DE69729306T2

DE69729306T2 - Ereignisfeststellung mit kurzen und langen Mittelwerten

Info

Publication number: DE69729306T2
Application number: DE69729306T
Authority: DE
Inventors: A. Albert NEVRUZ; Y. Fred THOMASSON; H. Lysette SHUMAN
Original assignee: Union Camp Patent Holding Inc
Current assignee: Union Camp Patent Holding Inc
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1997-09-15
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2017-09-16
Also published as: EP0925491A1; US5847266A; ATE268006T1; AU4416997A; CA2265695A1; WO1998011415A1; DE69729306D1; EP0925491B1; ZA978298B

Description

1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Überwachungssysteme. Diese Erfindung betrifft insbesondere ein System und ein Verfahren zum Überwachen eines dynamischen Systems, wie zum Beispiel ein Kessel oder ein Wärmetauscher, das zu funktionalen Fluktuationen neigt, und zum schnellen und genauen Erfassen des Auftretens von einem Ereignis, wie zum Beispiel ein Leck oder Leistungsverlust, das anderenfalls überlagert oder durch die funktionalen Fluktuationen falsch impliziert wird.
2. Hintergrund
Das frühe Erfassen von einem Ereignis, wie zum Beispiel ein Leck oder eine Fehlfunktion, kann bei einigen Anwendungen kritisch sein. Der Begriff "Ereignis", wie er hier verwendet wird, bezieht sich allgemein auf ein Auftreten, das den normalen Betrieb von einem bestimmten System beeinflusst und das in vielen Fällen dazu neigt, schlechter und intensiver zu werden, wenn es unbeachtet bleibt. Bei Rückgewinnungskesseln für Schwarzlauge, die in der Papierindustrie verwendet werden, bedeutet beispielsweise das frühe Erfassen von einem Leck in den Kesselrohren häufig den Unterschied zwischen einem kontrollierten Abschalten und einer katastrophalen Explosion. Solche Explosionen führen. nicht nur zur Zerstörung des Kessels sondern häufig auch zu schweren Verletzungen oder Todesfällen.
Das Erfassen des Auftretens von einem realen und signifikanten Ereignis in einem System, insbesondere in einem komplexen System, wie beispielsweise ein Rückgewinnungskessel für Schwarzlauge, ist eine herausfordernde Aufgabe. Solche Systeme haben häufig viele Variablen, und ihr Betrieb ist Gegenstand von beträchtlichen, aber immer noch normalen, Veränderungen und Fluktuationen. Diese normalen funktionalen Veränderungen und Fluktuationen neigen dazu, Ereignisse zu überlagern oder die falsche Erscheinung von einem solchen zu erzeugen. Daher muss ein Überwachungssystem zum Erfassen des Auftretens von einem Ereignis in der Lage sein, diese normalen Fluktuationen herauszufiltern, wobei es aber trotzdem empfindlich genug bleiben muss, um die frühe Angabe von einem Ereignis zu bewirken.
In dem Fall von Rückgewinnungskesseln wurden vor mehreren Jahren von Entwicklern Verfahren zum Erfassen von Wasserlecks vorgeschlagen und getestet. Bei den meisten Leckerfassungsverfahren werden die gesamten luftübertragenen oder strukturellen akustischen Energiepegel in dem Kessel überwacht, um zu bestimmen, ob ein Leck vorhanden ist. Solche akustischen Leckerfassungsstrategien leiden jedoch unter signifikanten Beschränkungen. Diese Beschränkungen umfassen Interferenzen, die durch hohe Hintergrundrauschpegel entstehen, die Abschwächung der akustischen Energie, die in dem Kessel auftritt, und eine begrenzte Haltbarkeit von akustischen Sensoren in der rauhen Umgebung des Kessels.
Eine neuere Verbesserung bei akustischen Leckerfassungssystemen, die von der Westvaco Corporation entwickelt wurde, verwendet spektrale Analysetechniken (TAPPI Journal (Juli 1990)). Obwohl das Westvaco-System eine Verbesserung gegenüber vorheriger akustischer Leckerfassungssysteme zu sein scheint, leidet es jedoch noch in einem gewissen Ausmaß unter den oben genannten Nachteilen der akustischen Leckerfassungstechnologie. Darüber hinaus sind akustische Spektralanalyse-Leckerfassungssysteme in ihre Anschaffung, Implementierung und Wartung häufig sehr teuer.
Ein anderer Lösungsansatz für ein Leckerfassungssystem, das von dem Anmelder in dem US-Patent 5,363,693 offenbart wurde, erfasst ein Leck durch Bestimmung einer Masse-Symmetrie um den Rückgewinnungskessel. Durch Messen des Fluids, das in das Rückgewinnungskesselsystem hineinströmt und aus diesem herausströmt, können Fluidleckverluste, die auf der Differenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang basieren, berechnet werden. Wenn bestimmt worden ist, dass die Differenz signifikant ist, wird ein Leck angegeben.
Obwohl dieses Leckerfassungssystem eine deutliche Verbesserung gegenüber vorhandenen akustischen Verfahren bietet, besteht ein weitergehendes Bedürfnis, die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit von einem Leckerfassungssystem zu verbessern. Darüber hinaus vernimmt der Anmelder ein allgemeines Bedürfnis nach einem System, das schnell und genau ein Auftreten von einem Ereignis oder eine signifikante Veränderung in allen Typen von dynamischen Systemen erfassen kann, die normale Fluktuationen erfahren. Die vorliegende Erfindung erfüllt unter anderem diese Anforderungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die vorliegende Erfindung wird eine frühzeitige und genaue Erfassung von einem Ereignis oder einer signifikanten Veränderung in einem Zielsystem erreicht, und zwar durch statistische Auswertung von zumindest einer funktionalen Variablen des Zielsystems. Die funktionale Variable kann mit Masse, Volumen, Energie, Momentum, Zeit, Geld, Qualität oder irgendeinem anderen quantitativen Messwert oder Berechnung in Beziehung stehen, die eine Angabe von einem oder mehreren Zuständen des Zielsystems zur Verfügung stellt, die sich in Reaktion auf das Ereignis verändern. Die funktionale Variable wird durch periodische Durchschnittsbildung von deren Werten über relativ kurze und lange Zeiträume bewertet. Durch Vergleichen der Langzeit- und Kurzzeitdurchschnitte unter Verwendung von bequemen, leicht zu implementierenden statistischen Techniken kann das Auftreten von einem Ereignis mit einem hohen Ausmaß an Zuverlässigkeit bestimmt werden, und zwar trotz der normalen Fluktuationen des Zielsystems. Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 13 beansprucht.
Ein hier offenbartes Verfahren umfasst die folgenden Schritte: (a) Berechnen von Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitten von sequentiell aufgezeichneten Werten von einer funktionalen Variablen, wobei der Langzeitdurchschnitt zumindest einen Wert zusätzlich zu jenen enthält, die in dem Kurzzeitdurchschnitt enthalten sind; (b) Berechnen einer Differenz Δ zwischen den Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitten; und (c) statistisches Bewerten, ob Δ signifikant ist und das Auftreten von einem Ereignis angibt.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die statistische Bewertung in Schritt (c) die Analyse von Δ, um dessen Signifikanz hinsichtlich der Anzahl von Werten, die in den Durchschnittswerten betrachtet werden, und der Variation zwischen den Werten zu bestimmen. Die Zuverlässigkeit der Angabe wird erhöht, indem wiederholt berechnet wird, ob ein signifikantes Δ existiert. Wenn die Anzahl von sequentiellen signifikanten Δs ansteigt, so steigt auch die Sicherheit an, dass ein Ereignis aufgetreten ist.
Eine bevorzugte Technik für die Bestimmung der Signifikanz von Δ beinhaltet das Berechnen von t_Test. Durch diese Berechnung wird eine wichtige Korrelation zwischen der Abtastgröße und der Sicherheit erreicht, dass ein Δ real ist, im Gegensatz zu lediglich einer zufälligen Anomalie oder "Rauschen".
In einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet die statistische Bewertung in Schritt (c) eine Analyse der Veränderung bezüglich Δ über die Zeit. Durch Analysieren der Dynamiken von Δ kann ein Trend erfasst werden, durch den ein Ereignis angegeben wird, und zwar weit bevor die volle Wirkung von dem Ereignis durch statistische Messungen realisiert wird. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung antizipiert ein Ereignis basierend auf dem Trend von Δs, anstatt zu warten, bis Δ einen vorbestimmten Grenzwert erreicht. Durch diesen Lösungsansatz wird nicht nur die Zeit verkürzt, innerhalb derer ein Ereignis bestimmt werden kann, und zwar gegenüber den Verfahren gemäß Stand der Technik, sondern es wird auch die Genauigkeit solcher Bestimmungen verbessert und das Auftreten von falschen positiven Alarmmeldungen vermindert.
