EP4619644A1 - Verfahren zur sensorbasierten überwachung wenigstens einer rotierenden arbeitsmaschine - Google Patents

Verfahren zur sensorbasierten überwachung wenigstens einer rotierenden arbeitsmaschine

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Publication number
EP4619644A1
EP4619644A1 EP23805520.6A EP23805520A EP4619644A1 EP 4619644 A1 EP4619644 A1 EP 4619644A1 EP 23805520 A EP23805520 A EP 23805520A EP 4619644 A1 EP4619644 A1 EP 4619644A1
Authority
EP
European Patent Office
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sensor
evaluation unit
measurement
command
data
Prior art date
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Pending
Application number
EP23805520.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Mades
Gerd Ebelt
Tobias KLUNKE
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.)
KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
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 KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP4619644A1 publication Critical patent/EP4619644A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0088—Testing machines
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. Transmission Power Control [TPC] or power classes
    • H04W52/02—Power saving arrangements
    • H04W52/0209—Power saving arrangements in terminal devices
    • H04W52/0212—Power saving arrangements in terminal devices managed by the network, e.g. network or access point is leader and terminal is follower
    • H04W52/0216—Power saving arrangements in terminal devices managed by the network, e.g. network or access point is leader and terminal is follower using a pre-established activity schedule, e.g. traffic indication frame
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. Transmission Power Control [TPC] or power classes
    • H04W52/02—Power saving arrangements
    • H04W52/0209—Power saving arrangements in terminal devices
    • H04W52/0225—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal
    • H04W52/0229—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal where the received signal is a wanted signal
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    • H04W52/0225—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal
    • H04W52/0229—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal where the received signal is a wanted signal
    • H04W52/0235—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal where the received signal is a wanted signal where the received signal is a power saving command
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. Transmission Power Control [TPC] or power classes
    • H04W52/02—Power saving arrangements
    • H04W52/0209—Power saving arrangements in terminal devices
    • H04W52/0261—Power saving arrangements in terminal devices managing power supply demand, e.g. depending on battery level
    • H04W52/0274—Power saving arrangements in terminal devices managing power supply demand, e.g. depending on battery level by switching on or off the equipment or parts thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring at least one rotating working machine, in particular a centrifugal pump, comprising at least one sensor for detecting at least one measurement parameter relating to the operation of the working machine, as well as a central evaluation unit which is communicatively connected to the at least one sensor.
  • the automated condition monitoring of work machines is already known.
  • one or more sensors are mounted near or on the machine to be monitored for the purpose of condition monitoring.
  • the measured values of the sensors are recorded cyclically and then transmitted to a cloud or to another device directly or after pre-processing in the sensor.
  • Machine monitoring is usually coupled with an automatic alarm system that is designed to warn the operator of the machine or system as quickly and reliably as possible when critical conditions occur.
  • an automatic alarm system that is designed to warn the operator of the machine or system as quickly and reliably as possible when critical conditions occur.
  • For the reliable recording and detection of critical conditions in machines with dynamic operating behavior it is often necessary to carry out the measurements with a short measuring interval, because this is the only way to ensure that a critical condition can also be recorded and recognized by a measurement carried out.
  • a similar problem exists with the Monitoring of machines that run on short cycles. Measurements should ideally be carried out at times when the machines are actually active. If, instead, measured values are recorded at times when the machine is switched off, efficient monitoring is not possible.
  • Another problem is the influence of the machine environment on the measured values.
  • the present invention therefore addresses the problem of optimizing existing sensor-based monitoring methods, in which there is a data exchange between the sensor and the central evaluation unit, so that they can be carried out more efficiently, faster and also more energy-efficiently.
  • a dynamic remote configuration of the sensor behavior is carried out by means of the central evaluation unit.
  • Remote configuration of the sensor behavior is to be understood as the adjustment of the sensor operation or any operating parameters of the sensor that affect or influence the measured value acquisition and the measured value evaluation.
