EP1920223A1 - Verfahren zur überwachung des betriebszustandes rotierender walzen in einer industriellen anlage - Google Patents

Verfahren zur überwachung des betriebszustandes rotierender walzen in einer industriellen anlage

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Publication number
EP1920223A1
EP1920223A1 EP06741658A EP06741658A EP1920223A1 EP 1920223 A1 EP1920223 A1 EP 1920223A1 EP 06741658 A EP06741658 A EP 06741658A EP 06741658 A EP06741658 A EP 06741658A EP 1920223 A1 EP1920223 A1 EP 1920223A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
deviation
frequency spectrum
parameter
determined
operating state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06741658A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Kuhn
Manuel Hoehener
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Buehler AG
Original Assignee
Buehler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Buehler AG filed Critical Buehler AG
Publication of EP1920223A1 publication Critical patent/EP1920223A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C4/00—Crushing or disintegrating by roller mills
    • B02C4/28—Details

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for monitoring the operating state of rotating rolls in an industrial plant containing at least one or more rotating rolls and to an industrial plant equipped with such a system.
  • Such systems are e.g. roller mills for grain processing or rolling mills for processing suspensions such as chocolate or paint.
  • grain mills which often contain a variety of roll mills, which are housed in a correspondingly large mill building, the individual roller pairs of the roll mills can not be constantly monitored by a miller.
  • Faulty operating conditions such as dry running, winding or belt slippage, while the skilled person can perceive optically or acoustically, this assumes that he is standing next to the relevant roller mill and can both see and hear it.
  • the invention is therefore based on the object, a method and a system for Ü monitoring of the operating condition of rotating rollers in an industrial plant that contains at least one or more rotating rollers, so that not only the presence of any faulty operating condition, but also a Detection of the type of faulty operating state is possible.
  • the method according to the invention for monitoring the operating state of rotating rolls in an industrial plant which contains at least one or more rotating rolls comprises the following steps:
  • the detection of the vibrations in step a) preferably takes place by means of an acceleration sensor mounted on the bearing of the rotating roller.
  • acceleration sensors per bearing can also be used, e.g. to capture the vibration amplitudes in different directions.
  • This multi-dimensional vibration information can then be combined by determining the respective frequency spectra and evaluating the entirety of these frequency spectra.
  • step b) the determination of the instantaneous frequency spectrum in step b) takes place by means of a Fohrer transformation of the time-varying electrical signal. It is advantageous if the signals supplied by the acceleration sensors analog electrical vibration signals are first digitized by an analog / digital converter, to then be subjected to a discrete Fourier transform.
  • step b it can be performed by means of a calibration carried out before the operation by detecting the vibrations generated by the rotating roller during a predetermined time interval during normal operation in the form of a time-varying electrical signal in the same way as in step a) and then determining the frequency spectrum the time-varying electrical signal for the predetermined time interval in the same manner as in step b).
  • the procurement of the reference frequency spectrum in step c) can be carried out additionally or alternatively also by the control system.
  • the determination of the instantaneous deviation in step c) is preferably carried out by arithmetic further processing of a multiplicity of amplitude differences between the amplitudes of the instantaneous frequency spectrum and the reference frequency spectrum for a multiplicity of respective frequency values of the two frequency ranges. spektre ⁇ .
  • the amounts of the amplitude differences can be added up to determine the deviation.
  • the determination of the instantaneous deviation in step c) takes place by the creation of the difference surface between the instantaneous frequency spectrum and the reference frequency spectrum.
  • This difference surface may be as a function of the frequencies of the two spectra, i. be considered as a "difference spectrum". From its course can also be made conclusions about the underlying operating error.
  • a further method according to the invention for monitoring the operating state of rotating rolls in an industrial plant which contains at least one or more rotating rolls comprises the following steps:
  • the steps b1), b2) and b3) represent a learning mode during which the operation is detected and stored cumulatively, and thus virtually learned as a "normal operating state". Starting from this normal operating state, a deviation is then determined in step c2), which is used as the basis for the measure to be taken in step d).
  • the classification and generation of the frequency distribution with mean and deviation measured in step b3) can also take place before the current operation of the plant, be stored in the control system, and be provided by this for the current operation.
  • the measure initiated in step d) can be the delivery of an optical and / or acoustic alarm signal.
  • the shutdown of at least a part of the system can be done if the determined deviation is greater than a tolerated maximum deviation, which is greater than the limit deviation, the maximum deviation preferably between 1, 5-fold and 5-fold the limit deviation is.
