagenrelevante Meßwerte übertragen werden.

In einer Kraftwerksanlage sollen Überwachungseinrichtungen die aktuellen Betriebszustände des Anlagenprozesses erkenn­ bar machen und Abweichungen vom Sollzustand melden. Dazu ist eine umfangreiche Meßdatenerfassung der Betriebswerte der Anlagenteile erforderlich. In einer Dampfturbinenanlage sind dies unter anderem die Komponenten und Hilfssysteme des Turbosatzes als Funktionsgruppe, d. h. die Dampfturbine, ein mit dieser über eine Welle gekoppelter Generator und ein Kondensator. Der Signal- oder Datenaustausch erfolgt üblicherweise über ein Bussystem innerhalb eines den Anlagenteilen gemeinsamen Leitsystems, mit dem der Anlagen­ prozeß teil- oder vollautomatisch gesteuert und überwacht wird.

Mit zunehmender Energie- oder Arbeitsausnutzung derartiger Anlagen wachsen auch die Anforderungen an die Anlagenver­ fügbarkeit, wobei für Wartungs- und Instandhaltungsmaßnah­ men besonders kurze Stillstandzeiten angestrebt werden. Die dadurch bedingte steigende Komplexität der Überwachungs­ einrichtungen führt zu wachsenden Schwierigkeiten bei der Handhabung durch das Bedienpersonal in einer Leitwarte, und zwar hinsichtlich sowohl eines umfassenden Überblicks über den aktuellen Anlagenzustand als auch einer frühzei­ tigen Fehlererkennung. Zwar wird mit zunehmendem Auto­ matisierungsgrad in einem hierarchisch aufgebauten Leit­ system, wie es aus der EP-OS 0 242 609 bekannt ist, eine pyramidenförmig zunehmende Informationsverdichtung der von der Meßwerterfassung gelieferten Daten erreicht; aller­ dings bleibt die Beurteilung der Meßwerte dennoch dem Bedienpersonal überlassen. Darüber hinaus nimmt mit stei­ gender Komplexität des Überwachungssystems dessen Stör­ anfälligkeit zu.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Über­ wachungs- und Erkennungsverfahren für ein Kraftwerk, ins­ besondere eine Dampfturbinenanlage, anzugeben, mit dem eine hohe Betriebssicherheit und eine hohe Anlagenverfüg­ barkeit erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßwerte in den Anlagenteilen zugeordneten Analysemodulen einer modulspezifischen Meßwertbearbeitung unterzogen und daraus als abgeleitete Kenngrößen ausgegeben werden, daß die abgeleiteten Kenngrößen in einem Qualifizierungsteil in aktuelle Symptome umgesetzt werden, und daß aus den aktuellen Symptomen nach in einer Wissensbasis abgelegten Regeln ein Diagnoseergebnis abgeleitet wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß durch eine modulspezifische Analyse von Meßwerten und eine an­ schließende modulübergreifende Diagnose aus einer umfang­ reichen Meßwerterfassung eine Gesamtaussage über den Anla­ genzustand abgeleitet werden kann. Dabei wird z. B. auf die bewährten Funktionsgruppen einer Dampfturbinenanlage, wie den Turbosatz mit den entsprechenden Komponenten oder Anlagenteilen, aufgebaut. Daraus folgt, daß ein in einem bereits vorhandenen Kraftwerksleitsystem bestehendes Meßwerterfassungs- und Datenübertragungssystem als System­ rahmen im wesentlichen bestehen bleiben kann, wobei dieser gegebenenfalls um eine zusätzliche, modulspezifische Meß­ werterfassung und Bedienoberfläche sowie eine entsprechen­ de Meßwertankopplung zu erweitern ist.