Die dynamische Analyse, die vorstehend erläutert wurde, kann durch zumindest einmaliges Wiederholen der Schritte (a) und (b), wobei die aktuelleren Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitte zumindest einen Wert mehr aufweisen als die Werte, die in einem zuvor berechneten Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitt betrachtet wurden, und dann durch Berechnen der Veränderung bezüglich Δ über die Veränderung der Sequenz der aufgezeichneten Werte durchgeführt werden. Wenn die Veränderung bezüglich Δ einen vorbestimmten Wert übersteigt, dann ist das Auftreten von einem Ereignis wahrscheinlich.
Außerdem ist hier ein System offenbart, das eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), Benutzerschnittstelleneinrichtungen, die funktional mit der CPU verbunden sind, um die funktionale(n) Variable(n) des Zielsystems einzugeben und um eine Angabe von einem Auftreten von einem Ereignis auszugeben, und einen Speicher beinhaltet, der ein Programm mit Befehlen für das System enthält, um den oben genannten Prozess durchzuführen. Das System kann außerdem Messeinrichtungen zum Messen der Eingänge und Ausgänge des Zielsystems beinhalten.
Außerdem ist ein durch einen Computer lesbares Medium offenbart, das ein Programm mit Befehlen für das oben genannte System enthält, um den vorstehend erläuterten Prozess durchzuführen.
Das Verfahren und das System, das gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt wird, ermöglichen es dem Benutzer, ein dynamisches System zu überwachen, das zu funktionalen Fluktuationen neigt, und schnell und genau das Auftreten von einem signifikanten Ereignis zu erfassen, das anderenfalls überlagert oder durch die funktionalen Fluktuationen falsch impliziert wird. Es gibt viele Anwendungen für die vorliegende Erfindung, die beispielsweise das Überwachen einer Massen-Symmetrie um einen Kessel herum, um ein Leck zu erfassen; das Überwachen der Wärmeübertragung von einem Wärmetauscher, um die Ausbildung einer übermäßigen Menge an Zunder zu erfassen; das Überwachen des Energie verbrauchs von einem Motor, um den Ausfall der Lager zu überwachen, das Überwachen der Überstunden, um einen Zustand mit zu wenig Personal zu überwachen; das Überwachen von Service-Anrufen, um ein defektes Produkt zu erfassen; und Überwachen der Qualität von einer Montagelinie umfassen, um eine schlechte Moral zu erfassen. Tatsächlich kann die vorliegende Erfindung auf irgendein Zielsystem oder auf irgendeine Situation mit zumindest einer funktionalen Variablen angewendet werden, die sich in Reaktion auf ein Ereignis verändert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel von dem Prozess der Erfindung darstellt;
2 ist eine schematische Darstellung von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel von dem System der Erfindung;
3 ist eine schematische Darstellung von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel von dem System, das bei einem chemischen Rückgewinnungskessel angewendet wird;
4 ist ein Diagramm, das die Trommel-Symmetrien über die Zeit relativ zu verschiedenen Zeitrahmen darstellt;
5 ist ein Flussdiagramm von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel von dem Prozess der Erfindung, in dem ein Muster von signifikanten Δs überwacht wird; und
6 ist eine Darstellung von Werten von System-Symmetrien als eine Funktion sequentieller Aufzeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Durch die vorliegende Erfindung werden ein System und ein Verfahren zur schnellen und genauen Erfassung des Auftretens von einem Ereignis in einem Zielsystem zur Verfügung gestellt. Die vorliegende Erfindung kann bei jedem Zielsystem angewendet werden, das ein oder mehrere funktionale Variablen hat, die sich in Reaktion auf das Auftreten von einem Ereignis in oder um das Zielsystem verändern. Geeignete Zielsysteme umfassen beispielsweise Vorrichtungen, wie Kessel, Wärmetauscher oder Reaktoren; Kombinationen aus Komponenten, wie zum Beispiel elektrische Verteilungssysteme, Frischwasserkühlsysteme oder Montagelinien; und sogar Personal, wie in einem Kaufhaus, Büroangestellte oder die Bevölkerung einer Stadt.
Ein Ausführungsbeispiel von dem Prozess der Erfindung ist in 1 als ein Flussdiagramm dargestellt. Unter Bezugnahme auf diese Figur werden in Block 101 Werte von funktionalen Variablen periodisch gemessen oder berechnet und anschließend aufgezeichnet. Block 102 berechnet dann Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitte für diese Werte und zeichnet diese auf. Die Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitte sind gleitende Durchschnittswerte der funktionalen Variablen-Werte und werden normalerweise neu berechnet, wenn ein neuer funktionaler Variablen-Wert aufgezeichnet wird. Der Kurzzeitdurchschnitt basiert auf einer Abtastgröße, die ein Bruchteil von der Abtastgröße ist, die für den Langzeitdurchschnitt verwendet wird. In Block 103 wird die Differenz zwischen jedem entsprechenden Satz von Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitten bestimmt, hier "Δ". In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird in Block 104 bestimmt, ob sich Δ über einem vorbestimmten Grenzwert befindet. Dieser Schritt vermeidet eine unnötige statistische Bewertung in Block 105, falls Δ nicht signifikant ist. Wenn Δ einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt oder wenn der optionale Block 104 nicht verwendet wird, dann geht der Prozess weiter zu Schritt 105, in dem die Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitte unter Verwendung statistischer Techniken bewertet werden, um zu bestimmen, ob Δ real und signifikant ist und somit ein Ereignis anzeigt. Die statistischen Bewertungstechniken, die in diesem Prozess angewendet werden, stellen einen wichtigen Aspekt der Erfindung dar und werden nachfolgend in größerem Detail betrachtet. Nach der Bewertung, dass Δ in Block 106 als nicht signifikant bestimmt wurde, endet die Abfrage von einem bestimmten Δ. Wenn Δ signifikant ist, dann zeigt Block 107 das mögliche Auftreten von einem Ereignis an.
Ein Ausführungsbeispiel von dem System der Erfindung ist schematisch in 2 dargestellt. Wie gezeigt, weist ein System 200 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 201 auf, die ein diskreter Prozessor oder eine Kombination aus Prozessoren sein kann, die in einem Personalcomputer, einer Steuerung, einer Arbeitsstation, einem Main-Frame oder Ähnlichem konfiguriert ist. Solche CPUs sind in der Technik bekannt. Eine Benutzerschnittstelle 202 ist funktional mit der CPU 201 verbunden. Die Benutzerschnittstelle kann Eingabeeinrichtungen aufweisen, wie zum Beispiel eine Maus oder eine Tastatur, die es dem Benutzer ermöglichen, Informationen in das System 200 einzugeben. Sie kann außerdem Ausgabeeinrichtungen aufweisen, wie zum Beispiel ein Anzeige-Monitor, ein Drucker oder ein akustischer Alarm-Mechanismus, wodurch dem Benutzer eine Angabe bezüglich der Ausgabe des Systems zur Verfügung gestellt wird. Das System 200 kann außerdem eine Messeinrichtung 205 aufweisen, die funktional mit der CPU 200 verbunden ist. Die Messeinrichtung 205 misst eine oder mehrere funktionale Variablen eines Zielsystems 150. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Zielsystem 150 einen Eingang 151, einen Ausgang 152 und ein mögliches Ereignis 153 (gestrichelte Linie), das stellvertretend für ein Leck, einen Verlust oder eine Unwirtschaftlichkeit sein kann. Es sei angemerkt, dass die Messung von einer funktionalen Variablen durch eine Einrichtung außerhalb des Systems der vorliegenden Erfindung durchgeführt und der CPU 201 durch in der Technik bekannte Einrichtungen zugeführt werden kann. Mit der CPU 201 ist außerdem ein Speicher 204 funktional verbunden, der ein Programm mit Befehlen für das System 200 enthält, um den Prozess der vorliegenden Erfindung durchzuführen, wie vorstehend beschrieben. Der Speicher 204 kann irgendein bekanntes Speichermedium sein, wie zum Beispiel ein RAM oder ein PROM.
