DE4406723A1 - Verfahren zur Überwachung des Betriebszustands einer Maschine oder Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Ein solches Verfahren ist aus der US-Patentschrift Nr. 4 352 293 bekannt. Bei diesem Verfahren werden zur Diagno­ se des Betriebsverhaltens einer Turbomaschine Schwingungs­ signale an verschiedenen Lagerstellen der Maschine aufge­ nommen, einer eine Verstärkung, eine Fourier-Analyse und einen Vergleich mit vorgegebenen Bezugswerten in Form ei­ ner Trendanalyse aufweisenden Signalaufbereitung unterzo­ gen und im Ergebnis dieser Signalaufbereitung erhaltene Größen zusammen mit weiteren, den Betriebszustand der Ma­ schine beschreibenden physikalischen Größen zusammengefaßt und zum Zweck der Interpretation des Betriebszustandes mit einer vorgegebenen Menge gespeicherter, typische Betriebs­ zustände kennzeichnender und die gleiche Struktur wie das aktuelle Signalmuster aufweisender gespeicherter Muster ("source patterns") in einer vorgegebenen Reihenfolge verglichen und im Ergebnis dieses Vergleichs eine Art Diagnose-Vektor erstellt, der schließlich gespeicherten Diagnose-Vektoren mit jeweils einer bestimmten zugeordne­ ten Diagnose-Aussage gegenübergestellt wird, wobei das Er­ gebnis dieses letzten Vergleichs die Diagnose ist.

Dieses bekannte Verfahren bedient sich bei der Aufberei­ tung der Signale einfacher Grundmuster und bei den in ihm enthaltenen Vergleichsschritten strenger Ja/Nein-Aussagen bzw. logischer "1"/"0"-Werte, was bei einer praktisch unendlichen Anzahl möglicher, sich geringfügig unterschei­ dender Schwingungs- und weiterer Betriebssignale gegenüber einer begrenzten Anzahl typischer Betriebszustände ein vom Ansatz her wenig zielgerichtetes Vorgehen ist und entweder eine sehr große Anzahl gespeicherter Signalmuster (und entsprechend große Speicherkapazität und Diagnosezeit) er­ fordert oder die Gefahr erheblicher Fehler birgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Ver­ fahren der eingangs genannten Art die Aussagekraft der Er­ gebnisse bei gleichzeitiger Begrenzung der erforderlichen Speicherkapazität und Zeit zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß ein Überwa­ chungsverfahren mit Mustererkennung so auszubilden ist, daß aus direkt in ihrer Zeitabhängigkeit erfaßten Meß-, d. h. Schwingungs- und weiteren Betriebsdaten auf verschie­ dene, dem Anwendungsfall und dem jeweiligen Parameter an­ gepaßte Weise zunächst Kennwerte mit diagnostischer Rele­ vanz gewonnen werden, die als Elemente in Betriebszu­ standsvektoren eingehen, welche ihrerseits anschließend einem Elementen-Vergleich mit mehrdimensionalen, Wahr­ scheinlichkeitsaussagen enthaltenden Mustervektoren unter­ zogen werden. Ergebnis des Vergleichs sind wahrscheinlich­ keitsbeiträge zum Wahrscheinlichkeitswert des gesamten be­ treffenden Mustervektors. Die Wahrscheinlichkeitswerte der einzelnen Mustervektoren werden schließlich der Ausgabe eines Identifikationssignals zugrundegelegt, welches eine erhöhte Signifikanz hinsichtlich der die Maschine oder An­ lage beschreibenden Kennwerte aufweist.

Insbesondere erfolgt die Auswertung der Betriebszustands­ vektoren mittels einer Differenzbildung zu Zustandsvekto­ ren, die im ungestörten (d. h. Soll-, Intakt- oder Neuzu­ zustand der Maschine) ermittelt werden.