In jedem Analysemodul werden nach einem vorgegebenen Algorithmus funktionsspezifische Meßwerte analysiert, indem Soll-Ist-Wert-Vergleiche durchgeführt werden, die Meßwerte auf Grenzwerte überprüft werden und/oder die Meßwerte in mathematische Berechnungen einfließen, wobei neue, abgeleitete numerische Kenngrößen - gegebenenfalls mit neuer Dimension - ausgegeben werden. Dabei ist jedes Analysemodul abgeschlossen, so daß eine freie Konfigurier­ barkeit des Diagnosesystems möglich ist. Die Abgeschlossen­ heit eines Analysemoduls bedeutet, daß er die aufgrund der ihm zur Verfügung stehenden Meßwerte möglichen Analysen und Diagnosen soweit wie möglich selbst durchführt und damit in einem gewissen Sinne autark ist. Es sind daher keine Beziehungen zu oder Abhängigkeiten von anderen funktionsspezifischen Analysemodulen gegeben.

Die Umsetzung der abgeleiteten Kenngrößen in aktuelle Symp­ tome erfolgt durch eine Qualifizierung der Kenngrößen in qualitative oder verbale Begriffe. So wird z. B. eine Kenn­ größe, die eine Überschreitung eines Soll-Wertes um einen bestimmten absoluten Betrag angibt, in den verbalen Begriff "Der Wert ist zu hoch" umgewandelt. Dieser qualitative oder verbale Begriff ist dann das aktuelle Symptom, das in einem modulübergreifenden oder zweckmäßigerweise in einem modulspezifischen Symptomspeicher gespeichert wird.

Auch können in den Analysemodulen bereits Teildiagnosen erstellt werden. So kann z. B. in einem dem gesamten Turbo­ satz zugeordneten Analysemodul aus den in diesem Modul be­ arbeiteten Meßwerten ein Wirkungsgrad ermittelt werden, der als Kenngröße und gleichzeitig als Teildiagnose im Symptomspeicher abgelegt wird.

Meßwerte, die nicht im Rahmen der verfügbaren Analyse­ module bearbeitet werden, werden einer modulunabhängigen Bearbeitung unterzogen. Beispiele hierfür sind Mittelwert­ bildungen und die Verarbeitung von Toleranzbändern. Diese modulunabhängig bearbeiteten Meßwerte sowie originale Meß­ werte, die keiner Bearbeitung unterzogen werden müssen, werden in dem Qualifizierungsteil direkt in aktuelle Symp­ tome umgesetzt. Dabei kann die Qualifizierung modulüber­ greifend oder modulspezifisch erfolgen, wobei im letzt­ genannten Fall die modulunabhängig bearbeiteten und/oder originalen Meßwerte den einzelnen Analysemodulen zugeord­ neten Qualifizierungsteilen zugeführt werden.

Eine logische Ableitung eines Diagnoseergebnisses aus den aktuellen Symptomen, von denen ein bestimmtes als Faktum bereits eine Teildiagnose sein kann, erfolgt durch eine sogenannte Inferenzkomponente, wobei jedem Symptom oder Faktum eine Anzahl von Regeln oder Formalismen überlagert werden. Diese Regeln haben die allgemeine Form; "Wenn Bedingung, dann Folgerung". Sie sind in dieser Form als Wissen in der Wissensbasis enthalten.

Alle an der Durchführung des Diagnoseverfahrens beteilig­ ten Bausteine oder Komponenten können mit einer gemeinsamen Datenbank korrespondieren. In der Datenbank werden u. a. solche originalen und modulunabhängig bearbeiteten Meßdaten sowie Kenngrößen und Zwischen- oder Endergebnisse gespei­ chert oder archiviert, die für eine spätere Off-line- Diagnose wiederverwendet werden.