Das Programm mit Befehlen kann ein integrierter Bestandteil des Systems der vorliegenden Erfindung oder ein diskreter Aspekt der vorliegenden Erfindung sein. Das Programm kann dazu ausgestaltet sein, um auf bekannten Betriebsplattformen zu laufen, und ist angepasst, um auch zu zukünftigen Betriebsplattformen kompatibel zu sein. Das Programm kann auf irgendeinem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert sein, wie zum Beispiel eine Diskette, ein Band, eine CD-ROM, ein RAM oder PROM.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel von dem System der vorliegenden Erfindung, wie es bei einem chemischen Rückgewinnungskessel angewendet wird, ist in 3 gezeigt. Unter Bezugnahme auf diese Figur ist ein System 310 zum Erfassen einer Leckage aus einem chemischen Rückgewinnungskesselsystem 312 vom Typ gezeigt, der eine Rückgewinnungs kesseltrommel 314 und eine zugehörige Dampfausgangsrohrleitung 316 aufweist. Das Rückgewinnungskesselsystem 312 weist normalerweise eine Zuführwasserleitung 318 zum Zuführen zum Wasser zu der Rückgewinnungskesseltrommel 314 und eine Ausgangsleitung 320 für eine "Blow-down"-Strömung auf. Das Kesselsystem 312 weist außerdem eine Dampfausgangsrohrleitung 316 auf, die normalerweise zu einer Turbine für die Erzeugung von Elektrizität führen. Eine Einströmleitung 322 zum Einleiten von Kühlschlangen-Fluid, normalerweise Wasser, in die Dampfrohrleitung 316 ist ebenfalls in 3 dargestellt. Der Zweck des Kühlschlangen-Fluids besteht darin, den Dampf abzukühlen, der über einen vorbestimmten Pegel hinaus erhitzt wurde. Primäre und sekundäre Superheizer 324, 326 können in der Dampfausgangsrohrleitung 316 angeordnet sein.
Das System 310 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine erste Überwachungseinrichtung 328 auf, die in der Zuführwasserleitung 318 angeordnet ist, um die Massenströmung des zugeführten Wassers in die Rückgewinnungskesseltrommel 314 zu messen. Eine zweite Überwachungseinrichtung 330 befindet sich in der Blow-down-Ausgangsleitung 320 zum Messen der Massenströmung der Blow-down-Strömung, die aus der Rückgewinnungskesseltrommel 314 ausgestoßen werden kann. Eine dritte Überwachungseinrichtung 332 befindet sich in der Kühlschlangen-Fluideinströmleitung 322 zum Messen der Massenströmung des Kühlschlangen-Fluids in die Dampfausgangsrohrleitung 316. Eine vierte Überwachungseinrichtung 334 ist in dem Ausströmbereich der Dampfrohrleitung 316 vorgesehen, um den Massenausgang aus der Dampfrohrleitung 316 zu messen. Eine fünfte Überwachungseinrichtung 343 ist funktional mit der Kesseltrommel 314 verbunden, um den Pegel des Fluids in der Trommel zu messen, anschließend hier als der "Trommel-Pegel" bezeichnet. Die Überwachungseinrichtungen 328, 330, 332, 334 und 343 arbeiten funktional alle elektronisch und sind alle so konstruiert und angeordnet, um elektronisch an eine Steuerung 336 zu berichten, wie schematisch in 3 dargestellt ist.
Der Prozess der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend in größerem Detail und unter Bezugnahme auf ein spezielles Zielsystem erläutert, nämlich der chemische Rückgewinnungskessel, wie vorstehend beschrieben. Es soll jedoch verstanden werden, dass der Prozess auch auf andere Zielsysteme angewendet werden kann, die eine oder mehrere funktionale Variablen beinhalten, die sich bei dem Auftreten von einem Ereignis verändern.
Aufzeichnung von funktionalen Variablen-Werten
Der erste Schritt beinhaltet das sequentielle Aufzeichnen der Werte von einer oder von mehreren funktionalen Variablen des Systems. Wie vorstehend erläutert, kann sich die funktionale Variable auf Masse, Volumen, Energie, Momentum, Zeit, Geld, Qualität oder andere quantitative Messwerte oder Berechnungen beziehen, die eine Angabe von einem oder mehreren Zuständen des Zielsystems liefern, die sich in Reaktion auf ein Ereignis verändern. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bezieht sich die funktionale Variable auf eine System-Symmetrie, die durch Vergleichen der Eingänge mit den Ausgängen berechnet werden kann. Zum Beispiel kann der Eingang Rohmaterial, Energie, Wasser, Dampf, etc. sein, und der Ausgang kann ein fertiges Produkt, Dampf, Energie, etc. sein. In einem einfachen Zielsystem gibt es eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den funktionalen Eingangsvariablen und den funktionalen Ausgangsvariablen, was bedeutet, dass eingehende Einheiten direkt einer ausgehenden Einheit entsprechen, z.B. Gallonen von einströmendem Wasser/Gallonen von ausströmendem Wasser. In einem komplizierteren Zielsystem müssen der Eingang und der Ausgang verglichen werden. Beispielsweise kann eine Eingabe von einer bestimmten Menge an Wasser und Energie einer Ausgabe von Dampf mit einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur entsprechen. Das Vergleichen solcher Eingänge und Ausgänge ist in der Technik bekannt.
Unter Bezugnahme auf 3 berichten die Überwachungseinrichtungen 328, 330, 332, 334 während des Betriebs des Rückgewinnungskesselsystems 312 kontinuierlich an die Steuerung 336, welche Abtastwerte solcher Daten periodisch abtastet, vorzugsweise alle 2 Sekunden. Aus diesen Daten berechnet die Steuerung 36 eine System-Symmetrie, die in diesem Fall die Trommel-Symmetrie (DB) ist, ausgedrückt in Einheiten von Masse pro Zeiteinheit. Diese Berechnung, die in dem in 1 dargestellten Flussdiagramm als Block 101 gezeigt ist, kann folgendermaßen ausgedrückt werden: DB = Zuführwasserströmung + Kühlschlangen–Strömung – (Dampfströmung + Blow-down-Strömung) Gleichung (1)
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Genauigkeit der Erfassung einer signifikanten Veränderung in einer System-Symmetrie durch Kompensation normaler Fluktuationen in dem System verbessert werden. An dieser Stelle besteht eine Beziehung zwischen der System-Symmetrie und einer oder mehreren funktionalen Variablen, die darauf einwirken. Die Korrelation zwischen der (den) funktionalen Variable(n) und der System-Symmetrie kann verwendet werden, um einen Korrektur- oder Kompensationsfaktor zu erzeugen, der auf die System-Symmetrie angewendet werden kann, um erwartete Fluktuationen zu korrigieren.
Zum Beispiel wird bei einem chemischen Rückgewinnungskessel die Berechnung der Trommel-Symmetrie verbessert, und zwar durch Kompensieren des Ausdehnens und Zusammenziehens der Kesseltrommel 14, was durch Druckveränderungen in dem System 10 und durch andere Faktoren bewirkt wird. Das Ausdehnen und Zusammenziehen der Kesseltrommel kann fehlerhafterweise ein Leck überdecken oder vorgeben. Das heißt, wenn sich ein Kessel ausdehnt, dann steigt sein Volumen an, und er nimmt mehr Fluid auf. Dies bewirkt eine Angabe, dass die Menge an Fluid, die in den Kessel eintritt, kleiner ist als die des austretenden Fluids, wodurch daher ein Leck vorgegeben wird. Wenn sich der Kessel im Gegensatz dazu zusammenzieht, dann wird seine Kapazität kleiner. Dies führt zu einer ansteigenden Fluidmenge relativ zu dem Kesselsystem. Wenn ein Leck vorhanden ist, dann kann die erhöhte Fluidmenge dazu dienen, dieses Leck zu überdecken, da es sein kann, dass sich die Fluidausgabe nicht verändert oder gegenüber der Fluideingabe sogar ansteigen kann. Daher kann eine genaue Trommel-Symmetrie durch Kompensieren des Zusammenziehens/Ausdehnens des Kessels berechnet werden.