Ein wesentliches Merkmal dieser Weiterbildung des Verfah­ rens besteht dabei darin, daß der ungestörte, intakte Zu­ stand der zu überwachenden Maschine durch einen in glei­ cher Weise strukturierten Zustandsvektor charakterisiert ist, der als Bezugszustand für den aktuellen zu diagnosti­ zierenden Zustandsvektor dient, und mit diesem elementwei­ se zur Differenz gebracht wird. Die so gebildete Diffe­ renz, die für die Abweichung vom ungestörten Zustand steht, wird im weiteren mit dem Mustervektor verglichen.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens be­ steht darin, zunächst - etwa durch Mittelwert-, Scheitel­ wert- oder Effektivwertbildung, die Ermittlung der Ampli­ tuden einzelner Linien eines Frequenzspektrums, die Er­ mittlung der Zeigerwerte von Harmonischen der Rotordreh­ zahl, Differenz- oder Quotientenbildung der Werte unter­ einander sowie mittels Gradientenbildung - primäre Kenn­ werte zu gewinnen und dann aus solchen durch erneute Differenz- oder Verhältnisbildung miteinander sekundäre Kennwerte zu bilden, wobei die primären und die sekundären Kennwerte in den Betriebszustandsvektor eingehen.

Bezüglich der Weiterverarbeitung der durch den Vergleich des Betriebszustandsvektors bzw. dessen Differenz mit den einzelnen Mustervektoren gewonnenen Information besteht eine bevorzugte Variante des Verfahrens darin, daß als Identifikationssignal das dem Mustervektor mit dem höch­ sten Wahrscheinlichkeitswert entsprechende Identifika­ tionssignal ausgegeben wird.

Damit wird angezeigt, daß eine große Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß ein bestimmter, durch den Mustervektor eindeutig beschriebener Betriebszustand vorliegt.

Eine andere vorteilhafte Variante in dieser Hinsicht be­ steht darin, daß der Wahrscheinlichkeitswert eines jeden Mustervektors mit einem sich aus der Anzahl der relevanten Elemente des Mustervektors und der Anzahl der diesen ent­ sprechenden, aber nicht gültigen (beispielsweise abge­ schalteten Meßstellen an der Maschine entsprechenden) Ele­ mente des Zustandsvektors ergebenden Gültigkeitskennwert multipliziert und das Produkt aus Wahrscheinlichkeitswert und Gültigkeitskennwert der Mustervektoren bei der Synthe­ se des auszugebenden Identifikationssignals zugrundegelegt wird.

Damit wird berücksichtigt, daß ein hoher Wahrscheinlich­ keitswert, der auf vergleichsweise wenigen gültigen Ele­ menten des Zustandsvektors basiert, weniger signifikant für die Beschreibung des Betriebszustandes sein kann als ein niedrigerer Wert, der aber auf vielen gültigen Elemen­ ten beruht.

Im Ergebnis wird wiederum - allerdings unter Einbeziehung einer wichtigen zusätzlichen Information - ein bestimm­ ter, durch einen Mustervektor beschriebener Betriebszu­ stand identifiziert oder es kann angezeigt werden, daß quasi ein "Misch-Zustand" aus mehreren, jeweils durch ei­ nen Mustervektor eindeutig beschriebenen Betriebszuständen anzunehmen ist.

Die Aufbereitung der Schwingungssignale und die nachfol­ genden Schritte können in vorgegebenen Zeitabschnitten - insbesondere während des An- und Abfahrens - und/oder zu vorgegebenen Zeitpunkten - etwa in vor bestimmten Inter­ vallen, die von der Rotordrehzahl abgeleitet sind - des Betriebs der Maschine oder nur "bei Bedarf", wenn die Ab­ weichung eines der Schwingungssignale oder sonstigen Be­ triebsparameter von einem vorhergehend aufgenommenen Wert einen vorgegebenen Betrag überschreitet, ausgeführt wer­ den.

Zu den neben den Schwingungssignalen zur Erreichung einer sicheren Diagnose gemessenen physikalischen Größen gehören - in Abhängigkeit vom konkreten Anwendungsumfeld des Ver­ fahrens - die Wellenlage und -bahn der Rotorwelle und/oder die Lagermetalltemperatur und/oder der Lageröldruck und -temperatur der Maschine. Zusätzlich relevant sind relati­ ve und absolute Dehnungen. Außerdem werden solche Be­ triebsparameter wie Leistung, Durchsatz, Druck etc. bevor­ zugt ausgewertet.

Natürlich kommen (insbesondere bei komplizierten Anlagen) auch andere Parameter in Frage, die ggf. mit der mechani­ schen Funktion der Maschine bzw. Anlage nur in mittelbarem Zusammenhang stehen.