  • a sensor is not only to be understood as the pure measured value sensor, but also a sensor control or other unit for preprocessing and/or evaluating the measured values.
  • the sensor can be equipped with an integral communication module for communication with the central evaluation unit or can be communicatively connected to an external communication device for indirect communication with the evaluation unit.
  • the data communication between the evaluation unit and the sensor can take place via at least one intermediate node, in particular a gateway installed in the immediate reception area of the sensor.
  • the gateway can preferably have an intermediate buffer for the temporary buffering of communication data that is to be exchanged between the sensor and the evaluation unit.
  • the at least one sensor can retrieve the buffered data in the gateway when required.
  • the transmission of the command from the evaluation unit can be done by sending the command from the evaluation unit to the sensor or alternatively by the sensor retrieving the command from the evaluation unit.
  • the dynamic remote configuration of the sensor is the necessary prerequisite for optimizing the measurement operation or evaluation process of the sensor during ongoing machine monitoring, taking into account previous measured value evaluations, whereby the entire measurement process and monitoring can be dynamically adapted to the actual circumstances. In summary, faster, more reliable and more energy-efficient monitoring can be achieved.
  • a specific threshold value for internal sensor threshold monitoring is configured using the command. After receiving the corresponding command with at least one threshold value, the sensor carries out the corresponding process steps for threshold monitoring, for example by comparing the currently recorded measured value with the remotely configured threshold value or another operating parameter of the sensor with the remotely configured threshold value. If the threshold is exceeded, at least one follow-up measure can be triggered.
  • Threshold monitoring can preferably be used for error detection. For example, if the configurable threshold is exceeded, the sensor can enter an alarm state and/or generate and issue an alarm message. It is also conceivable that exceeding the threshold triggers at least one repeat measurement in order to verify the previous measurement by repeat measurement.
  • exceeding the threshold value triggers data communication between the sensor and the central evaluation unit or another communication partner. This can ensure that only relevant Measured values are transmitted to the evaluation unit, which reduces the overall energy requirement due to the reduced communication.
  • the type of measurement value acquisition in the sensor can be configured using the command generated by the central evaluation unit.
  • Remote configuration of the sensor's internal preprocessing of the measured values can also be possible, ie it can be configured, for example, to summarize the measured values of a series of measurements and only The mean value of the measurement series is to be communicated to the evaluation unit.
  • the data size of the measurement or raw data to be transmitted can be configured using the command.
  • the at least one sensor is a battery-operated sensor.
  • the data communication between the sensor and the central evaluation unit preferably takes place via a radio connection, whereby any data transmission standard can be used here.
  • Remote configuration of the sensor operation is particularly advantageous for battery-operated sensors in order to optimize the sensor operation in terms of energy consumption and to guarantee the longest possible battery life with sufficient measurement accuracy and reliability.
  • the senor initially goes into a first sleep mode after sending the one or more measured values to the central evaluation unit.
  • a first sleep mode the energy consumption of the sensor is reduced to a minimum, for example by stopping data communication with the central evaluation unit and/or measurement value recording during the sleep mode.
  • the sensor can receive at least one command from the evaluation unit and/or carry out an internal sensor evaluation of the previously recorded measurement data.
  • the duration of the first sleep mode is selected so that the sensor is woken up in time to receive the command from the central evaluation unit and activation of the data communication to receive the command is ensured.
  • the necessary process time for the measured value evaluation on the evaluation unit side is known or can be easily estimated, so that the duration of the first sleep mode can be adapted to this process time.
  • the data communication between the evaluation unit and the sensor takes place indirectly via an intermediate unit, in particular a gateway, it is possible to temporarily store any data packets, in particular commands, in the gateway and make them available for retrieval by the sensor.
  • the duration of the sleep mode can be made more flexible, since the sensor can retrieve the data addressed to the sensor from the gateway as required, i.e. individually selecting the sleep duration.