Aufgrund der Verarbeitung unsicheren Wissens ist eine Diagnose im allgemeinen nicht eindeutig. Daher wird jedem Diagnoseergebnis zweckmäßigerweise ein Konfidenzfaktor zugeordnet, der kleiner oder gleich 1 ist. Dieser Konfi­ denzfaktor gibt die Wahrscheinlichkeit oder Glaubwürdig­ keit der Diagnose an, d. h. den Grad des Vertrauens in diese Diagnose. Es kommt daher mehr als eine Diagnose zum Tragen, wobei das Ergebnis eines Diagnoselaufs in einer nach absteigenden Konfidenzgraden sortierten Liste derjeni­ gen Diagnosen besteht, die einen Konfidenzfaktor von z. B. 0,4 überschreiten. Diese Diagnoseergebnisse werden dann in einem Ergebnisspeicher zur weiteren Auswertung und Anzeige oder Visualisierung zur Verfügung gestellt. Die Darstellung erfolgt auf einer modulspezifisch erweiterbaren Bediener­ oberfläche.

Das Diagnoseverfahren kann auf unterschiedliche Arten angestoßen oder eingeleitet werden (Diagnose-Triggerung). Dabei kann z. B. ein Diagnoseanstoß dann erfolgen, wenn ein Meßwert ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, z. B. einen Grenzwert überschreitet. Ein Diagnoseanstoß kann aber auch dann erfolgen, wenn aus einem Analysemodul als abgeleitete Kenngröße eine Teildiagnose ausgegeben wird. Alternativ kann ein Diagnoseanstoß dann erfolgen, wenn ein aus dem Qualifizierungsteil abgegebenes aktuelles Symptom ein vor­ gegebenes Kriterium erfüllt, z. B. einen Grenzwert über­ schreitet. Um einen einheitlichen, automatischen Diagnose­ anstoß zu realisieren, sollte die letztgenannte Alternative zum Tragen kommen. Dabei sollten dann die aktuellen Symp­ tome oder verbalen Begriffe einer allgemeinen Überwachung unterzogen werden, die auch komplexe logische Zusammenhänge berücksichtigen kann. Der eigentliche Diagnoseanstoß er­ folgt dann vorteilhafterweise automatisch, wobei on-line, d. h. während des Betriebs der Anlage, Störungen oder Fehler frühzeitig erkannt und gezielte Maßnahmen für eine ver­ besserte Betriebsweise abgeleitet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt ein Funktionsschema mit zur Durchführung eines Diagnoseverfahrens vorgesehenen Komponenten.

Der zu überwachende Anlagenprozeß 1 ist im Ausführungs­ beispiel der Turbosatz einer Dampfturbinenanlage mit einer Dampfturbine 2 und einem Generator 4 sowie mit einem Kon­ densator 6. Die Dampfturbine 2 umfaßt einen Hochdruck­ teil 2a, einen Mitteldruckteil 2b und einen Niederdruck­ teil 2c, die über eine gemeinsame Welle 8 den Generator 4 antreiben. Der Turbosatz ist mit einer Vielzahl von unter­ schiedlichen Meßstellen 10, 11, 12 zur Abbildung des Ist- Zustands des Anlagenprozesses und dessen Randbedingungen versehen. Die während des Betriebs der Anlage, d. h. on-line, erfaßten Meßwerte werden in einem Meßwerterfassungsbaustein 14 kontrolliert, aufbereitet und über geeignete Schnitt­ stellen als Meßdaten an einen Datenbus 16 gegeben, der Bestandteil eines üblicherweise bereits vorhandenen Prozeß­ leitsystems der Anlage ist.

Der Meßwerterfassungsbaustein 14 deckt die mit dem Anlagen­ prozeß 1 zwangsläufig verbundenen Echt- oder Realzeit­ aspekte ab, wobei der Meßwerterfassungsbaustein 14 ent­ weder die Meßwerte synchron erfaßt und weitergibt oder auf Anforderung die erforderlichen Meßwerte bereitstellt.

Die anschließende Analyse der Meßwerte oder Meßdaten ist modular aufgebaut. Dazu ist eine Anzahl von Funktions- oder Analysemodulen a₁ . . . a_n vorgesehen, die über den Daten­ bus 16 mit dem Meßwerterfassungsbausstein 14 kommunizieren. Die Meßdaten können mit einer modulspezifischen Kennung versehen sein und werden direkt oder auf Anforderung an die entsprechenden Analysemodule a₁ . . . a_n weitergeleitet.