  • the spectra are classified according to several parameters, namely by:
  • step b3) classifying the stored instantaneous frequency spectra of the sample circumference according to a plurality of selected parameters of the frequency spectra to determine the frequency distribution of each of these parameters within each sampling period; create the mean and a deviation measure of the respective parameter frequency distribution; d) classifying each frequency spectrum newly determined during operation according to each of the selected instantaneous parameters; c2) determining the respective deviation of the respective currently selected parameter from the mean value of the respective selected parameter determined in step d); and d) triggering a measure if at least one of the respective deviations determined in step c2) is greater than a tolerated limit deviation between the currently selected respective parameter and the mean value of the respective selected parameter.
  • multi-dimensional error identification can be carried out, in which each error can be assigned several typical deviations of the respective parameters in order to be better identified by the multidimensional parameter deviation pattern.
  • the plurality of respective deviations determined in step c2) form an instantaneous parameter-deviation combination and are compared with previously determined deviation combinations characteristic of certain erroneous operating conditions of the plant, identifying as erroneous operating state that erroneous operating state for which a best match between the instantaneous Parameter deviation combination and its characteristic deviation combination exists.
  • An inventive system for monitoring the operating state rotating Rolls in an industrial plant containing at least one or more rotating rolls have the following elements:
  • Vibration detection means for detecting the vibrations generated by a rotating drum during operation during a predetermined time interval during operation in the form of a time-varying electrical signal
  • Frequency spectrum determining means for determining the current frequency spectrum of the time-varying electrical signal for the predetermined time interval
  • Deviation determining means for determining a current deviation between the current frequency spectrum and the reference frequency spectrum
  • Actuating means for triggering a measure in the industrial plant Actuating means for triggering a measure in the industrial plant.
  • the vibration detecting means has an acceleration sensor mounted on the bearing of the rotating roller.
  • a plurality of such sensors may be mounted on or adjacent to this bearing so that they may preferably accommodate amplitudes of vibrational motions in various directions, such as e.g. in two mutually orthogonal directions (x-direction and y-direction) and in each case orthogonal to the axial direction (z-direction) of the shaft. This enables differentiated information gathering as the basis for a reliable error identification.
  • the frequency spectrum determining means may comprise a computer for performing a Fourier transform.
  • the comparing means and the deviation determining means may comprise a computer.
  • the frequency spectrum determination means, the comparison means and the deviation determination means are implemented on one and the same computer.
  • the system according to the invention in the control system of an automated integrated into an industrial plant. This allows a cost-effective retrofitting of existing industrial plants with the inventive system.
  • the system according to the invention is installed inside a respective roller mill, care being taken that all cables between the individual acceleration sensors and an electronic processing unit or a computer are wired as short as possible. This is best achieved by preferably arranging the computer as centrally as possible in the individual roll mills, so that all signal cables between the individual sensors and the computer have substantially the same length.
  • At least one system according to one of the preceding paragraphs which is assigned to each of the at least one or more rotating rolls, is arranged in the industrial plant containing at least one or more rotating rolls.
  • errors in each rotating roller can be detected independently and possibly identified.
  • the industrial plant has at least one monitoring screen, which is assigned to the at least one rotating roller and can display its operating state.
  • the operating personnel can get a quick overview of the operating state of each individual, at least one rotating roller having plant unit.
  • the individual systems are networked with each other and with a monitoring center in an industrial system having several rotating rollers and several systems according to the invention, with wireless networking of the individual systems with the monitoring center being particularly advantageous.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the principle of operation of the present invention by means of a roller-mill monitoring
  • Fig. 2 is a schematic representation of an algorithm used in the present invention.
  • Fig. 3 shows an online classification in a roll mill in a mill.
  • Fig. 1 the operating principle of the invention is shown schematically.
  • two sensors 1, 2. which are arranged in the interior of a machine (roll mill) M in the area of the bearings 3, 4 of two rollers 5, 6, vibrations of the machine M are detected.
  • These vibrations are subjected to signal processing (analog-to-digital conversion and Fourier transformation) in step S1 to generate a signal in the frequency domain from the signal in the period (temporal vibration signal) (frequency spectrum: relative amplitudes as a function of the frequency in Hz).
  • This frequency spectrum contains information that is indicative of the type of machine, its normal operation or non-normal operation.
  • These spectra can be classified, and out-of-range spectra indicate a malfunction.
  • step S2 information is obtained from the classification pattern, with which an assessment of the operating state is carried out at step S3. At least a decision is made on normal operation or erroneous operation in order to continue or stop the machine M. This can be done with the cooperation of an operator or fully automatically.
  • FIG. 2 schematically illustrates an algorithm which may be used in the invention.
  • a reference frequency spectrum is shown, representative of the error-free normal operation of the machine ("fingerprint” for normal operation, collection of spectrum “prototypes”).
  • a deviation between a current frequency spectrum (“New Spectrum”) and the reference frequency spectrum is determined by a dissimilarity measure. If the deviation or dissimilarity deviates upwards or downwards by more than one limit deviation ⁇ d, this is referred to as faulty operation rated An alarm or countermeasure is triggered. This ensures monitoring of the machine M (see FIG. 1).