  • the number of repeat measurements to be carried out can be remotely configured using the central evaluation unit. In this way, several repeat measurements can be advantageous in order to increase the amount of data available and improve the quality of the data evaluation and condition detection of the working machine. If it is determined after the procedure that a repeat measurement is not necessary, the sensor is preferably put into a second sleep mode in which neither measurement values are recorded nor data is transmitted to the central evaluation unit. The duration of the second sleep mode can be defined as significantly longer than the duration of the first sleep mode.
  • the senor records measured values with a first measuring interval in a first mode of operation.
  • the recorded measured values are transmitted to the central evaluation unit via the communication channel after each measurement has been carried out.
  • the evaluation unit receives the measured values and evaluates the received measured values associated with a series of measurements.
  • the central evaluation unit causes the sensor to operate in a second mode of operation.
  • the evaluation unit determines at least one detection threshold value by evaluating the series of measurements and transmits this to the sensor.
  • a detection threshold value it may be possible, for example, to differentiate between different machine states, in particular whether the machine is currently in operation or in a rest phase.
  • the second measuring interval being selected to be shorter, in particular by at least a factor of 5, preferably 10, than the first measuring interval. It is also provided that during the second mode of operation no measurement data is transmitted to the evaluation unit or at least less data is transmitted to the central evaluation unit than in the first mode of operation.
  • the second mode of operation is particularly advantageous for monitoring machines running on short cycles, since the shortened measuring interval ensures that measured values can also be recorded during active operation of the machine. The increased energy requirement due to the shortened measuring interval is This is compensated by the interrupted or reduced data communication with the central evaluation unit.
  • the recorded measurement values are compared within the sensor against a detection threshold value, in particular the detection threshold value previously determined by the evaluation unit. If the detection threshold value is exceeded, the sensor switches to the first mode of operation in order to continuously transmit the recorded measurement values to the central evaluation unit.
  • the senor returns to the second mode of operation if the measured values fall below the detection threshold again.
  • the detection threshold allows a distinction to be made between an active and inactive machine state. Defining such a detection threshold ensures that the sensor only transmits measurement data to the central evaluation unit if it has previously been determined from the measurement data that the machine is in operation.
  • This approach is particularly preferred for sensors for measuring mechanical vibration, because the amplitude of the detected vibration already provides an indication of whether the machine is in operation or is instead in a resting state.
  • the present invention also relates to a system comprising at least one central evaluation unit, in particular a cloud-based evaluation unit and at least one sensor, wherein the evaluation unit and sensor are configured to carry out the method of the invention described above.
  • the system can additionally comprise an intermediate gateway.
  • the invention also relates to a sensor for such a system, wherein the sensor is configured to be dynamically remotely configured by a central evaluation unit.
  • the invention also relates to the central evaluation unit for a system according to the invention, wherein the central evaluation unit is configured to generate and transmit a command for the dynamic remote configuration of a communicatively connected sensor based on the evaluation result of one or more measured values.
  • the system, the sensor and the central evaluation unit thus have the same advantages and properties as have already been shown above using the method according to the invention, so that a repeated description is omitted at this point.
  • Fig. 1 a flow diagram of a sensor device with repeated measurements
  • Fig. 2 a conventional timing diagram for short-running machines with sensor
  • Fig. 3 the corresponding flow chart according to the invention for intelligent detection of the pump state by the sensor device.
  • the method according to the invention can be applied to all machines that are to be monitored by sensors, in particular battery-operated sensors.
  • sensors are mounted close to the machine to be monitored, e.g. a pump, in particular a centrifugal pump, for the purpose of condition monitoring.
  • the measured values of the sensors are automatically recorded cyclically and then sent directly or after pre-processing in the sensor to a central evaluation unit, in particular to a cloud-based solution of the evaluation unit or to another device.
  • a central evaluation unit in particular to a cloud-based solution of the evaluation unit or to another device.
  • at least one sensor can be used to detect mechanical vibrations.
  • the sensor in particular a battery-operated sensor, includes an integral communication module that enables data exchange between the sensor and the central evaluation unit.
  • a gateway that is installed near the machine and is connected to the large number of sensors.