Die Analysemodule a₁ . . . a_n sind im wesentlichen algorith­ misch implementiert und daher eher mathematisch orientiert. In den einzelnen Analysemodulen a₁ . . . a_n werden funktions­ spezifische Meßwerte analysiert, Kennwerte errechnet und Soll- Ist-Wert-Vergleiche durchgeführt. Jedes Analysemodul a₁ . . . a_n führt aufgrund der ihm zur Verfügung gestellten Meßwerte verschiedene Analysen und Diagnosen soweit wie möglich selbst durch und ist somit in gewissem Sinne autark. Um die mit dem modularen Aufbau des Diagnosesystems im Analysebereich verbundenen Vorteile nutzen zu können, bestehen somit keine Beziehungen oder Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Analysemodulen a₁ . . . a_n.

In den funktionsspezifischen und anlagenteilorientierten Analysemodulen a₁ . . . a_n werden die Meßwerte somit einer modulspezifischen Meßwertbearbeitung unterzogen und als abgeleitete Kenngrößen KG weitergegeben. Die im wesentlichen numerischen Kenngrößen KG unterscheiden sich von den ursprünglichen Meßwerten insbesondere dadurch, daß es sich um neue, abgeleitete Größen mit gegebenenfalls anderer Dimension handelt. So können z. B. in einem Analysemodul a_n aus kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen erfaßten Meßwerten anhand einer vorgegebenen Berechnungsgrundlage thermodynamische Daten berechnet werden. Eine daraus abge­ leitete Kenngröße KG kann z. B. ein Wirkungsgrad und somit bereits eine Teildiagnose sein. Die in den Analysemodulen a₁ . . . a_n ermittelten Kenngrößen KG werden in einem modul­ übergreifenden - oder wie strichliniert angedeutet modul­ spezifischen - Qualifizierungsteil 18 in qualitative Größen, d. h. in aktuelle Symptome AS, umgesetzt.

In dem Qualifizierungsteil 18 werden auch einige von dem Meßwerterfassungsbaustein 14 gelieferte originale Meßwerte OM bearbeitet. Ebenso werden in einem Meßwertbearbeitungs­ baustein 20 modulunabhängig bearbeitete Meßwerte BM, die durch Komprimierung oder Skalierung der ursprünglichen Meß­ werte aus diesen hervorgegangen sind, dem Qualifizierungs­ teil 18 zugeführt. Beispiele hierfür sind Mittelwertbil­ dungen, Gradientenbildungen und eine Verarbeitung von Toleranzbändern. Dabei ist allen, dem Qualifizierungsteil 18 zugeführten Größen oder Werten gemeinsam, daß es sich um numerische Größen handelt.

Die numerischen Kenngrößen KG werden im Qualifizierungsteil 18 in verbale Begriffe umgesetzt. So wird z. B. aus einem in einem Analysemodul a_n berechneten Wert p (H₂) = p_soll + 0,3 bar als Faktum: "Der Wasserstoffdruck im Generator­ gehäuse liegt um 0,3 bar über dem Soll-Druck" die verbale Aussage "Der Wasserstoffdruck im Generatorgehäuse ist hoch". Diese Aussage wird als aktuelles Symptom AS in einem wiede­ rum modulübergreifenden oder modulspezifischen Symptom­ speicher 22 zwischengespeichert. Des weiteren wird in dem Symptomspeicher 22 auch eine bereits in einem Analysemodul an erstellte Teildiagnose TD direkt abgelegt.

Der Symptomspeicher 22 ist als temporärer Ringspeicher (Um­ laufspeicher, Ringpuffer) realisiert und wird permanent aktualisiert, d. h. daß die aktuellen Symptome AS die älte­ sten Symptome verdrängen. Innerhalb des Symptomspeichers 22 liegen somit sowohl die Ergebnisse des Qualifizierungsteils 18 als auch modulspezifische Teildiagnosen TD in verbaler Form vor.