  • FIG. 3 shows an online classification for a roller mill of a mill. As soon as the deviation ⁇ d of the classifications exceeds a normalized limit value, this is regarded as the beginning of a faulty operation. In FIG. 3, from a point in time 1400, various errors due to a deviation ⁇ d are detected which exceed a normalized limit value.
  • the present invention is not limited to the use of acceleration sensors.
  • the vibrations can also be detected by strain sensors, such as piezoelectric materials or resistive strips.
  • the deviation between the reference frequency spectrum and instantaneous • frequency spectrum can be effected by statistical comparison parameters such as mean and standard deviation.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Schritte auf: a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals; b) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall; c) Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht, und Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum; d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c) bestimmte Abweichung zwischen den Spektren grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen den Spektren.

Description

Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, sowie auf eine mit einem derartigen System ausgestattete industrielle Anlage.
Bei solchen Anlagen handelt es sich z.B. um Walzenstühle aufweisende Mühlen für die Getreideverarbeitung oder um Walzwerke für die Verarbeitung von Suspensionen wie Schokolade oder Farben. Insbesondere bei Getreidemühlen, die oftmals eine Vielzahl von Walzenstühlen enthalten, die in einem entsprechend grossen Mühlengebäude untergebracht sind, können die einzelnen Walzenpaare der Walzenstühle nicht ständig von einem Müller überwacht werden. Fehlerhafte Betriebszustände, wie Trockenlaufen, Wickeln oder Riemenschlupf, kann der geübte Fachmann zwar optisch oder akustisch wahrnehmen, doch setzt dies voraus, dass er neben dem betreffenden Walzenstuhl steht und diesen sowohl sehen als auch hören kann.
Vor allem bei hoch industrialisierten und weitgehend automatisierten Anlagen, die mit geringem Personalaufwand betrieben werden, ist es wichtig, einen Grossteil der traditionell durch das Personal wahrgenommenen Überwachungsfunktion durch automatisierte, möglichst "intelligente" Überwachungseinheiten zu ersetzen.
Dabei hat die Überwachung von Walzenstühlen in einer von Mehlstaub geprägtem Umgebung eine besondere Bedeutung, da viele fehlerhafte Betriebszustände von Walzenstühlen nicht nur Einbussen bei der Produktqualität und eine schnelle und ungleichmäs- sige Abnutzung der Walzen zur Folge hat, sondern auch aufgrund örtlicher Erhitzungen der Walzen zu Walzenstuhl-Bränden und Mehlstaub-Explosionen führen kann. Dadurch bedingte Folgekosten durch Produktionsausfall und Unfallkosten können sehr hoch sein. Bekannte Lösungen zielen daher auf eine örtliche Temperaturüberwachung der Walzenoberflächen ab.
An sich bekannte Vibrationsüberwachungen können keine komplexe Fehlerbewertung gewährleisten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Ü- berwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, derart weiterzubilden, dass nicht nur das Vorhandensein irgendeines fehlerhaften Betriebszustandes, sondern auch eine Erkennung der Art des fehlerhaften Betriebszustandes möglich wird.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 9 und durch das System gemäss Anspruch 18 gelöst.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Schritte auf:
a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals; b) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen e- lektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall; c) Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht, und Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum; d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c) bestimmte Abweichung zwischen den Spektren grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen den Spektren. Auf diese Weise wird eine Abweichung vom fehlerfreien Normalbetrieb stets möglichst gering gehalten, so dass eine möglichst einheitliche Produktqualität auch über längere Betriebszeiträume gewährleistet wird.
Vorzugsweise erfolgt die Erfassung der Vibrationen in Schritt a) mittels eines am Lager der rotierenden Walze angebrachten Beschleunigungssensors. Es können auch mehrere Beschleunigungssensoren pro Lager verwendet werden, um z.B. die Vibrationsamplituden in verschiedenen Richtungen zu erfassen. Diese mehrdimensionalen Vibrationsinformationen können dann kombiniert werden, indem man die jeweiligen Frequenzspektren bestimmt und die Gesamtheit dieser Frequenzspektren auswertet. Man kann z.B. im Bereich des linken und des rechten Lagerendes jeweils einen Beschleunigungssensor für die x-Richtung, die y-Richtung und die z-Richtung, also insgesamt sechs Beschleunigungssensoren, installieren. Alternativ kann man aber auch mit nur einem Beschleunigungssensor pro Lager ausreichend viel Information aus dem Frequenzspektrum ablesen, um typische fehlerhafte Betriebszustände identifizieren zu können.