So können bei der Überwachung eines Kernreaktors neben Schwingungssignalen vom Reaktorgefäß bzw. vom Kühlkreis­ lauf insbesondere radiometrische Meßwerte eine wichtige Rolle spielen, während bei der Überwachung einer störungs­ gefährdeten chemischen Anlage Prozeßparameter des darin durchgeführten chemischen Prozesses von Bedeutung sind.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens besteht darin, mit dem im Ergebnis der Verfahrensschritte gewonnenen Identifikationssignal die überwachte Maschine oder Anlage unmittelbar zu steuern, indem es einer Verarbeitungseinheit zugeführt, in dieser zur Erzeugung eines Steuersignals weiterverarbeitet und das Steuersignal schließlich einer Steuereinheit der Ma­ schine oder Anlage zugeführt wird. Eine derartige Steue­ rung kann beispielsweise auch darin bestehen, daß die Ma­ schine oder Anlage stillgesetzt wird, wenn dies durch die ausgewerteten Betriebsdaten geboten ist.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die erhaltenen Betriebszustände repräsentierenden Kennwerte auf einem Display in symbolischer Form angezeigt, so daß - beispielsweise im Zusammenhang mit einer schematischen Blockdarstellung der Anlage - deren Funktionsbereiche, welche momentan Auffälligkeiten zeigen - farblich hervor­ gehoben oder in sonstiger Weise gekennzeichnet werden kön­ nen. Gleichzeitig oder bedarfsweise besteht auch die Mög­ lichkeit, abweichende Betriebsparameter (Öltemperatur oder Vibrationen) entsprechend mit ihrem aktuellen Wert anzu­ zeigen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer erläutert. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung des Verfahrens in einer ersten Ausführungsform als Blockschalt­ bild,

Fig. 2 eine grafische Darstellung zur weiteren Verdeutli­ chung des Verfahrens gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Synthese eines Zustandsvektors aus unterschiedlichen Elementen bei einer abgewandelten Ausführungsform sowie

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verfahrens­ schritte nach der Bildung des Zustandsvektors bei der abgewandelten Ausführungsform.

Die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens soll zunächst anhand der Fig. 1 und 2 erfolgen, wobei in Fig. 1 die einzelnen bei dem Ver­ fahren zu durchlaufenden Stufen dargestellt sind, während in Fig. 2 die Struktur der nachfolgenden Beschreibung er­ wähnten Vektoren für einen Maschinenzustand vertikal un­ tereinander grafisch dargestellt sind. In der horizontalen sind dabei die verschiedenen aufgenommenen, den Maschinen­ zustand charakterisierenden Werte erkennbar.

Wie Fig. 1 zeigt, werden an der Welle 2 eines Generators 1 mittels eines Impulsgebers 3 ein Drehzahl-Signal und mit­ tels eines Positionsfühlers 4 die Wellenlage sowie deren Schwingungen, am Lager 2′ der Welle mittels eines Thermoe­ lements 5 die Lagertemperatur und am Generatorgehäuse 6 mittels eines Schwingungsaufnehmers 7 dessen Schwingungen in Abhängigkeit von der Zeit aufgenommen.

Die aufgenommenen Meßsignale werden nach einer Verstärkung in Verstärkern 8a, 8b und 8c in je einem Analog-Digital- Umsetzer 9a, 9b und 9c, denen durch einen Taktgeber 10 ein aus dem Drehzahlsignal durch Vervielfachung gewonnenes Triggersignal zugeführt wird, in digitale Signale umgewan­ delt.

Unter der Steuerung durch eine Zeitbasis 11 (während der An- und Abfahrphase sowie zur Kontrollaufzeichnung von Meßwerten in regelmäßigen Abständen) bzw. aufgrund des Er­ gebnisses einer Differenzierung der Meßwerte in Differen­ ziergliedern 12a, 12b und 12c und einer Diskriminierung in Diskriminatoren 13a, 13b und 13c, wobei die Steuerung über ein ODER-Glied 14 mit (in diesem Fall) fünf Eingängen rea­ lisiert wird, erfolgt eine Abspeicherung der Meßwerte in einen Mehrkanalspeicher 15 während des An- und Abfahrvor­ ganges sowie zu vorgegebenen Zeitpunkten oder dann, wenn eine der Meßstellen einen gegenüber dem letzten aufgenom­ menen Wert abweichenden Wert liefert. Dabei wird vom Im­ pulsgeber 3 ein Drehzahlsignal in einem Drehzahlgeber 12d erzeugt und entsprechend an einen Diskriminator 13d wei­ tergegeben.