An dieser Stelle wird durch die vorliegende Erfindung eine Beziehung zwischen der Trommel-Symmetrie und dem Trommelpegel hergestellt. Es wurde herausgefunden, dass der Trommelpegel eine einfache und genaue Korrelation mit der Trommel-Symmetrie zur Verfügung stellt (obwohl andere Variablen, wie zum Beispiel der Systemdruck und die Temperatur, individuell oder in Kombination verwendet werden können, um eine Angabe von der Trommel-Symmetrie zur Verfügung zu stellen). Theoretisch sollen der Trommelpegel und die Trommel-Symmetrie Spiegelbilder voneinander sein – wenn die Trommel-Symmetrie zunimmt und abnimmt, dann sollte der Trommelpegel jeweils sinken bzw. ansteigen. Basierend auf dieser Beziehung empfängt die Steuerung 334 ein Signal von der Überwachungseinrichtung 343 und berechnet eine kompensierte Trommel-Symmetrie (DB_c) unter Verwendung der folgenden Gleichung: DBc = DB – DBp Gleichung (2)wobei DB entsprechend Gleichung (1) berechnet wird und DB_p der Kompensationsfaktor basierend auf dem Trommelpegel ist. Der Kompensationsfaktor hat die folgende Korrelationsgleichung: DBp = a + DL * b Gleichung (3)wobei a eine wandernde Erfassung, b eine wandernde Steigung für einen bestimmten Satz von Daten und DL der Trommelpegel ist.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Korrelationsgleichung unter Verwendung einer neuronalen Netzwerklogik erzeugt. Neuronale Systeme sind in der Technik bekannt und können ihrerseits verwendet werden, um ein Prozessverhalten unter Verwendung von On-line-Daten vorherzusagen. Die Verwendung von neuronalen Korrelationstechniken ermöglicht daher, dass der Kompensationsfaktor periodisch aktualisiert werden kann, beispielsweise alle zwei Sekunden, um Fluktuationen zu berücksichtigen, die durch das Ausdehnen und Zusammenziehen in der Trommel-Symmetrie bewirkt werden, wodurch fehlerhafte Messungen minimiert werden. Obwohl neuronale Netzwerke ein wichtiges Werkzeug zur Vorhersage der Ausgabe bereitstellen, soll verstanden werden, dass auch andere herkömmliche Korrelationstechniken verwendet werden können. Darüber hinaus wird angenommen, dass zukünftige Korrelationstechniken, die verwendet werden, um eine Variable basierend auf einer anderen Variablen oder eine Gruppe von Variablen vorherzusagen, bei diesem Leckerfassungssystem Anwendung finden.
Berechnung der Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitte
Die vorliegende Erfindung verwendet einen Vergleich der Langzeitabtastung und der Kurzzeitabtastung bei seiner statistischen Bewertung von einer oder mehreren funktionalen Variablen. Insbesondere wird ein gleitender Langzeitdurchschnitt von einer funktionalen Variablen über einem bestimmten Zeitrahmen oder "Fenster" berechnet. Das Fenster beinhaltet eine bestimmte Abtastgröße von sequentiell aufgezeichneten Werten von einer funktionalen Variablen. Die Abtastung von Daten in diesem Fenster verändert sich, wenn neue funktionale Variablen-Werte aufgezeichnet werden. Diese neuen Werte werden in das Fenster eingegeben, während ältere Werte gelöscht werden. Ein gleitender Kurzzeitdurchschnitt von der funktionalen Variablen wird lediglich über einen Bereich dieses Fensters berechnet.
Die Durchschnittsbildung von Daten ist in der Technik allgemein bekannt, und innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung kann irgendeine bekannte Technik angewendet werden. In dem chemischen Rückgewinnungskessel verwendet die Steuerung 336 beispielsweise Langzeitabtastungen und Kurzzeitabtastungen bei ihrer statistischen Analyse von Daten, die von den Überwachungseinrichtungen 328, 330, 332, 334 empfangen werden. Wie nachfolgend in Gleichung (4) und (5) dargestellt, berechnet die Steuerung 336 periodisch Kurzzeit- und Langzeit-Trommel-Symmetrie-Durchschnitte DB₁ und DB₂ für jede Datenabtastung, wobei Ts die aktuelle Zeit in Sekunden darstellt, N₁ die Anzahl von Abtastungen darstellt, die in dem Kurzzeitdurchschnitt enthalten sind, und N₂ die Anzahl von Abtastungen darstellt, die in dem Langzeitdurchschnitt enthalten sind:
Statt sich auf ein einzelnes Fenster zu verlassen, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Fenstern mit variierender Dauer oder Abtastgröße verwendet. Jedes Fenster entspricht einem Paar (hier "Fensterpaar") von Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitten.
Eine Vielzahl von Fensterpaaren ermöglichen es dem System und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, eine Symmetrie zwischen Antwortverhalten und Genauigkeit zu erreichen. Ein Fensterpaar, das über einen relativ kurzen Zeitrahmen aufgenommen wird, ermöglicht eine relativ schnelle Angabe von einem Leck. Jedoch ist die Gefahr von einem Fehlalarm infolge der relativ kleinen Datenabtastung größer, und zwar wegen der relativ kleinen Datenabtastung, die nicht in der Lage ist, eine ansonsten geringe Systemfluktuation zu übersteigen. Andererseits beinhaltet ein längeres Zeitfenster eine größere Abtastgröße und eine Tendenz, die Effekte von vorübergehenden Fluktuationen zu reduzieren. Die Folgen einer solchen Genauigkeit sind jedoch eine verminderte Antwortzeit. Daher wird durch die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Zeitrahmen zur Verfügung gestellt, um die Anforderungen an Antwortzeit und Genauigkeit zu erfüllen.
Ein Beispiel von einem System mit mehreren Fensterpaaren für ein Rückgewinnungskesselsystem ist in 4 gezeigt. Diese Figur zeigt Trommel-Symmetriedaten über die Zeit in Relation zu einem Leckerfassungssystem mit drei unabhängigen Fensterpaaren – ein erstes Paar 401, ein zweites Paar 402 und ein drittes Paar 403. Die rechte Seite der Darstellung zeigt die Zeit 0 oder die aktuelle Zeit an, und in Richtung auf die linke Seite der Darstellung werden die Kessel-Symmetriedaten näher datiert. Aus der Darstellung aus 4 ist offensichtlich, dass bei jeder Aktualisierung neue Trommel-Symmetriedaten gleichzeitig von rechts in die Fensterpaare eingegeben werden, wohingegen mehrere ältere Trommel-Symmetriedaten die Fensterpaare zur linken Seite hin verlassen. Die Dauer, für die bestimmte Trommel-Symmetriedaten in einem Fensterpaar verbleiben, hängt insgesamt von der Fenstergröße ab.
Das erste Fensterpaar 401 entspricht einer Kurzzeitdurchschnitts-Trommel-Symmetrie, die sich zeitlich rückwärts für eine kurze Zeit 404 erstreckt. Die Kurzzeitdurchschnitts-Trommel-Symmetrie von dem zweiten Fensterpaar 402 erstreckt sich zeitlich für eine kurze Zeit 405 zurück, die länger ist als die kurze Zeit 404. Auf ähnliche Weise entspricht das dritte Fensterpaar 403 einer Kurzzeitdurchschnitts-Trommel-Symmetrie, die sich für eine kurze Zeit 406 zeitlich zurück erstreckt, die noch länger als die kurze Zeit 405 ist. Die Langzeitdurchschnitts-Trommel-Symmetrien, die dem ersten 401, dem zweiten 402 und dem dritten 403 Fensterpaar entspricht, erstrecken sich für lange Zeiten 407, 408 bzw. 409 zurück.
Die kurze Zeit, über die ein bestimmter Kurzzeitdurchschnitt berechnet wird, oder mit anderen Worten, die Anzahl der betrachteten Daten, steht vorzugsweise mit der zyklischen Tendenz des überwachten Systems in Beziehung. Infolge verschiedener Betriebsbedingungen, beispielsweise Ein- und Ausschalten von Pumpen und sich verändernde Dampfanforderungen, neigt eine gegebene funktionale Variable dazu, in Zyklen zu verlaufen. Es ist daher bevorzugt, dass die Kurzzeitdurchschnitte über eine Periode aufgenommen werden, die einem Bereich von dem Zyklus entspricht, der etwa einen Bereich der funktionalen Variablen-Wert-Höhen bereitstellt, von dem erwartet wird, dass er in einem bestimmten Zyklus auftritt, beispielsweise ein Viertelzyklus. Auf diese Weise enthalten die Kurzzeitdurchschnitte sowohl zyklische Hochs und Tiefs und neigen folglich dazu, fehlerhafte Angaben von Lecks zu vermeiden, die durch allgemeine Zyklen verursacht werden.
Der Zyklus kann entweder durch die Bestimmung der Systemdaten über die Zeit oder vorzugsweise durch deren On-line-Berechnung in der CPU des Systems unter Verwendung von zeitweise aufgezeichneten Daten erfolgen. Letzteres kann unter Verwendung von bekannter Korrelations- oder Kurvenanpassungssoftware erfolgen. Indem der Zyklus der funktionalen Variablen in der CPU kontinuierlich aktualisiert wird, kann das System die Kurzzeitdurchschnitts-Trommel- Symmetrien einstellen, um relevante Bereiche von dem Zyklus abzudecken, wenn der Zyklus selbst variiert.