Für einen Achtwalzenstuhl, der insgesamt acht Walzen bzw. vier Walzenpaare in einem Maschinengestell aufweist, kann man auch schon mit jeweils einem Beschleunigungssensor pro Walzenlager ausreichend viel Information gewinnen, um typische fehlerhafte Betriebszustände des Walzenstuhls identifizieren zu können.
Prinzipiell reicht es auch aus, wenn nur ein Beschleuinigungssensor pro Walzenpaar verwendet wird, d.h., vier Beschleunigungssensoren pro Achtwalzenstuhl. Damit lässt sich auf jeden Fall eine Abweichung vom Normalbetrieb des Walzenstuhls feststellen.
Um darüber hinaus auch noch eine Fehleridentifizierung mit hoher Trennschärfe zwischen möglichen unterschiedlichen Fehlern, wie z.B. Trockenlaufen, Wickeln oder Riemenschlupf, zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, mehr als nur einen Sensor pro Walzenpaar zu verwenden. Durch die an verschiedenen Stellen eines Walzenlagers (z.B. linkes und rechtes Ende) und entlang verschiedener Messrichtungen (radiale x-Richtung, radiale y-Richtung orthogonal zur x-Richtung und axiale z-Richtung orthogonal zur x- Richtung und zur y-Richtung) aufgenommen Vibrationen und die daraus bestimmten jeweiligen Frequenzspektren ermöglichen durch die Auswertung einer Kombination von Abweichungen eine sehr gute Fehieridentifizierung. Wenn der Fehler aber identifiziert wird, kann für manche Fehler sogar eine korrigierende Massnahme (Schritt d) automatisch ausgelöst werden. Das Personal wird dann durch einen Alarm erst dann involviert, wenn diese automatische Korrekturmassnahme keine Verringerung der Abweichung, d.h. keine Annährung an den Normalbetrieb bewirkt.
Zweckmässigerweise erfolgt die Bestimmung des momentanen Frequenzspektrums in Schritt b) mittels einer Foυrier-Transformation des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die von den Beschleunigungssensoren gelieferten analogen elektrischen Schwingungssignale zunächst durch einen Analog/Digital- Wandler digitalisiert werden, um anschliessend einer diskreten Fourier-Transformation unterzogen zu werden.
Die Besorgung des Referenz-Frequenzspektrums in Schritt c) kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Sie kann einerseits mittels einer vor dem Betrieb durchgeführten Kalibrierung erfolgen durch Erfassen der von der rotierenden Walze in einem Normalbetrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Normalbetriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals auf dieselbe Weise wie in Schritt a) und anschliessendes Bestimmen des Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall auf dieselbe Weise wie in Schritt b).
Andererseits, wenn die industrielle Anlage eine automatisierte Anlage mit einem ihren verschiedenen Anlagenteilen übergeordneten Leitsystem ist, kann die Besorgung des Referenz-Frequenzspektrums in Schritt c) ergänzend oder alternativ auch durch das Leitsystem erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der momentanen Abweichung in Schritt c) durch arithmetische Weiterverarbeitung einer Vielzahl von Amplitudendifferenzen zwischen den Amplituden des momentanen Frequenzspektrums und des Referenz- Frequenzspektrums für eine Vielzahl jeweiliger Frequenzwerte der beiden Frequenz- spektreπ. Insbesondere können dabei zur Bestimmung der Abweichung die Beträge der Amplitudendifferenzen aufsummiert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Bestimmung der momentanen Abweichung in Schritt c) durch die Erstellung der Differenzfläche zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum. Diese Differenzfläche kann afs Funktion der Frequenzen der beiden Spektren, d.h. als "Differenzspektrum" betrachtet werden. Aus seinem Verlauf lassen sich auch Rückschlüsse auf den ihm zugrunde liegenden Betriebsfehler treffen.
Ein weiteres erfindungsgemässes Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Schritte auf:
a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals; b1 ) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen e- lektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall; b2) Speichern der bestimmten momentanen Frequenzspektren, die einen Stichpro- benumfang darstellen; b3) Klassieren der gespeicherten momentanen Frequenzspektren des Stichproben- umfangs gemäss mindestens einem ausgewählten Parameter der Frequenzspektren, um die Häufigkeitsverteilung mindestens eines Parameters innerhalb des Stichprobenumfangs zu erstellen sowie den Mittelwert und ein Abweichungsmass der Parameter-Häufigkeitsverteilung zu bestimmen; d ) Klassieren jedes während des Betriebs neu bestimmten Frequenzspektrums gemäss dem mindestens einen ausgewählten momentanen Parameter; c2) Bestimmen der Abweichung des momentanen ausgewählten Parameters von dem in Schritt b3) bestimmten Mittelwert des ausgewählten Parameters; und d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c2) bestimmte Abweichung grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen dem momentanen ausgewählten Parameter und dem. Mittelwert des ausgewählten Parameters. Die Schritte b1 ), b2) und b3) stellen einen Lernmodus dar, während dem der Betrieb erfasst und kumulativ abgespeichert wird, und somit quasi als "normaler Betriebszustand" erlernt wird. Ausgehend von diesem normalen Betriebszustand wird dann in Schritt c2) eine Abweichung bestimmt, die als Grundlage für die zu treffende Massnah- me in Schritt d) herangezogen wird.