Gleichzeitig können die Meßwerte auf einer - hier zur Ver­ einfachung weggelassenen - Anzeigeeinheit (etwa einem Bildschirm) angezeigt werden, wobei gegebenenfalls die die Tatsache, daß Meßwerte dargestellt und gespeichert werden, auch zusätzlich optisch oder akustisch signali­ siert werden kann.

Aus dem Mehrkanalspeicher 15 gelangen die Meßwerte zur Si­ gnalverarbeitungseinheit 16, in der die Schwingungssignale insbesondere einer Fourier-Analyse, der Bestimmung der einzelnen Amplituden- und Phasenwerte der Harmonischen, der Trennung von Gleich- und Gegenlaufanteil von Orbitgrö­ ßen sowie gegebenenfalls einer Gradientenbildung unterzo­ gen werden.

Die Ergebnisse der Fourier-Analyse und der Trendanalysen werden nach Durchlaufen einer Konditionierungseinheit 17 in einen zweiten (als Schreib-Lese-Speicher ausgebildeten) Bezugswertspeicher (RAM) 18b für die Ermittlung von Gra­ dienten, festgehalten und gelangen anschließend in den Block 19 zur Berechnung des Betriebszustandsvektors Z_i nach einem vorbestimmten Algorithmus sowie zwecks Darstel­ lung des Zustands in grafischer Form oder in einer Text­ darstellung zu einer Anzeigevorrichtung 20. Bei der Über­ tragung der Bezugswerte in den Speicher 18b wird gegeben­ enfalls eine Gradientenbildung in dem Zeittakt der Ein­ speicherung entsprechenden Zeitabständen durchgeführt.

Der Betriebszustandsvektar Z_i wird zur Sicherstellung der Verfügbarkeit als Mustervektor für spätere Diagnosen zu­ nächst in einen Muster-Zwischenspeicher 21 eingeschrieben, kann jedoch nach Abschluß der Diagnose natürlich ohne wei­ teres wieder gelöscht werden, wenn sich herausstellt, daß er nicht zur Erweiterung der Basis für spätere Diagnosen geeignet ist. Im Normallfall wird er einer Weiterverarbei­ tung zur Synthese eines Mustervektors (mit weiter unten genauer erläuterter Struktur) unterzogen und als Schwell­ wert im Haupt-Musterspeicher 22 gespeichert.

Für den beschriebenen Diagnosevorgang steht dieser Muster­ vektor jedoch noch nicht unmittelbar zur Verfügung. Zu­ nächst erfolgt ein Vergleich mit in einem Speicher 18a festgehaltenen Bezugsvektor, welche Vergleichswerte dar­ stellen, die auf einen Neu- oder Optimalzustand der Ma­ schine bezogen sind. Eine Differenzbildung des in Block 19 gespeicherten Betriebszustandsvektors Z_i mit dem Bezugs­ vektor B_i aus dem Speicher 18a erfolgt in der Differenz­ einheit 19a. Anschließend erfolgt ein elementenweiser (wahrscheinlichkeitsbehafteter) Vergleich der jeweils ak­ tuellen Differenz des Betriebszustandsvektors Z_i - B_i mit einem der bereits im Haupt-Musterspeicher 22 gespeicherten Mustervektoren IP_ik in der Vergleichereinheit 23.

Das Ergebnis dieses Vergleichs ist eine Menge von Wahr­ scheinlichkeitsbeiträgen, jeweils für den Vergleich eines Elements des (Differenz-)Betriebszustandsvektors mit einem Element eines der Mustervektoren, die in einer Addierstufe 24 zum Wahrscheinlichkeitswert des betreffenden Musters aufsummiert werden, woraufhin zum Vergleich des Betriebs­ zustandsvektors mit einem anderen der Mustervektoren über­ gegangen wird, der ebenso wie der erste Vergleich abläuft (vgl. dazu die Beschreibung zu Fig. 3 unten) usw., bis al­ le Muster durchgeprüft sind.