Die lange Zeit, über die ein bestimmter Langzeitdurchschnitt aufgenommen wird, hängt teilweise von der kurzen Zeit von deren zugehörigen Kurzzeitdurchschnitten ab. Das heißt, der Langzeitdurchschnitt sollte lang genug sein, um Funktionszustände zu übersteigen, die den Kurzzeitdurchschnitt beeinflussen, aber nicht so lang sein, um alle Trommel-Symmetrie-Anomalien auszugleichen. Wie in dieser Offenbarung verwendet, bezieht sich R auf das Verhältnis von N₂ geteilt durch N₁. Es wurde herausgefunden, dass ein bevorzugtes R oder das Verhältnis von N₂ zu N₁ etwa 8:1 bis etwa 12:1 beträgt, oder bevorzugter etwa 10:1. Darüber hinaus kann es unter spezieller Berücksichtigung der längeren Zeitrahmen vorteilhaft sein, den Langzeitdurchschnitt über eine typische Arbeitsverschiebung zu erstrecken. Auf diese Weise können funktionale Differenzen zwischen verschiedenen Verschiebungen ausgeglichen werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines falschen positiven Alarmsignals reduziert wird.
Es wird nun wieder auf 4 Bezug genommen, in der das erste 401, das zweite 402 und das dritte 403 Fensterpaar kurze Zeiten haben, die etwa einem viertel, einem halben bzw. einem ganzen Kesselzyklus entsprechen. Die langen Zeiten sind etwa zehnmal so lang. Daher führt die Steuerung 336 in einem System mit einem Trommel-Symmetrie-Zyklus von etwa 40 Minuten zu einem Kurzzeitdurchschnitt von 10, 20 und 40 Minuten hinsichtlich des ersten, des zweiten bzw. des dritten Zeitrahmens durch. Die Langzeitdurchschnitts-Trommel-Symmetrien werden über Zeiten von etwa 100, 200 und 400 Minuten für den ersten, den zweiten bzw. den dritten Rahmen berechnet. Es kann vorteilhaft sein, die lange Zeit des dritten Zeitrahmens auf etwa 600 Minuten zu verlängern, oder so, um mehrere Funktionsverschiebungen zu überspannen. Für das erste Fensterpaar betragen N₁ und N₂ gleich 120 bzw. 1200 für eine Abtastung alle fünf Sekunden. Die Anzahl der Trommel-Symmetrie-Daten, die in dem zweiten und dritten Zeitrahmen verwendet werden, können auf ähnliche Weise berechnet werden.
Bestimmen von einem übermäßigen Δ
Nach der Berechnung von Langzeit- und Kurzzeitdurchschnitten von einer funktionalen Variablen berechnet die CPU in Block 203 die zwischenliegende Differenz (hier "Δ"), um die Wahrscheinlichkeit von einem Ereignis zu bestimmen. Wenn Δ nicht eine maximal tolerierbare Differenz Δ_max überschreitet, dann wartet der Prozess bis die Langzeit- und Kurzzeitdurchschnitte aktualisiert sind und berechnet Δ erneut. Wenn Δ_max überschritten wird, dann kann Δ jedoch ein Ereignis angeben, und der Prozess geht weiter zu Schritt 205. Δ_max kann empirisch basierend auf der gewünschten Empfindlichkeit des Systems und des Verfahrens bestimmt werden. Es soll verstanden werden, dass trotz der Bestimmung der Signifikanz von Δ eine statistische Bewertung bevorzugt ist, aber vom Standpunkt der Beibehaltung der Computer-Ressourcen nicht erforderlich ist.
In dem Fall des Rückgewinnungskessels berechnet die Steuerung 336 beispielsweise Δ zwischen den Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitts-Kessel-Symmetrien DB₁ und DB₂ für jedes Fensterpaar für jede Abtastperiode unter Verwendung der folgenden Gleichung: Δ = DB 1 – DB 2 Gleichung (6)
In Block 204 vergleicht die Steuerung 336 danach Δ mit einem vorbestimmten maximalen Grenzwert Δ_max, wie vorstehend beschrieben. Ein Δ von größer als Δ_max kann ein Leck angeben.
Statistische Bewertung von Δ
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Bestimmung, ob Δ "real" ist und ein Ereignis angibt, wie zum Beispiel ein Leck. Daher verwendet die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von statistischen Techniken, und zwar einzeln oder in Kombination. Diese Techniken beinhalten die Folgenden, sind aber nicht darauf beschränkt:

a. Bestimmung der Signifikanz von Δ,
b. Bestimmung eines bestimmten Musters von signifikanten Δs,
c. und Überwachung der Veränderung von Δ.

a. Bestimmung der Signifikanz von Δ
Ein Lösungsansatz für die Bewertung von Δ besteht darin, zu bestimmen, ob es hinsichtlich der Veränderungen in den Abtastdaten und der Größe der Abtastung signifikant ist. Eine bevorzugte Technik, um sie zu bestimmen, ist die Berechnung von t_Test. Der Fachmann auf dem Gebiet der Statistik erkennt, dass t_Test eine wichtige Korrelation zwischen der Abtastgröße und der Gewissheit zur Verfügung stellt, dass ein Δ real ist, statt lediglich eine zufällige Anomalie oder "Rauschen" zu sein.
Ein Flussdiagramm von Prozessen, die die Berechnung und Verwendung von t_Test beinhalten, ist in 5 gezeigt. Die Bestimmung von t_Test erfordert die Berechnung der "pooled" Standardabweichung von Langzeit- und Kurzzeitdurchschnitten in Block 501. Eine solche Berechnung ist in der Technik bekannt. Zum Beispiel kann die Steuerung 336 zuerst die Standardabweichungen σ₁, σ₂ für die Kurzzeit- bzw. Langzeitabtastungen von jedem Fensterpaar unter Verwendung der Gleichungen (7) und (8) berechnen:
In Block 502 berechnet die Steuerung 336 dann die "pooled" geschätzte Standardabweichung S für den gesamten Datensatz für jeden Zeitrahmen 204 unter Verwendung der folgenden Gleichung:
In Block 503 wird die Signifikanz von Δ für jeden Zeitrahmen unter Verwendung von t_Test bestimmt, die auf eine in der Technik bekannte Weise berechnet werden kann. Beispielsweise kann die Steuerung 336 t_Test unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnen:
In Block 504 bestimmt die CPU, ob t_Test ein vorbestimmtes Maximum t_max überschreitet. Wenn t_max überschritten wird, dann wird Δ als signifikant bei einem entsprechendem Vertrauensgrenzwert betrachtet. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung signalisiert die Steuerung 336 einen Alarm in Block 107 (1), wenn t_max überschritten wurde.
b. Überwachung eines Musters von signifikanten Δs
Um die Genauigkeit der Bestimmung des Auftretens eines Ereignisses zu verbessern, werden signifikante Δs (wie beispielsweise durch t_Test berechnet) überwacht, um zu bestimmen, ob ein vorbestimmter Grenzwert überschritten wird. Dieser vorbestimmte Grenzwert wird vom Benutzer definiert und kann eine gegebene Anzahl von signifikanten Δs über einer bestimmten Periode, ein bestimmtes Muster von signifikanten Δs oder eine vorbestimmte Folge von signifikanten Δs beinhalten. Aus diesen ist ein vorbestimmter Grenzwert von aufeinanderfolgenden signifikanten Δs bevorzugt.
Eine Folge von signifikanten Δs in den Durchschnitts-Trommel-Symmetrien bietet ein hohes Ausmaß an Zuverlässigkeit, dass ein Leck tatsächlich vorhanden ist, statt lediglich einem anderen Auftreten. Analog, durch einmaliges Anstoßen einer Münze, wobei diese mit dem Kopf nach oben landet, wird nur eine geringe Aussage über die Tendenz erreicht, ob sie mit gleicher Wahrscheinlichkeit auf der Oberseite oder Unterseite landet. Wenn andererseits eine Münze wiederholt angestoßen wird und kontinuierlich auf der Oberseite landet, steigt die Wahrscheinlichkeit exponentiell, dass die Münze nicht korrekt ist, wenn die Folge der Landungen auf der Oberseite ansteigt.