Wenn die industrielle Anlage eine automatisierte Anlage mit einem ihren verschiedenen Anlagenteilen übergeordneten Leitsystem ist, kann auch hier die in Schritt b3) durchgeführte Klassierung und Erstellung der Häufigkeitsverteilung mit Mittelwert und Abwei- chungsmass vor dem aktuellen Betrieb der Anlage erfolgen, in dem Leitsystem abgespeichert werden und von diesem für den aktuellen Betrieb bereitgestellt werden.
Ein der Parameter-Häufigkeitsverteilung zugrunde liegender Gesamt-Stichprobenum- fang kann einen ersten Teil-Stichprobenumfang sowie einen zweiten Teil-Stichproben- umfang aufweisen. Dabei wird der erste Teil-Stichprobenumfang vor dem aktuellen Betrieb der Anlage erfasst und abgespeichert, und der zweite Teil-Stichprobenumfang wird während des aktuellen Betriebs der Anlage erfasst und ggf. abgespeichert. Der erste Teil-Stichprobenumfang stammt z.B. aus dem Repertoire eines übergeordneten Leitsystems, während der zweite Teil-Stichprobenumfang z.B. aus dem Lernbetrieb stammt.
Die in Schritt d) ausgelöste Massnahme kann die Abgabe eines optischen und/oder a- kustischen Alarmsignals sein. Die Abschaltung zumindest eines Teils der Anlage kann erfolgen, wenn die bestimmte Abweichung grösser ist als eine geduldete Maximal- Abweichung, die grösser als die Grenz-Abweichung ist, wobei die Maximal-Abweichung vorzugsweise zwischen dem 1 ,5-fachen und dem 5-fachen der Grenz-Abweichung liegt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Verfahren erfolgt eine Klassierung der Spektren nach mehreren Parametern, und zwar durch:
b3) Klassieren der gespeicherten momentanen Frequenzspektren des Stichproben- umfangs gemäss mehrerer ausgewählter Parameter der Frequenzspektren, um die Häufigkeitsverteilung jedes dieser Parameter innerhalb jedes Stichprobenum- fangs zu erstellen sowie den Mittelwert und ein Abweichungsmass der jeweiligen Parameter-Häufigkeitsverteilung zu bestimmen; d) Klassieren jedes während des Betriebs neu bestimmten Frequenzspektrums ge- mäss jedem der ausgewählten momentanen Parameter; c2) Bestimmen der jeweiligen Abweichung des jeweiligen momentanen ausgewählten Parameters von dem in Schritt d ) bestimmten Mittelwert des jeweiligen ausgewählten Parameters; und d) Auslösen einer Massnahme, falls mindestens eine der in Schritt c2) bestimmten jeweiligen Abweichungen grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen dem momentanen ausgewählten jeweiligen Parameter und dem Mittelwert des jeweiligen ausgewählten Parameters.
Durch die Heranziehung mehrerer Parameter und die Auswertung ihrer jeweiligen Abweichungen kann eine mehrdimensionale Fehleridentifizierung erfolgen, bei der jedem Fehler mehrere typische Abweichungen der jeweiligen Parameter zugeordnet werden können, um durch das mehrdimensionale Parameter-Abweichungsmuster besser identifiziert werden zu können.
Vorzugsweise bilden die in Schritt c2) bestimmten mehreren jeweiligen Abweichungen eine momentane Parameter-Abweichungskombination und werden mit zuvor bestimmten, für gewisse fehlerhafte Betriebszustände der Anlage charakteristischen Abweichungskombinationen verglichen, wobei als fehlerhafter Betriebszustand derjenige fehlerhafte Betriebszustand identifiziert wird, für den eine beste Übereinstimmung zwischen der momentanen Parameter-Abweichungskombination und seiner charakteristischen Abweichungskombination besteht.
Zweckmässigerweise werden dann bei Identifizierung eines fehlerhaften Betriebszustandes (Ist-Betriebszustand) in Schritt d) spezifische Massnahmen getroffen, die das Ausmass des identifizierten fehlerhaften Betriebszustands verringern und den fehlerhaften Betriebszustand näher an den Normal-Betriebszustand (Soll-Betriebszustand) heranführen.