Alle Wahrscheinlichkeitswerte werden sukzessiv in den Speicher 25 eingespeichert und nach Abschluß der Ver­ gleichsprozedur und Durchlaufen einer Divisionsstufe 25a zur Division durch die Anzahl der addierten Wahrschein­ lichkeitsbeiträge einer Sortierstufe 26 zugeführt, wo ein Ordnen in der Reihenfolge der Wahrscheinlichkeit erfolgt, woraufhin ein Aufruf des wahrscheinlichsten Musters mit­ samt dessen Interpretation aus dem Haupt-Musterspeicher 22 als Darstellung des Diagnoseergebnisses auf einer Anzeige­ vorrichtung 27 ausgelöst wird. Bei Ausgestaltung der An­ zeigevorrichtung als Farbmonitor werden bevorzugt diejeni­ gen Teile oder Bereiche der Maschine oder Anlage, welche Auffälligkeiten zeigt, grafisch (oder farblich) hervorge­ hoben. Dazu können dann auch entsprechende Kennwerte von Betriebsparametern als Zahlenwerte sowie Mitteilungen im Klartext dargestellt werden.

Sollte dem Bediener der Maschine die gelieferte Diagnose noch nicht zufriedenstellen, so verfügt er mit der Einga­ bevorrichtung 28 auch über die Möglichkeit, das oder die nächst wahrscheinliche(n) Muster entsprechend der Reihen­ folge im Sortierer mit der zugehörigen Interpretation aus dem Haupt-Musterspeicher 22 abzurufen und auf der Anzeige­ vorrichtung 27 darstellen zu lassen.

In einer abgewandelten (nicht abgebildeten) Ausführungs­ form ist der Ausgang des Haupt-Musterspeichers 22 auch mit einem Steuerbefehlsspeicher verbunden, in dem jedem Mu­ stervektor eine Menge von Steuerbefehlen für den Generator zugeordnet ist, die abgerufen und einer Steuereinheit des Generators zugeführt werden, um den weiteren Betrieb - gegebenenfalls bis hin zur Notabschaltung - aufgrund der gewonnenen Diagnose direkt zu steuern. Natürlich verfügt der Bediener auch in diesem Falle über eine Eingriffsmög­ lichkeit.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 die Methodik bei der Synthese des Betriebszustandsvektors, die Struktur der Mustervektoren und der Ablauf der eigent­ lichen Diagnose noch einmal in Art eines Flußdiagramms (in zwei Abschnitten) bei einer abgewandelten Ausführungsform skizziert. Die dargestellten Flußdiagramme entsprechen Blockschaltbildern von Vorrichtungen zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens.

In Fig. 3 sind neben den Triggersignal drei unterschied­ lich zu handhabende Signaltypen zu unterscheiden: Wechsel­ spannungssignale ("AC-Signal"), Gleichspannungssignale ("DC-Signal") und Binärsignale, welche Eingangssignale bilden.

Das Triggersignal wird nach Bedarf einer Vervielfachung unterzogen und damit der Abtastimpuls für die Steuerung des Abtastzeitpunktes und der Eckfrequenz eines der Analog-Digital-Wandlung der AC-Signale vorgeschalteten An­ tialiasfilters gewonnen.

Aus der erfaßten und nach Verstärkung, Filterung und Analog-Digital-Wandlung gespeicherten Zeitfunktion der AC-Signale erfolgt durch Fourier-Analyse die Bestimmung der Frequenzanteile mit Amplitude und Phasenwinkel und ggf. weiterer Kennwerte.

Für die DC-Signale ist nach der Verstärkung und A/D-Wand­ lung ebenfalls ein Abspeichern eines einer Zeitfunktion entsprechenden Signals und anschließend eine Mittelwert­ bildung vorgesehen, während die Binärsignale lediglich konditioniert werden.

Im weiteren erfolgt optional sowohl eine Differenzbildung zu zeitlich vorher ermittelten Kennwerten zur Ermittlung von Gradienten und/oder fest definierten (beispielsweise durch eine statistische Mittelwertbildung erhaltenen) Be­ zugswerten und (beispielsweise durch Bildung von Quotien­ ten aus Kennwerten) die Bildung abgeleiteter, sekundärer Kennwerte.