Durch Erhöhung der Wahrscheinlichkeit von einem Alarmzustand bietet das verbesserte System zwei verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Erstens, eine höhere Wahrscheinlichkeit ist gleichbedeutend mit einer geringeren Anzahl von Fehlalarmen. Fehlalarme können nicht nur ein kostenintensives Herunterfahren bedeuten, sondern sie "desensibilisieren" die Bediener, wodurch bewirkt wird, dass sie unterschiedlich auf ein reales Leck reagieren. Zweitens, eine höhere Zuverlässigkeit ermöglicht ein empfindlicheres System. Das heißt, da die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms wesentlich vermindert ist, kann das t_max kleiner sein. Es muss nicht bei einem relativ hohen Pegel gehalten werden, um als Filter für normale Spitzenwerte zu dienen.
Es wird nun wieder auf 5 Bezug genommen, in dem ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Überwachen eines Musters von signifikanten Δs in einem Rückgewinnungskessel gezeigt ist. Wenn in Block 504 der Wert von t_Test nicht größer ist als t_max, dann setzt die Steuerung 336 die Anzahl oder den Indikator von aufeinanderfolgenden signifikanten Δs (n) in Block 505 auf null und wartet, bis die vorstehend beschriebenen Berechnungen bezüglich der Daten wiederholt werden, die von den Sensoren 328, 330, 332 und 334 in der nächsten Abtastperiode empfangen werden. Wenn andererseits t_Test größer ist als t_max, dann erhöht die Steuerung 336 die Anzahl der signifikanten Δs in Block 506 um 1 und bestimmt dann in Block 507, ob eine vorbestimmte Folge von signifikanten Δs erreicht ist. Wenn die Anzahl von signifikanten Δs erreicht ist, dann wird in Block 207 ein Alarm 338 signalisiert.
c. Überwachen der Veränderung in Δ
Weitere statistische Techniken für die Bestimmung der Signifikanz von Δ bestehen in der Bewertung der Dynamiken von Δ, wenn neue funktionale Variablenwerte periodisch aufgezeichnet werden. Ein Ereignis, wie zum Beispiel ein Leck, erzeugt eine vorhersehbare zeitliche Steigung von Δ. Durch Überwachung der Steigung von Δ kann eine sehr zuverlässige Bestimmung bezüglich des Auftretens von einem Ereignis durchgeführt werden.
6 zeigt eine graphische Darstellung von aufgezeichneten Werten von einer funktionalen Variablen, in diesem Fall eine System-Symmetrie 601, als eine Funktion der Zeit oder von sequentiellen Aufzeichnungen. Die Figur zeigt außerdem die Kurzzeitdurchschnitts-System-Symmetrie 602, die Langzeitdurchschnitts-System-Symmetrie 603, und Δ 604 als System-Symmetrie, die periodisch aufgezeichnet werden. Obwohl die System-Symmetrie in 6 und den nachfolgenden Gleichungen dargestellt ist, sei angemerkt, dass irgendeine funktionale Variable auf ähnliche Weise verwendet werden kann.
Ein Ereignis am Ursprung 605 bewirkt, dass eine anfängliche System-Symmetrie SB₀ scharf auf SB_E 606 ansteigt. Als ein Ergebnis fängt der Kurzzeitdurchschnitt an, auf eine Rate von SB_E/N₁ anzusteigen, wobei N₁ die Anzahl der System-Symmetrien ist, die in dem Kurzzeitdurchschnitt betrachtet werden. Der Kurzzeitdurchschnitt steigt an, bis er seinen Maximalwert an einem Punkt gleich N₁ nach dem Ereignis erreicht. Der Langzeitdurchschnitt steigt mit einer geringeren Rate von SB_E/N₂, wobei N₂ die Anzahl der System-Symmetrien ist, die in dem Langzeitdurchschnitt betrachtet werden. Auf ähnliche Weise wie der Kurzzeitdurchschnitt steigt auch der Langzeitdurchschnitt an, bis er seinen Maximalwert an einem Punkt gleich N₂ nach dem Ereignis erreicht. Nach einer solchen Zeit wird SB₁ in allen System-Symmetrien betrachtet, die sowohl in dem Kurzzeitdurchschnitt als auch in dem Langzeitdurchschnitt verwendet werden, und Δ wird minimiert.
Die Differenz bezüglich der Rate des Anstiegs zwischen dem Kurzzeitdurchschnitt und dem Langzeitdurchschnitt erzeugt ein Δ mit einer charakteristischen Steigung. Als ein Ergebnis des Ereignisses steigt Δ mit einer Steigung, die der folgenden Gleichung gehorcht:
Die Steigung von Δ steigt gemäß der Gleichung 11 für eine Periode gleich N₁ weiter an, wobei Δ an diesem Punkt seinen maximalen Wert erreicht. Dann beginnt Δ langsam mit einer Steigung zu sinken, die die folgende Gleichung hat:
Diese Steigung geht weiter, bis sie einen stabilen Zustand nach einer Periode gleich N₂ von dem Punkt des Ereignisses erreicht.
Die vorliegende Erfindung erkennt die dynamische Beziehung zwischen Δ und dem Auftreten von einem Ereignis. Basierend auf dieser Beziehung bestimmt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Δs als eine Funktion der periodischen Berechnung von System-Symmetrien, um eine Angabe von einem Auftreten zur Verfügung zu stellen. Wenn Δ einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wie vorstehend in Block 106 beschrieben, dann wird die positive Steigung von Δs (hier "Steigung_Δhoch") berechnet. Die Berechnung von Steigung_Δhoch kann unter Verwendung von irgendwelchen bekannten Steigungsberechnungseinrichtungen durchgeführt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Steigung_Δhoch gemäß der folgenden Formel berechnet:
In dieser Gleichung stellt N₀ einen Zeitpunkt oder einen anderen sequentiellen Index dar, durch den die entsprechende Aufzeichnung von einem funktionalen variablen Wert direkt vor dem Auftreten von einem Ereignis identifiziert wird. N₀ steht in Korrelation zu Δ₀, das die berechnete Differenz zwischen der kurzen Zeit und der langen Zeit kurz vor dem Auftreten von einem Ereignis darstellt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind N₀ und Δ₀ die N- und Δ-Werte kurz bevor Δ den Wert Δ_max überschreitet. N_i bzw. Δ_i stellen den sequentiellen Index dar, und Δ gehört zu einem bestimmten aufgezeichneten Wert. Neben der Gleichung 13 kann eine andere herkömmliche Kurvenanpassungssoftware verwendet werden, um die Steigung von Δ zu bestimmen, wie zum Beispiel das Verfahren der kleinsten Quadrate. Der Wert Steigung_Δhoch wird mit einem Steigungsgrenzwert oder Steigung_{Δhoch max} verglichen. Wenn der Wert der Steigung gleich Steigung_{Δhoch max} ist oder diesen übersteigt, dann ist das Auftreten von einem Ereignis wahrscheinlich.
Das Entstehen von Steigung_{Δhoch max} ist ähnlich dem Entstehen von Δ_max und kann durch empirisches Testen durchgeführt werden, um den optimalen Wert für empfindliche und noch zuverlässige Ergebnisse zu bestimmen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Δ_max in Gleichung (11) ersetzt, und die resultierende Steigung ist Steigung_{Δhoch max} Wenn N₁ beispielsweise 10 beträgt, dann beträgt N₂ gleich 100 und Δ_max beträgt 5 Gallonen/Minute, wobei dann Steigung_{Δhoch max} gleich (0,45 Gallonen/Minute)/(Veränderung in N) beträgt. Wenn daher in diesem Beispiel die Steigung gleich (0,45 Gallonen/Minute)/(Veränderung in N) beträgt oder übersteigt, dann ist es wahrscheinlich, dass ein Ereignis stattgefunden hat.
Nachdem bestimmt worden ist, dass Steigung_Δhoch gleich Steigung_Δhoch
max ist oder übersteigt, können zusätzliche statistische Bewertungen durchgeführt werden, um die Genauigkeit zu gewährleisten und eine falsche positive Angabe von einem Ereignis zu gewährleisten. Eine solche statistische Bewertung beinhaltet wiederum die Verbindung von t_Test. In dieser Situation kann t_Test unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt werden:
wobei σ_{Steigung Δ} die Standardabweichung für die Δs ist, die bei der Berechnung von Steigung verwendet werden kann. Wenn t_Test einen vorbestimmten Wert von t_Test, t_max übersteigt, dann wird die Sicherheit von einem Ereignis bei einem bestimmten vertraulichen Pegel erreicht. Beispielsweise gibt ein t_Test von über 2, 94 ein Ereignis mit einer Wahrscheinlichkeit von 99% an. Die Wahrscheinlichkeit steigt, wenn aufeinander folgend neue t_Tests berechnet werden (wie vorstehend beschrieben) die t_max überschreiten.