  • the signals received by the sensors via radio standard are then communicated by the gateway to the cloud-based evaluation unit via an Internet connection.
  • Machine monitoring is usually coupled with an automatic alarm system that is designed to warn the operator of the machine or system as quickly and reliably as possible when critical conditions occur.
  • the invention aims to significantly increase the reliability of such alarm messages.
  • Another important goal is to improve the accuracy of an associated operating hour counter.
  • a key feature of this invention is the ability to dynamically change the sensor's behavior from the central evaluation unit, i.e. the cloud, without requiring any significant additional energy.
  • One way to control the sensor's behavior can work as shown in Fig. 1:
  • a sensor first records measurement data such as mechanical vibrations and/or temperature values in the vicinity of the machine to be monitored during machine operation and subjects the data to pre-processing and pre-evaluation (block 10).
  • the sensor then sends the measurement data or the pre-processed data to the cloud (block 20).
  • the sensor then goes into a "short-term sleep mode" (block 30) for a short time (e.g. 30s) to save energy.
  • the desired future behavior of the sensor is automatically determined in the cloud (reference number 40).
  • This calculation or evaluation takes place on cloud-side servers in a very short computing time and can, among other things, include comparing the received sensor value with a stored threshold value.
  • An alarm message can also be generated on the cloud side depending on the evaluation result (block 45), whereby this is preferably only saved temporarily at first and instead a repeat measurement is requested by the sensor to verify the alarm status.
  • the cloud now sends the desired sensor behavior back to the sensor as a response, and the sensor receives the command(s) to internally adjust the sensor behavior (block 50). Due to the short processing time in the cloud, it is ensured that the result is available before the end of the sensor's "short-term sleep mode.” If there is a gateway on the communication path between the sensor and the cloud (which transmits data in both directions), this gateway can receive the response intended for the sensor from the cloud and cache it. As soon as the sensor returns from the "short-term sleep mode," the sensor gets the instructions for its further behavior either a) directly from the cloud or b) from the gateway that had cached the information intended for the sensor from the cloud.
  • the senor adapts its desired future mode of operation (block 50). Using the remote configuration, a repeat measurement can then be triggered in the sensor and its execution can be configured (block 60).
  • the execution can take place according to specifications from the cloud, for example as follows: a. The sensor immediately carries out a repeat measurement (and also transmits the data directly back to the cloud); b. The sensor carries out several repeat measurements at shorter intervals; c. The sensor changes the type of data acquisition (e.g. in the case of vibration measurements: sampling rate, cutoff frequency, measurement duration, selection of the vibration axes, type of data preprocessing, size of the raw data transmitted) and repeats the measurement with changed data acquisition; d. The sensor activates a different measuring sensor (e.g. switching to acoustic measurement via microphone) and carries out the repeat measurement with an alternative measuring sensor.
  • a different measuring sensor e.g. switching to acoustic measurement via microphone
  • the alarm message can then also be issued (block 45).
  • the senor After each data transfer to the cloud, the sensor will receive a response from the cloud. It retrieves this response in a previously defined short time slot. It therefore dynamically checks which behavior it should currently adopt. Essentially, this allows both the measurement frequency and the way the sensor works to be changed dynamically. The sensor's behavior is therefore actively controlled from the cloud without the sensor requiring a significantly higher energy requirement.
  • Carrying out repeated measurements in machine monitoring is particularly useful where monitoring is carried out by comparing one or more sensor values with assigned limit values, and external influences can influence the sensor values due to the machine environment.
  • Many machines such as pumps have important elements that should be monitored by appropriate sensors in order to receive an early warning before a failure (e.g. the bearings of a pump).
  • Sensors here record the physical parameters such as vibration, pressure or temperature. Consequently, sensible limit values are set for each of these physical parameters, the exceedance of which indicates a critical condition (e.g. maximum bearing temperature).
  • the monitoring of the set limit value of a parameter can either take place "on the edge" (i.e. in the sensor or HoT device itself) or alternatively in the cloud. Due to the greater flexibility and virtually unlimited computing power available, the cloud is preferable here.