Aus den aktuellen Symptomen AS wird nach in einer Wissens­ basis 24 abgelegten Regeln ein Diagnoseergebnis abgeleitet. Die Regeln oder Formalismen sind in der Wissensbasis 24 ebenfalls in verbaler Form abgelegt. Die Wissensbasis 24 ist somit in der Art eines Expertensystems konstruiert, wobei sowohl die Fakten oder aktuellen Symptome AS als auch die Regeln oder Formalismen in verständlicher und einfach nachvollziehbarer Weise formuliert und somit der Sprache des Experten angepaßt sind. Während numerische Werte zu exakten Beschreibungen und Abgrenzungen zwingen, erlauben verbale Beschreibungen unsicheres, unvollständi­ ges und unscharfes Wissen auszudrücken.

Die Auswertung der Wissensbasis 24 bei einer konkreten Anwendung, d. h. bei Vorliegen eines aktuellen Symptoms AS, erfolgt mittels einer Inferenzkomponente 26. So wird z. B. bei Vorliegen des aktuellen Symptoms "Der Wasserstoffdruck im Generatorgehäuse ist niedrig" durch die Auswertung der in der Wissensbasis 24 abgelegten Regel "Wenn der Wasser­ stoffdruck im Generatorgehäuse niedrig ist, dann ist das Generatorgehäuse undicht" als Diagnoseergebnis "Das Generatorgehäuse ist undicht" abgeleitet. Dieses Diagnose­ ergebnis DE wird in einem Ergebnisspeicher 28 abgelegt. Dort wird dem Diagnoseergebnis DE ein Konfidenzfaktor zuge­ ordnet, der kleiner oder gleich eins ist. Dieser Konfidenz­ faktor wird bereits während der Diagnose abgeleitet und ist ein Maß für die Glaubwürdigkeit der Diagnose. Es kann auch nach weiteren Symptomen AS gesucht werden, die entsprechend den in der Wissensbasis 24 abgelegten Regeln zu einem be­ reits erstellten Diagnoseergebnis DE führen und dieses be­ stätigen. So werden alle möglichen Diagnosen anhand der verfügbaren Symptome AS untersucht, wobei häufig mehrere Diagnoseergebnisse DE ausgegeben werden, die mit den ent­ sprechenden Konfidenzfaktoren versehen sind und über einen Darstellungs-oder Visualisierungsbaustein 30 auf einer Bedienoberfläche 32 angezeigt werden.

Über die Bedien- oder Benutzeroberfläche 32 können Ein- und Ausgaben sowie Abfragen durchgeführt werden, wobei sowohl mit der Inferenzkomponente 26 als auch mit der Wissensbasis 24 und dem Symptomspeicher 22 Dialoge geführt werden können. Ein Zugriff auf den Symptomspeicher 22 bie­ tet vorteilhafterweise die Möglichkeit, eine Off-line-Dia­ gnose durchzuführen. Dazu können die originalen und modul­ unabhängig bearbeiteten Meßdaten OM, BM sowie Kenngrößen KG und Zwischen-oder Endergebnisse TD, DE in einer Daten­ bank 34 für eine spätere Wiederverwendung gespeichert oder archiviert werden. Für eine Off-line-Diagnose können somit Daten aus der Datenbank 34 über den Visualisierungsbaustein 30 und die Bedienoberfläche 32 als Eingaben abgerufen werden.