Ein weiterer Lösungsansatz, um die Gewährleistung zu erhöhen, dass ein Ereignis stattgefunden hat, besteht darin, aufeinanderfolgende Werte von Steigung_Δhochs zu berechnen und zu bestimmen, ob jeder aufeinanderfolgende Wert gleich Steigung_Δmax ist oder übersteigt. Die Wahrscheinlichkeit von einem Ereignis steigt an, wenn die Anzahl von aufeinanderfolgenden Steigung_Δhoch-Werten, die Steigung_Δmax übersteigen, ansteigt. Die optimale Anzahl von Werten, die für einen bestimmten Gewährleistungspegel betrachtet werden, kann von einem Fachmann ohne übermäßiges Experimentieren herausgefunden werden.
Noch ein weiterer Lösungsansatz zur Erhöhung der Gewährleistung, dass ein Ereignis stattgefunden hat, besteht darin, nicht nur die Steigung_Δhoch sondern auch Steigung_Δrunter zu berechnen. Wenn die Steigung von Δs dem theoretischen Gefälle der Gleichung 12 folgt, und zwar nach einer Periode N₁, die auf das übermäßige Δ folgt, dann ist das Auftreten von einem Ereignis nahezu sicher. Das Gefälle von Δ kann gemäß der folgenden Formel berechnet werden:
Steigung_Δrunter wird mit einem Gefälle-Grenzwert verglichen (hier "Steigung_Δrunter
max"). Wenn der Wert der Steigung gleich Steigung_{Δrunter max} ist oder übersteigt, dann ist das Auftreten von einem Ereignis wahrscheinlich. Auf ähnliche Weise können Steigung_max. Steigung_{Δ runter max} durch empirische Maßnahmen oder durch Ersetzen von Δ_max in Gleichung 12 bestimmt werden. In dem Fall beispielsweise, in dem N₁ gleich 10, N₂ gleich 100 und Δ_max gleich 5 Gallonen/Minute ist, dann beträgt Steigung_{Δ runter
max} (0,1 Gallonen/Minute) / (Veränderung in N). Wenn daher in diesem Beispiel die Steigung gleich (0,1 Gallonen/Minute)/(Veränderung in N) beträgt, dann ist es wahrscheinlich, dass ein Ereignis stattgefunden hat.
Die Beziehung zwischen Steigung_Δrunter ZU Steigung_Δrunter
max ist analog der Beziehung Steigung_Δhoch zu Steigung_Δhoch
max hinsichtlich der verbesserten Erfassung von Gewährleistungspegeln. Beispielsweise kann t_Test gemäß Gleichung 14 berechnet werden, die für Steigung_Δrunter statt Steigung_Δhoch berechnet werden.
Es soll verstanden werden, dass ein bevorzugtes Ausführungsbeispiele der Erfindung eine Kombination der obigen Techniken für die Bewertung von Δ beinhaltet.
Angabe von einem Ereignis
Wenn bestimmt worden ist, dass Δ real ist und ein Ereignis angibt, wie beispielsweise ein Leck, dann wird dem Benutzer über die Benutzerschnittstelle eine Angabe oder Warnung gegeben. Die Angabe von einem Ereignis kann akustisch, visuell oder beides sein. In einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Vielzahl von Fensterpaaren verwendet wird, kann darüber hinaus ein unterschiedlicher Alarmzustand für ein bestimmtes Fensterpaar angegeben werden. Die Ernsthaftigkeit von einem Alarm kann der Länge des Fensters entsprechen, das ein Ereignis angibt – je länger das Fenster, desto dringender der Alarm.
Wenn ein Leck erfasst ist, dann stellt die Steuerung 336 (3) wiederum Steuersignale für den Alarm 338 sowie optional zu einer Warnlampe 340 zur Verfügung. Für kürzere Fensterpaare gibt der Alarm an, dass ein mögliches Leck erfasst worden ist. Dies gibt den Benutzern eine Meldung, dass ein Leck wahrscheinlich ist und eine bestätigende Aktion sollte durchgeführt werden, wie beispielsweise das Inspizieren des Kessels, um zu einer Bestätigung zu gelangen. Da die anomalen Trommel-Symmetrie-Daten anschließend die längeren Fensterpaare beeinflussen, wodurch deren Alarme geschaltet werden, muss der Zustand als sehr viel ernsthafter behandelt werden. Ein Langzeitalarm kann eine Notfallaktion erforderlich machen, wie beispielsweise das Abschalten des Zuführwassers.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung signalisiert das Leckerfassungssystem nicht nur einen Alarmzustand, sondern führt eine Aktion zur Verhinderung eines katastrophalen Ausfalls durch. Es wird nun wieder auf 5 Bezug genommen, in der die Steuerung 336 in Block 610 die Leck-Rate Δ für den nächsten Datensatz und für nachfolgende Datensätze berechnet. An dem Ende von solchen Berechnungen bestimmt die Steuerung 336, ob sich die berechnete Leck-Rate Δ bezüglich der zuvor in Block 611 durchgeführten Messungen erhöht hat. Wenn sich Δ nicht erhöht hat, dann wird der Prozess wiederholt. Wenn Δ angestiegen ist, bestimmt die Steuerung 336 in Block 612, ob eine vorbestimmte maximale Zeit T_B abgelaufen ist. Wenn die Zeit gleich T_B nicht abgelaufen ist, dann wird der Abtast- und Berechnungsprozess noch einmal wiederholt. Wenn eine Zeitperiode von größer als T_B abgelaufen ist, dann aktiviert die Steuerung 336 im Block 613 das Abschaltventil 342 der Zuführwasserleitung 318, um das Zuführwasser zu dem Rückgewinnungskessel 314 zu unterbrechen, wodurch das Rückgewinnungskesselsystem 312 automatisch abgeschaltet wird. Wenn daher die Leck-Rate weiterhin über einer vorbestimmten Zeitperiode ohne menschlichen Eingriff ansteigt, dann wirkt das System 310 automatisch, um ein Leck zu verhindern, wodurch verhindert wird, dass in dem Rückgewinnungskesselsystem 12 eine Explosion stattfindet.
BEISPIEL
Dieses Beispiel stellt die praktische Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einem Zielsystem mit einem oder mehreren zu vergleichenden Eingängen und Ausgängen dar, so dass eine System-Symmetrie (SB) dargestellt werden kann. Wie in Tabelle 1 gezeigt, werden die ein oder mehreren theoretischen Eingänge (Ein) und Ausgänge (Aus) sequentiell bei verschiedenen Intervallen (N) eingegeben. Zur Vereinfachung sind der Eingang und der Ausgang nicht mit Einheiten bezeichnet. Der Ausgang wird von dem Eingang subtrahiert, um SB zu bestimmen. Die Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitte SB₁ bzw. SB₂ werden basierend auf einer Kurzzeitabtastung N₁ von 5 und einer Langzeitabtastung N₂ von 15 berechnet. Es sei angemerkt, dass diese Abtastungen normalerweise länger sind, aber hier verkürzt sind, um die Größe des Beispiels handhabbarer zu machen.
Bei Intervall 16 findet ein Ereignis statt, wobei der Ausgang um lediglich etwa Eins (1) abfällt, was bewirkt, dass SB stark ansteigt. Anfänglich wird diese Veränderung in einem größeren Ausmaß durch SB₁ erfasst statt durch SB₂, und zwar infolge der größeren Auswirkung der Veränderung in der kleineren Abtastung von SB₁. Die Differenz der Durchschnitte wird als Δ aufgezeichnet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird bestimmt, ob Δ übermäßig groß ist, bevor es statistisch bewertet wird. In diesem Fall wird ein Δ von größer als 5 als übermäßig groß erachtet und einer statistischen Bewertung von Δ unterzogen, um die Wahrscheinlichkeit von einem Ereignis zu bestimmen. Δ übersteigt diesen Grenzwert im Intervall 19.
Ein Lösungsansatz zur statistischen Bewertung von Δ besteht darin zu bestimmen, ob es signifikant ist, indem dessen t_Test berechnet wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dies bei Intervall 19 (übermäßiges Δ) durchgeführt, wenn jedoch die Rechenleistung vorhanden ist, dann kann t_Test für jedes Δ berechnet werden (wie in Tabelle 1 gezeigt). Die Bestimmung von t_Test erfordert zunächst das Berechnen der Standardabweichung für Kurzzeit- und Langzeitdurchschnitte σ₁ bzw. σ₂. Ein t_Test von 2,94 gint eine Wahrscheinlichkeit von 99% vor, dass ein Ereignis real ist. Daher erfolgt bei Intervall 20 eine Bestimmung, dass das Auftreten von einem Ereignis sehr wahrscheinlich ist.