Alle derart erfaßten Werte werden zusammen mit den binären Statussignalen zu einem fest strukturierten Zustandsvektor (Betriebszustandsvektor) Z_i zusammengefaßt.

Dieser strukturierte Zustandsvektor bildet - wie in Fig. 4 gezeigt - die Basis für die weiteren Verfahrensschritte.

Im ersten der in Fig. 3 dargestellten Schritte erfolgt un­ ter Heranziehung einer Wissensbasis, die einem Satz der weiter oben erwähnten Mustervektoren bzw. von Mustern ent­ spricht, zunächst die Berechnung der Wahrscheinlichkeits­ beiträge für die einzelnen Elemente eines Mustervektors.

Jeder Mustervektor IP_ik besitzt dabei eine identische Struktur wie der Zustandsvektor Z_i und wird durch eine dreidimensionale Matrix mit folgenden Elementen je Zu­ standsstrukturelement gebildet:
i = Index des Strukturelements
k = 1 - Schwellwert
k = 2 - Direktor mit Zusatzinformation ob Minimum, Maximum, Sollwert oder boolscher Wert
k = 3 - Wahrscheinlichkeit des Erreichens des Schwellwer­ tes bei der Interpretation
Die Zusatzinformation zum Schwellwert (Index k=2) beinhal­ tet die Aussage, ob

• - die Wahrscheinlichkeit sich auf die Unterschreitung des Schwellwertes

m = min : Minimum

• - die Wahrscheinlichkeit sich auf die Überschreitung des Schwellwertes

m = max : Maximum

• - die Wahrscheinlichkeit sich auf die Erreichung des Schwellwertes

m = soll : Sollwert

• - die Wahrscheinlichkeit sich auf den wert "true" bezieht

m = bool : boolscher Wert

• - das Element nicht relevant ist

m = nicht relevant.

Die Erstellung dieser Wissensbasis erfolgt durch Eingabe der Strukturelemente der Matrix mit Zuordnung zu einer In­ terpretation.

Der im ersten Schritt nach Fig. 4 zu ermittelnde Wahrsch­ einlichkeitsbeitrag FW_i stellt sich als Funktion der Dif­ ferenz von Zustandsvektors Z_i und Bezugsvektor B_i einer­ seits sowie dem Mustervektor IP_ik andererseits dar, d. h. für jedes Strukturelement gilt:

FW_i = f (Z_i-B_i, IP_ik).

Die Funktion hängt davon ab, ob der das betreffende Struk­ turelement darstellende Wert ein Minimal-, Maximal-, Soll- oder Boolscher Schwellwert ist, und sie kann frei als ma­ thematisch geschlossene Funktion oder punktweise definiert werden.

In zwei bevorzugten Ausgestaltungen sind folgende Funktio­ nen anzuwenden:

1. Exponentialfunktionen

FW_i = (1-x + (2x-1)_*IP_i3)ⁿ n = 1,3,5, . .
mit x = (IP_i1/(Z_i-B_i) für IP_i2 = min,
x = (Z_i-B_i)/IP_i1 für IP_i2 = max und
x = Z_i für IP_i2 = bool mit Z_i = 0 für ′false′ bzw. Z_i = 1 für ′true′

2. Gauß-Funktionen

für IP_i3 < 50%: FW_i = IP_{i3 *} e^-x²/2d²; für d < 0
für IP_i3 = 50%: FW_i = 0,5;
für IP_i3 < 50%: FW_i = (1-IP_i3) _* (1-e^-x²/2d²); für d < 0
mit x = (Z_i-B_i)/IP_i1 für IP_i2 = min, max, soll
und x = Z_i für IP_i2 = bool mit Z_i = 0 für ′false′ bzw. Z_i = 1 für ′true′

Für den Minimum- und Maximum-Direktor wird dabei je­ weils nur die halbe Glockenkurve, für den Sollwert die gesamte verwendet.

Wenn der Wahrscheinlichkeitswert des Strukturelementes IP_i3 auf "nicht relevant" gesetzt ist, so ist in jedem Fall

FW_i = 0.

Dieser Wert wird ebenfalls auf Null gesetzt, wenn das Strukturelement im Zustandsvektor nicht gültig ist (z. B. wenn die Meßstelle abgeschaltet ist).