Ein erfindungsgemässes System zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Elemente auf:
> Vibration-Erfassungsmittel zum Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals;
> Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel zum Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall;
> Vergleichsmittel zum Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht;
> Abweichung-Bestimmungsmittel zum Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz- Frequenzspektrum;
> Betätigungsmittel zum Auslösen einer Massnahme in der industriellen Anlage.
Vorzugsweise weist das Vibration-Erfassungsmittel einen am Lager der rotierenden Walze angebrachten Beschleunigungssensor auf. Es können auch mehrere derartige Sensoren an diesem Lager oder in seiner unmittelbareren Nähe derart angebracht sein, dass sie vorzugsweise Amplituden von Vibrationsbewegungen in verschiedenen Richtungen aufnehmen können, wie z.B. in zwei zueinander orthogonalen Richtungen (x- Richtung und y-Richtung) und jeweils orthogonal zur Axialrichtung (z-Richtung) der Welle. Dies ermöglicht eine differenzierte Informationserfassung als Grundlage für eine treffsichere Fehleridentifizierung.
Das Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel kann einen Rechner zur Durchführung einer Fourier-Transformation aufweisen. Ebenso können das Vergleichsmittel und das Abweichung-Bestimmungsmittel einen Rechner aufweisen. Vorzugsweise werden aber das Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel, das Vergleichsmittel sowie das Abweichung-Bestimmungsmittel auf ein und demselben Rechner implementiert.
Vorzugsweise ist das erfindungsgemässe System in dem Leitsystem einer automatisier- ten industriellen Anlage integrierbar. Dies ermöglicht eine kostengünstige Nachrüstung vorhandener industrieller Anlagen mit dem erfindungsgemässen System.
Bei Mühlenanlagen, die eine Vielzahl von Walzenstühlen enthalten, wird das erfin- dungsgemässe System im Innern eines jeweiligen Walzenstuhls angebracht, wobei darauf geachtet wird, dass alle Kabel zwischen den einzelnen Beschleunigungssensoren und einer elektronischen Verarbeitungseinheit bzw. einem Rechner möglichst kurz verkabelt sind. Am besten erreicht man dies, wenn man vorzugsweise den Rechner möglichst zentral in den einzelnen Walzenstühlen anordnet, so dass alle Signalkabel zwischen den einzelnen Sensoren und dem Rechner im wesentlichen dieselbe Länge haben.
Zweckmässigerweise ist in der mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthaltenden industriellen Anlage mindestens ein System gemäss einem der vorhergehenden Absätze angeordnet, das der mindestens einen oder den mehreren rotierenden Walzen jeweils zugeordnet ist. Somit können Fehler bei jeder rotierenden Walze unabhängig voneinander festgestellt und ggf. identifiziert werden.
Vorzugsweise weist die industrielle Anlage mindestens einen Überwachungsbildschirm auf, welcher der mindestens einen rotierenden Walze zugeordnet ist und deren Betriebszustand anzeigen kann. Somit kann das Betriebspersonal sich einen schnellen Überblick über den Betriebszustand jeder einzelnen, mindestens eine rotierende Walze aufweisenden Anlageneinheit verschaffen.
Vorteilhaft ist es, wenn bei einer mehrere rotierende Walzen und mehrere erfindungs- gemässe Systeme aufweisenden industriellen Anlage die einzelnen Systeme miteinander und mit einer Überwachungszentrale vernetzt sind, wobei eine drahtlose Vernetzung der einzelnen Systeme mit der Überwachungszentrale besonders vorteilhaft ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung nicht einschränkend aufzufassender Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei Fig. 1 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung anhand einer Walzenstuhl-Überwachung zeigt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Algorithmus ist; und
Fig. 3 eine Online-Klassifikation bei einem Walzenstuhl in einer Mühle zeigt.
In Fig. 1 ist das Funktionsprinzip der Erfindung schematisch dargestellt. Über.zwei Sensoren 1 , 2. die im Innern einer Maschine (Walzenstuhl) M im Bereich der Lager 3, 4 zweier Walzen 5, 6 angeordnet sind, werden Vibrationen der Maschine M erfasst. Diese Vibrationen erfahren bei Schritt S1 eine Signalverarbeitung (Analog/Digital-Wandlung und Fourier-Transformation), um aus dem Signal im Zeitraum (zeitliches Vibrationssignal) ein Signal im Frequenzraum zu erzeugen (Frequenzspektrum: relative Amplituden als Funktion der Frequenz in Hz). Dieses Frequenzspektrum enthält Information, die für die Art der Maschine, deren Normalbetrieb oder Nicht-Normalbetrieb kennzeichnend ist. Diese Spektren können klassifiziert werden, und ausserhalb des Normalbereichs liegende Spektren deuten auf eine Fehlfunktion hin.