Ein weiterer Lösungsansatz für die statistische Bewertung von Δ beinhaltet die Überwachung von aufeinanderfolgenden signifikanten Δs. In Intervallen 21 bis 26 werden aufeinanderfolgende signifikante Δs berechnet. Dadurch wird virtuell gewährleistet, dass ein Ergebnis stattgefunden hat.
Noch ein weiterer Lösungsansatz zur Bewertung von Δ beinhaltet das Überwachen der Veränderung von Δ. Die Veränderung von Δ wird hinsichtlich dessen Steigung unter Verwendung von Gleichung (13) berechnet, wobei Δ₀ vor dem Stattfinden eines Ereignisses als Null angenommen wird. In diesem Beispiel wird N₀ als N=15 angenommen, und zwar kurz vor dem Auftreten eines Ereignisses. Die Steigung von Δ steigt unmittelbar bis auf etwa 1,5 an und bleibt für eine Periode gleich der Anzahl von Werten, die in dem Kurzzeitdurchschnitt betrachtet werden, in diesem Fall 5. Eine Steigung von 1,5 übersteigt eine maximale Steigung von 2/3, die unter Verwendung von Gleichung (11) berechnet wurde, und ein Δ_max von 5. Der Gewährleistungspegel einer Ereigniserfassung kann unter Verwendung von t_Test erhöht werden, wobei eine Gleichung dafür in Gleichung 14 gezeigt ist. Wie in Intervallen 18 bis 20 angegeben, werden extrem hohe t_Tests berechnet, wodurch virtuell die Wahrscheinlichkeit von einem Ereignis gewährleistet wird.

Claims

Verfahren, um ein Auftreten von einem Ereignis in einem Zielsystem zu erfassen, und zwar basierend auf sequentiell aufgezeichneten Werten von zumindest einer funktionalen Variablen (101) des Zielsystems, wobei die funktionale Variable eine Angabe von einem oder mehreren Zuständen des Zielsystems zur Verfügung stellt, die sich in Reaktion auf das Ereignis ändern, wobei das Verfahren die Schritte umfasst (a) Berechnung von einem Paar von einem Kurzzeitdurchschnitt und einem Langzeitdurchschnitt dieser Werte (102), wobei der Langzeitdurchschnitt Werte enthält, und zwar zusätzlich zu jenen, die in dem Kurzzeitdurchschnitt enthalten sind; (b) Berechnung der Differenz (103) zwischen diesem Paar; und (c) zumindest einmalige Durchführung einer Reiteration der Schritte (a) und (b), wobei jedes Paar von Kurz- und Langzeitdurchschnitten, bei denen die Reiteration durchgeführt wurde, zumindest einen Wert enthält, der häufiger auftritt als irgendein Wert, der in einem zuvor berechneten Paar von Kurz- und Langzeitdurchschnitten enthalten ist; wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch einen zusätzlichen Schritt: (d) Berechnung einer Steigung (105), wobei diese Steigung die Veränderung bezüglich der Differenzen über der Veränderung bezüglich der Anzahl von sequenziell aufgezeichneten Werten ist, wobei das Auftreten von einem Ereignis angegeben (107) wird, wenn die Steigung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt (d) ein Ereignis angegeben wird, wenn die Steigung der Differenzen, Steigung_Δ, die Steigung_Δmax überschreitet, die die folgende Formel erfüllt:
wobei Δ_max ein vorbestimmter Wert ist, der die maximal tolerierbare Differenz zwischen den Langzeit- und Kurzzeitdurchschnitten darstellt, N₁ die Anzahl der Werte darstellt, die in dem Kurzzeitdurchschnitt enthalten sind, und N₂ die Anzahl der Werte darstellt, die in dem Langzeitdurchschnitt enthalten sind.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in Schritt (d) ein Alarm-Zustand angegeben wird, wenn ein t_test-Wert einen vorbestimmten Wert überschreitet, wobei t_test die folgende Formel erfüllt:
wobei σ_Δ die Standardabweichung für das Δs ist, die verwendet wird, um die Steigung_Δ zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Angabe von einem Ereignis von der Anzahl von Werten abhängt, die in dem Paar von Kurz- und Langzeitdurchschnitten betrachtet werden, die bei der Bestimmung der Differenz verwendet werden, die das Ereignis angibt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die funktionale Variable eine System-Symmetrie ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Zielsystem ein Boiler ist, der vergleichbare. Eingänge und Ausgänge hat, so dass eine Trommel-Symmetrie bestimmbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) mehr als ein Paar von Kurz- und Langzeitdurchschnitten berechnet wird, wobei jedes Paar bezüglich der Anzahl von Werten variiert, die in zumindest dem Langzeitdurchschnitt enthalten sind, wobei in Schritt (b) eine Differenz für jedes Paar berechnet wird, und wobei in Schritt (d) eine Veränderung bezüglich jeder Differenz berechnet und ein Auftreten von einem Ereignis angegeben wird, wenn zumindest eine Veränderung für das Auftreten von einem Ereignis charakteristisch ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem jedes Paar bezüglich der Anzahl von Werten variiert, die in dessen Langzeitdurchschnitt und Kurzzeitdurchschnitten enthalten sind, und zwar relativ zu den Lang- bzw. den Kurzzeitdurchschnitten der anderen Paare, wobei jedoch die Lang- und Kurzzeitdurchschnitte von jedem Paar den gleichen zuletzt sequenziell aufgezeichneten Wert enthalten.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem drei Paare von Kurz- und Langzeitdurchschnitten, ein kurzes Paar, ein mittleres Paar und ein langes Paar, vorgesehen sind, wobei die Lang- und Kurzzeitdurchschnitte von dem langen Paar eine größere Anzahl von Werten als die Lang- bzw. Kurzzeitdurchschnitte von dem mittleren Paar enthalten, und wobei die Lang- und Kurzzeitdurchschnitte von dem mittleren Paar eine größere Anzahl von Werten als die Lang- bzw. Kurzzeitdurchschnitte von dem kurzen Paar enthalten.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem eine unterschiedliche Angabe von einem Ereignis gegeben wird, und zwar abhängig davon, welches Paar von Kurz- und Langzeitdurchschnitten bei der Bestimmung der Veränderung verwendet wird, die für das Auftreten von einem Ereignis charakteristisch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die funktionale Variable eine System-Energie und/oder eine Massen-Symmetrie ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Zeilsystem ein Boiler mit vergleichbaren Eingängen und Ausgängen ist, so dass eine Trommel-Symmetrie bestimmbar ist, wobei die Eingänge und die Ausgänge mit der Energie und/oder der Masse in Beziehung stehen, und wobei die Eingänge und die Ausgänge basierend auf einer Konservierung von Energie und/oder Masse vergleichbar sind.
System, das bei Benutzung ein Auftreten von einem Ereignis in einem Zielsystem erfasst, mit zumindest einer funktionalen Variablen, die eine Angabe von einem oder mehreren Zuständen des Zielsystems zur Verfügung stellt, die sich in Reaktion auf das Ereignis ändern, wobei das System aufweist: (a) Einrichtungen, die bei Benutzung ein Paar von einem Kurzzeitdurchschnitt und einem Langzeitdurchschnitt dieser Werte berechnen, wobei der Langzeitdurchschnitt Werte enthält, und zwar zusätzlich zu jenen, die in dem Kurzzeitdurchschnitt enthalten sind; (b) Einrichtungen zum Berechnen der Differenz zwischen diesem Paar; und (c) Einrichtungen, die bei Benutzung zumindest einmalig eine Reiteration der Schritte (a) und (b) durchführen, wobei jedes Paar von Kurz- und Langzeitdurchschnitten, bei denen die Reiteration durchgeführt wurde, zumin dest einen Wert enthält, der häufiger auftritt als irgendein Wert, der in einem zuvor berechneten Paar von Kurz- und Langzeitdurchschnitten enthalten ist; dadurch gekennzeichnet, dass das System außerdem aufweist: (d) Einrichtungen, die bei Benutzung eine Steigung berechnen, wobei die Steigung die Veränderung bezüglich der Differenzen über der Veränderung bezüglich der Anzahl von sequenziell aufgezeichneten Werten ist, wobei das Auftreten von einem Ereignis angegeben wird, wenn die Steigung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.