Der Exponent n bzw. Delta (d) sind Maße für die Steilheit der Funktion FW. Mit größeren Werten wird eine größere Schärfe der Bewertung erreicht. Letzteres bewirkt eine präzisere Interpretation, setzt aber eine fundierte Wis­ sensbasis voraus.

Jedes Strukturelement ·IP_i und Z_i-B_i bringt somit einen Wahrscheinlichkeitsbeitrag zum Wahrscheinlichkeitswert der jeweiligen Interpretation durch Summierung über die Anzahl der Strukturelemente.

Zur Erhöhung der Signifikanz der Aussage wird die so ge­ bildete Summe auf die Anzahl der "relevanten" Strukturele­ mente bezogen. Dieser Wert soll als Wahrscheinlichkeits­ summe der Interpretation bezeichnet werden. Er berechnet sich als

wobei G_anz die Gesamtanzahl aller Strukturelemente NR_anz die Anzahl der auf "nicht relevant" gesetzten Strukturele­ mente ist.

Für die Durchführung einer Diagnose mittels eines Zu­ standsvektors wird sequentiell für jeden dreidimensionalen Mustervektor, wie oben beschrieben, die Wahrscheinlich­ keitssumme der Wahrscheinlichkeitswerte gebildet. Diejeni­ ge durch den Mustervektor festgelegte Kennwertkombination für einen Betriebszustand der Maschine oder Anlage, wel­ cher die höchste Wahrscheinlichkeitssumme aufweist, wird als die den Anlagenzustand am besten beschreibende Kenn­ wertkombination für den jeweiligen Zustandsvektor ausgege­ ben.

Eine Aussage über den Grad der Gültigkeit der Wahrschein­ lichkeit läßt sich für jeden Mustervektor zusätzlich tref­ fen durch einen Gültigkeitskennwert GW. Dieser errechnet sich aus dem Verhältnis der Anzahl aller relevanten Struk­ turelemente des Mustervektors abzüglich der Anzahl der Elemente im Zustandsvektor, die bei "relevant" gesetzten Werten im Mustervektor keine Gültigkeit besitzen, und der Gesamtzahl der Elemente eines Vektors:

GW = (G_anz - NR_anz - NGW_anz) / G_anz

mit NGW_anz = Anzahl der nicht gültigen Werte im Zustands­ vektor, für die im Mustervektor ein relevantes Element vorhanden ist.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (13)