Aus dem Klassifikationsmuster wird bei Schritt S2 Information gewonnen, mit der bei Schritt S3 eine Beurteilung des Betriebszustandes erfolgt, Zumindest wird eine Entscheidung Normalbetrieb oder fehlerhafter Betrieb getroffen, um die Maschine M weiterlaufen zu lassen oder abzustellen. Dies kann unter Mitwirkung einer Bedienperson oder vollautomatisch erfolgen.
!n Fig. 2 ist ein Algorithmus schematisch dargestellt, der bei der Erfindung verwendet werden kann. Auf der linken Seite ist ein Referenz-Frequenzspektrum dargestellt, das für den fehlerfreien Normalbetrieb der Maschine repräsentativ ist ("Fingerabdruck" für Normalbetrieb, Sammlung von Spektrum-"Prototypen"). Auf der rechten Seite ist schematisch dargestellt, wie eine Abweichung zwischen einem momentanen Frequenzspektrum ("Neues Spektrum") und dem Referenz-Frequenzspektrum über ein Unähn- lichkeitsmass bestimmt wird. Wenn die Abweichung bzw. das Unähnlichkeitsmass um mehr als eine Grenzabweichung Δd nach oben oder nach unten abweicht, wird dies als fehlerhafter Betrieb gewertet Ein Alarm oder eine Gegenmassnahme werden ausgelöst. Dadurch ist eine Überwachung der Maschine M (siehe Fig. 1) gewährleistet.
In Fig. 3 ist eine Online-Klassifikation für einen Walzenstuhl einer Mühle dargestellt. Sobald die Abweichung Δd der Klassifizierungen einen normierten Grenzwert überschreitet, wird dies als Beginn eines fehlerhaften Betriebs gewertet. In Fig. 3 werden ab einem Zeitpunkt 1400 diverse Fehler aufgrund einer Abweichung Δd erkannt, die einen normierten Grenzwert überschreitet.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von Beschleunigungssensoren beschränkt. Die Vibrationen können auch über Dehnungssensoren, wie z.B. piezoelektrische Materialien oder Widerstandsstreifen, erfasst werden. Die Abweichung zwischen Referenz-Frequenzspektrum und momentanem •Frequenzspektrum kann auch durch Vergleich statistischer Parameter wie Mittelwert und Standardabweichung erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals; b) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall; c) Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht, und Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz- Frequenzspektrum; d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c) bestimmte Abweichung zwischen den Spektren grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen den Spektren.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Vibrationen in Schritt a) mittels eines am Lager der rotierenden Walze angebrachten Beschleunigungssensors erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des momentanen Frequenzspektrums in Schritt b) mittels einer Fourier- Transformation des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Besorgung des Referenz-Frequenzspektrums in Schritt c) mittels einer vor dem Betrieb durchgeführten Kalibrierung erfolgt durch:
> Erfassen der von der rotierenden Walze in einem Normalbetrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Normalbetriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals auf dieselbe Weise wie in Schritt a); und
> Bestimmen des Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall auf dieselbe Weise wie in Schritt b).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die industrielle Anlage eine automatisierte Anlage mit einem ihren verschiedenen Anlagenteilen übergeordneten Leitsystem ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Besorgung des Referenz- Frequenzspektrums in Schritt c) durch das Leitsystem erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der momentanen Abweichung in Schritt c) durch arithmetische Weiterverarbeitung einer Vielzahl von Amplitudendifferenzen zwischen den Amplituden des momentanen Frequenzspektrums und des Referenz-Frequenzspektrums für eine Vielzahl jeweiliger Frequenzwerte der beiden Frequenzspektren erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Abweichung die Beträge der Amplitudendifferenzen aufsummiert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der momentanen Abweichung in Schritt c) durch die Erstellung der Differenzfläche zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum erfolgt.
9. Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals; b1 ) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall; b2) Speichern der bestimmten momentanen Frequenzspektren, die einen Stich- probenumfang darstellen; b3) Klassieren der gespeicherten momentanen Frequenzspektren des Stichpro- benumfangs gemäss mindestens einem ausgewählten Parameter der Frequenzspektren, um die Häufigkeitsverteilung mindestens eines Parameters innerhalb des Stichprobenumfangs zu erstellen sowie den Mittelwert und ein Abweichungsmass der Parameter-Häufigkeitsverteilung zu bestimmen; d) Klassieren jedes während des Betriebs neu bestimmten Frequenzspektrums gemäss dem mindestens einen ausgewählten momentanen Parameter; c2) Bestimmen der Abweichung des momentanen ausgewählten Parameters von dem in Schritt b3) bestimmten Mittelwert des ausgewählten Parameters; und d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c2) bestimmte Abweichung grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen dem momentanen ausgewählten Parameter und dem Mittelwert des ausgewählten Parameters.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die industrielle Anlage eine automatisierte Anlage mit einem ihren verschiedenen Anlagenteilen übergeordneten Leitsystem , ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b3) durchgeführte Klassierung und Erstellung der Häufigkeitsverteilung mit Mittelwert und Abweichungsmass vor dem aktuellen Betrieb der Anlage erfolgt, in dem Leitsystem abgespeichert wird und von diesem für den aktuellen Betrieb bereitgestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 101 dadurch gekennzeichnet, dass der der Parameter-Häufigkeitsverteilung zugrunde liegende Gesamt-Stichprobenumfang einen ersten Teil-Stichprobenumfang sowie einen zweiten Teil-Stichprobenumfang aufweist, wobei der erste Teil-Stichprobenumfang vor dem aktuellen Betrieb der Anlage erfasst und abgespeichert wurde und der zweite Teil-Stichprobenumfang während des aktuellen Betriebs der Anlage erfasst und ggf. abgespeichert wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt d) ausgelöste Massnahme die Abgabe eines optischen und/oder akustischen Alarmsignals ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt d) ausgelöste Massnahme die Abschaltung zumindest eines Teils der Anlage ist, wenn die bestimmte Abweichung grösser ist als eine geduldete Maximal-Abweichung, die grösser als die Grenz-Abweichung ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximal- Abweichung zwischen dem 1 , 5-fachen und dem 5-fachen der Grenz-Abweichung liegt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch:
b3) Klassieren der gespeicherten momentanen Frequenzspektren des Stichpro- benumfangs gemäss mehrerer ausgewählter Parameter der Frequenzspektren, um die Häufigkeitsverteilung jedes dieser Parameter innerhalb jedes Stichprobenumfangs zu erstellen sowie den Mittelwert und ein Abwei- chungsmass der jeweiligen Parameter-Häufigkeitsverteilung zu bestimmen; d ) Klassieren jedes während des Betriebs neu bestimmten Frequenzspektrums gemäss jedem der ausgewählten momentanen Parameter; c2) Bestimmen der jeweiligen Abweichung des jeweiligen momentanen ausgewählten Parameters von dem in Schritt d ) bestimmten Mittelwert des jeweiligen ausgewählten Parameters; und d) Auslösen einer Massnahme, falls mindestens eine der in Schritt c2) bestimmten jeweiligen Abweichungen grösser ist als eine geduldete Grenz- Abweichung zwischen dem momentanen ausgewählten jeweiligen Parameter und dem Mittelwert des jeweiligen ausgewählten Parameters.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt c2) be- stimmten mehreren jeweiligen Abweichungen eine momentane Parameter- Abweichungskombination bilden und mit zuvor bestimmten, für gewisse fehlerhafte Betriebszustände der Anlage charakteristischen Abweichungskombinationen verglichen werden, wobei als fehlerhafter Betriebszustand derjenige fehlerhafte Betriebszustand identifiziert wird, für den eine beste Übereinstimmung zwischen der momentanen Parameter-Abweichungskombination und seiner charakteristischen Abweichungskombination besteht.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Identifizierung eines fehlerhaften Betriebszustandes (Ist-Betriebszustand) in Schritt d) spezifische Massnahmen getroffen werden, die das Ausmass des identifizierten fehlerhaften Betriebszustands verringern und den fehlerhaften Betriebszustand näher an den Normal-Betriebszustand (Soll-Betriebszustand) heranführen.
18. System zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, wobei das System die folgenden Elemente aufweist:
> Vibration-Erfassungsmittel zum Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals;
> Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel zum Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall;
> Vergleichsmittel zum Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht;
> Abweichung-Bestimmungsmittel zum Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz- Frequenzspektrum;
> Betätigungsmittel zum Auslösen einer Massnahme in der industriellen Anlage.
19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Vibration- Erfassungsmittel einen am Lager der rotierenden Walze angebrachten Beschleunigungssensor aufweist.
20. System nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel einen Rechner zur Durchführung einer Fourier- Transformation aufweist.
21. System nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsmittef einen Rechner aufweist.
22. System nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abweichung-Bestimmungsmittel einen Rechner aufweist.
23. System nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es in das Leitsystem einer automatisierten industriellen Anlage integrierbar ist.
24. Industrielle Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein System gemäss einem der Ansprüche 18 bis 23 enthält, das der mindestens einen oder den mehreren rotierenden Walzen jeweils zugeordnet ist.
25. Industrielle Anlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Überwachungsbildschirm aufweist, welcher der mindestens einen rotierenden Walze zugeordnet ist und deren Betriebszustand anzeigen kann.
26. Industrielle Anlage nach Anspruch 24 oder 25 mit mehreren rotierenden Walzen und mehreren Systemen, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Systeme miteinander und mit einer Überwachungszentrale vernetzt sind.
27. Industrielle Anlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vernetzung der einzelnen Systeme mit der Überwachungszentrale drahtlos ist.
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