  • a notification should normally be issued in the form of an alarm message (Fig. 1 , block 45) in order to prevent subsequent damage to the machine or to the process (due to machine failure).
  • a measured value from a sensor does not always indicate the actual state of the machine.
  • connected pipes can induce vibrations from the outside into a pump; likewise, starting or stopping the machine can also cause vibrations.
  • other temporary events can lead to short-term high, but non-critical, vibration values. These non-critical events should be masked accordingly to avoid false alarms.
  • vibration values are actually high, e.g. due to sudden damage to the machine itself, an alarm message should be issued as quickly as possible in order to be able to initiate targeted countermeasures promptly. This is important in order to prevent expensive consequential damage as far as possible.
  • the measured value could simply be queried again to increase its evidence.
  • the sensor In the case of a battery-operated sensor, which is often used in the HoT environment, the sensor usually switches back to "sleep mode" immediately after the measurement data has been transmitted in order to save energy and thus achieve the longest possible battery life. The next measurement is then often only taken hours later (as planned).
  • one or more measurement repetitions can now be carried out in an energy-efficient manner even with battery-operated sensors or HoT devices in the event of a limit being exceeded, while the additional energy required for this is reduced to a minimum.
  • a battery-operated sensor is used on such a machine, permanent monitoring is only possible to a limited extent. If a long battery life is to be achieved, then the battery-operated sensor only records individual measured values at longer intervals (e.g. hourly). Between two measurements, the sensor is then in sleep mode to save energy. In sleep mode, neither a measurement nor data transmission takes place.
  • Fig. 2 shows a conventional time sequence for a machine that is switched on briefly (multiple times).
  • the solid line 1 symbolizes the machine state, which changes between an off and switched on state.
  • the recording of the measured values to be monitored is timer-triggered with cyclic repetition, which is indicated by the arrows 2.
  • the upper, dashed arrow 3 represents the data transmission of the sensor data to the cloud-based evaluation unit.
  • a machine is monitored by a HoT device that contains one or more sensors.
  • the sensor/lloT device can be connected to a cloud. If a characteristic value determined by a sensor exceeds a specified limit, false alarms can be avoided by automatically initiating repeat measurements. Alarm messages are issued after immediate verification using one or more repeat measurements rather than directly.
  • a machine that is typically switched on for short periods of time is monitored by a HoT device that contains one or more sensors.
  • the HoT device should be connected to a cloud. The monitoring of such a machine can be significantly improved in an energy-efficient manner. In addition, a desired operating time measurement can be carried out much more accurately based on the recorded sensor data.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung wenigstens einer rotierenden Arbeitsmaschine, insbesondere einer Kreiselpumpe, umfassend wenigstens einen Sensor zur Erfassung wenigstens eines, den Betrieb der Arbeitsmaschine betreffenden Messparameters sowie eine zentrale Auswerteeinheit, die kommunikativ mit dem wenigstens einen Sensor in Verbindung steht, mit den Verfahrensschritten Übermitteln wenigstens eines Messwertes und/oder eines sensorseitig vorverarbeiteten Messwertes durch den Sensor an die zentrale Auswerteeinheit, Auswerten des wenigstens einen Messwertes und/oder des vorverarbeiteten Messwertes durch die Auswerteeinheit und Erzeugen wenigstens eines Befehls zur dynamischen Fernkonfiguration des Sensorverhaltens des wenigstens einen Sensors auf Grundlage des Auswerteergebnisses sowie Übertragen des Befehls von der Auswerteinheit an den wenigstens einen Sensor.

Description

Beschreibung
Verfahren zur sensorbasierten Überwachung wenigstens einer rotierenden Arbeitsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung wenigstens einer rotierenden Arbeitsmaschine, insbesondere einer Kreiselpumpe, umfassend wenigstens einen Sensor zur Erfassung wenigstens eines, den Betrieb der Arbeitsmaschine betreffenden Messparameters, sowie eine zentrale Auswerteeinheit, die kommunikativ mit dem wenigstens einen Sensor in Verbindung steht.