1. Verfahren zur Überwachung des Betriebszustands einer Maschine oder Anlage, insbesondere einer Turbomaschine, bei dem Schwingungssignale an Teilen der Maschine oder An­ lage aufgenommen, einer - insbesondere eine Verstärkung, eine Fourier-Analyse und/oder einen Vergleich mit vorgege­ benen Bezugswerten aufweisenden - Signalaufbereitung un­ terzogen und im Ergebnis dieser Signalaufbereitung erhal­ tene Größen zusammen mit weiteren, den Betriebszustand der Maschine oder Anlage beschreibenden physikalischen Größen zu einem Betriebszustandsvektor zusammengefaßt und zum Zweck der Interpretation des Betriebszustandes mit gespei­ cherten, typische Betriebszustände kennzeichnenden und die gleiche Struktur wie der Betriebszustandsvektor aufweisen­ den Mustervektoren verglichen werden, wobei im Ergebnis dieses Vergleichs ein eine Kenngröße für den Betriebs zu­ stand der Maschine oder Anlage beinhaltendes Identifika­ tionssignal ausgegeben wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Mustervektoren drei- oder mehrdimensionale Matri­ zen verwendet werden, die in jedem einem Element des Be­ triebszustandsvektors entsprechenden Element eine den Ver­ gleich mit jenem Element des Betriebszustandsvektors be­ treffende Wahrscheinlichkeitsaussage enthalten,
daß der Vergleich des Betriebszustandsvektors mit den Mu­ stervektoren jeweils als Vergleich deren einzelner Elemen­ te ausgeführt wird, wobei als Ergebnis jedes Teilschritts des Vergleichs einzelner Elemente unter Verwendung der zu­ gehörigen Wahrscheinlichkeitsaussage ein Wahrscheinlich­ keitsbeitrag zum Wahrscheinlichkeitswert des jeweiligen, eine Kenngröße des Betriebszustands der Maschine bildenden Mustervektors ermittelt wird,
daß die Wahrscheinlichkeitsbeiträge für alle Elemente ei­ nes Mustervektors zu dessen Wahrscheinlichkeitswert auf­ summiert werden,
daß die Summe der Wahrscheinlichkeitsbeiträge durch die Anzahl der Wahrscheinlichkeitsbeiträge dividiert wird,
daß sequentiell auf diese Weise die Wahrscheinlichkeits­ werte der Mustervektoren ermittelt werden und
daß das auszugebende Identifikationssignal in Abhängigkeit von den für die Mustervektoren ermittelten Wahrscheinlich­ keitswerten festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Betriebszustandsvektor durch Differenzbildung zwischen dem aktuellen Zustand und einem vorgegebenen Soll-, Anfangs- oder Optimalzustand er­ halten wird.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß daß das ausgegebene Identifikationssignal einer Verarbei­ tungseinheit zugeführt und in dieser zur Erzeugung eines Steuersignals für die Maschine weiterverarbeitet wird und daß das Steuersignal einer Steuereinheit der Maschine zu­ geführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus den als Funktion der Zeit erfaßten und aufbereite­ ten Schwingungssignalen primäre Kennwerte berechnet wer­ den,
daß aus den primären Kennwerten und fest vorgegebenen so­ wie variablen Bezugswerten und/oder anderen primären Kenn­ werten sekundäre Kennwerte ermittelt werden und
daß aus den primären und sekundären Kennwerten und ausge­ wählten Betriebsgrößen der Maschine der Betriebszustands­ vektor gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Identifikationssignal das dem Mustervektor mit dem höch­ sten Wahrscheinlichkeitswert zugeordnete Identifikations­ signal ausgegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wahrscheinlichkeitswert jedes Mustervektors mit einem sich aus der Anzahl der relevanten Elemente des Mu­ stervektors und der Anzahl der diesen entsprechenden, aber nicht gültigen Elemente des Zustandsvektors ergebenden Gültigkeitskennwert multipliziert und
daß das Produkt aus Wahrscheinlichkeitswert und Gültig­ keitskennwert der Mustervektoren bei der Synthese des aus­ zugebenden Identifikationssignals zugrundegelegt wird.

7. Verfahren nach einem vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aufbe­ reitung der Schwingungssignale und die nachfolgenden Schritte in vorgegebenen Zeitabschnitten und/oder zu vor­ gegebenen Zeitpunkten des Betriebs der Maschine oder wenn die Abweichung eines der Schwingungssignale oder sonstigen Betriebsparameter von einem vorhergehend aufgenommenen Wert einen vorgegebenen Betrag überschreitet, ausgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zu den vorgegebenen Zeitab­ schnitten der An- und der Abfahrvorgang der Maschine zäh­ len.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die vorgege­ benen Zeitpunkte aus der Umdrehung des Rotors der Maschine abgeleitet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schritt der Ermittlung der primären Kennwerte eine Mittel-, Scheitel- oder Effektivwertbildung über einen vorgegebenen Zeitraum sowie die Bestirnung von harmonischen Signalan­ teilen mit Amplitude und Phase aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schritt der Ermittlung der sekundären Kennwerte die Bildung von Differenzen oder Quotienten aus primären Kennwerten bein­ haltet.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines durch mehrere Zustandsvektoren beschreibbaren Zu­ stands der Maschine oder Anlage als Elemente des resultie­ renden Betriebszustandsvektors Wahrscheinlichkeitswerte verwendet werden und der Schritt der Ermittlung dieser Wahrscheinlichkeitswerte als Elementen-Vergleich der ein­ zelnen Zustandsvektoren mit ihnen entsprechenden einzelnen Mustervektoren unter Aufsummierung der sich in den Schrit­ ten des Elementen-Vergleichs ergebenden Wahrscheinlich­ keitsbeiträge ausgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu den weiteren physikalischen Größen die Wellenlage und -bahn und/oder die Lagertemperatur und/oder der Lageröldruck der Maschine, relative und/oder absolute Dehnungen sowie ande­ re beim Betrieb der Maschine regelmäßig zu überwachende Betriebsparameter, wie Leistung, Durchsatz oder Drehzahl gehören.