Die Diagnose wird zweckmäßigerweise automatisch angestoßen oder eingeleitet. Da im Qualifizierungsteil 18 alle numerischen Größen KG, OM, BM zusammenlaufen und dort zentral bearbeitet werden, werden vorteilhafterweise erst die qualifizierten Größen oder aktuellen Symptome AS auf eine Abweichung von einem bestimmten Kriterium überwacht. Ein Kriterium kann z. B. ein Grenz- oder Nennwert sein. Es kann aber auch eine Anzahl von miteinander verknüpften Einflüssen als Kriterium vorgegeben sein. Erst bei einer Abweichung wird von einem Überwachungslogikbaustein 36 ein Triggersignal TS abgegeben, das die Inferenzkomponente 26 anstößt. So erfolgt z. B. ein Diagnoseanstoß erst dann, wenn das Kriterium "Der Druck an der Stelle X ist größer als an der Stelle Y und die Temperatur ist fallend" er­ füllt ist. Ebenso kann aber auch eine in einem Analyse­ modul a_n erstellte Teildiagnose TD die eigentliche Diagnose auslösen.

Unter Berücksichtigung der jeweiligen Funktionen oder Funktionsgruppen des Turbosatzes einer Dampfturbinenanlage ermöglicht der modulare Aufbau des Diagnosesystems vorteil­ hafterweise ein hohes Maß an Flexibilität in der Anpassung an anlagenspezifische Diagnoseaufgaben. Daher ist eine freie Konfigurierbarkeit des Diagnosesystems möglich, wobei die Diagnose durch den Einbau weiterer, jeweils abgeschlossener Analysemoduln a₁ . . . a_n weiter vertieft werden kann.

Claims (11)

1. Diagnoseverfahren für einen Anlagenprozeß (1), ins­ besondere eines Kraftwerks, z. B. einer Dampfturbinen­ anlage, mit einer Anzahl von untereinander wechselwirken­ den Anlagenteilen (2, 4, 6), bei dem in einem den Anlagen­ teilen (2, 4, 6) gemeinsamen Prozeßleitsystem über einen Datenbus (16) anlagenrelevante Meßwerte übertragen werden, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Meßwerte in den Anlagenteilen (2, 4, 6) zugeord­ neten Analysemodulen (a₁ . . . a_n) einer modulspezifischen Meßwertbearbeitung unterzogen und daraus als abgeleitete Kenngrößen (KG) ausgegeben werden,
• - daß die abgeleiteten Kenngrößen (KG) in einem Qualifizie­ rungsteil (18) in aktuelle Symptome (AS) umgesetzt werden, und
• - daß aus den aktuellen Symptomen (AS) nach in einer Wis­ sensbasis (24) abgelegten Regeln ein Diagnoseergebnis (DE) abgeleitet wird.

2. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuellen Symptome (AS) in einem Symptomspeicher (22) gespeichert werden.

3. Diagnoseverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Teildiagnosen (TD) ausgegebene modulspezifische Kenngrößen (KG) direkt dem Symptomspeicher (22) zugeführt werden.

4. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Qualifizierungsteil (18) zusätzlich zu den abgeleiteten Kenngrößen (KG) auch originale Meßwerte (OM) und/oder modulunabhängig bearbeitete Meßwerte (BM) in aktuelle Symptome (AS) umgesetzt werden.

5. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Qualifizierung modulspezifisch erfolgt.

6. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß abge­ leitete Kenngrößen (KG) und jedes Diagnoseergebnis (DE) in einer Datenbank (34) abgelegt werden.

7. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Diagnoseergebnis (DE) ein Konfidenzfaktor zugeordnet wird, der kleiner oder gleich 1 ist.

8. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diagnoseanstoß dann erfolgt, wenn ein Meßwert (OM, BM) ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, insbesondere einen Grenzwert überschreitet.

9. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diagnoseanstoß dann erfolgt, wenn aus einem Analysemodul (a₁ . . . a_n) als abgeleitete Kenngröße (KG) eine Teildiagnose (TD) ausgegeben wird.

10. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diagnoseanstoß dann erfolgt, wenn ein aus dem Qualifizie­ rungsteil (18) abgegebenes aktuelles Symptom (AS) ein vorgegebenes Kriterium erfüllt, insbesondere einen Grenz­ wert überschreitet.

11. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Diagnoseanstoß selbsttätig erfolgt.