Die automatisierte Zustandsüberwachung von Arbeitsmaschinen, insbesondere rotierender Arbeitsmaschinen, ist bereits bekannt. Dazu werden ein oder mehrere Sensoren zwecks Zustandsüberwachung in der Nähe von oder an den zu überwachenden Maschine montiert. Die Messwerte der Sensoren werden zyklisch erfasst und anschließend direkt oder nach einer Vorverarbeitung im Sensor an eine Cloud oder an ein anderes Gerät übertragen.
Die Maschinenüberwachung wird meist mit einer automatischen Alarmierung gekoppelt, die den Betreiber der Maschine oder Anlage beim Eintreten kritischer Zustände schnellstmöglich und zuverlässig warnen soll. Für die zuverlässige Erfassung und Erkennung kritischer Zustände bei Maschinen mit dynamischem Betriebsverhalten ist es oftmals notwendig, die Messungen mit kleinem Messintervall durchzuführen, denn nur so kann sichergestellt werden, dass ein kritischer Zustand auch durch eine ausgeführte Messung erfasst und erkannt werden kann. Ein ähnliches Problem besteht bei der Überwachung von kurzzyklisch laufenden Maschinen. Die Durchführung von Messungen muss idealerweise auf solche Zeitpunkte fallen, während denen die Maschinen tatsächlich aktiv sind. Werden stattdessen Messwerte zu Zeitpunkten erfasst, wenn die Maschine ausgeschaltet ist, ist eine effiziente Überwachung nicht sinnvoll möglich.
Eine dauerhafte, mit kurzem Zeitintervall ausgeführte Überwachungsmessung ist jedoch energetisch unvernünftig und gerade bei Lösungen mit batteriebetriebenen Sensoren nicht sinnvoll ausführbar, da durch die kurzen Messintervalle und die resultierende hochfrequente Datenübertragung an eine zentrale Auswerteeinheit ein enormer Energiebedarf besteht, der die Laufzeit der Batterie stark verkürzt.
Ein weiteres Problem sind Einflüsse aus dem Maschinenumfeld auf die Messwerte.
Sind die zu überwachenden Maschinen Teil großer Anlagen, so können Vibrationen, Geräusche benachbarter Maschinen, usw. zu einer Verfälschung der Messwerte führen und eine Fehldetektion auslösen. Es ist wünschenswert solche Einflüsse möglichst gut herauszufiltern, um Fehlalarme zu vermeiden.
Die vorliegende Erfindung setzt sich daher mit der Aufgabe auseinander, bestehende sensorbasierte Überwachungsverfahren, bei denen ein Datenaustausch zwischen Sensor und zentraler Auswerteeinheit besteht, dahingehend zu optimieren, dass diese effizienter, schneller und auch energiesparender ausführbar sind.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass mittels der zentralen Auswerteeinheit eine dynamische Fernkonfiguration des Sensorverhaltens erfolgt. Als Fernkonfiguration des Sensorverhaltens ist die Anpassung des Sensorbetriebs bzw. etwaiger Betriebsparameter des Sensors zu verstehen, die die Messwerterfassung sowie die Messwertauswertung betreffen bzw. beeinflussen. Als Sensor ist in diesem Zusammenhang nicht nur der reine Messwertaufnehmer zu verstehen, sondern ebenfalls eine Sensorsteuerung bzw. sonstige Einheit zur Vorverarbeitung und/oder Auswertung der Messwerte. Zudem kann der Sensor mit einem integralen Kommunikationsmodul zur Kommunikation mit der zentralen Auswerteeinheit ausgestattet sein oder kommunikativ mit einer externen Kommunikationsvorrichtung für die mittelbare Kommunikation mit der Auswerteeinheit in Verbindung stehen. Die Datenkommunikation zwischen Auswerteeinheit und Sensor kann über wenigstens einen Zwischenknoten, insbesondere ein im unmittelbaren Empfangsbereich des Sensors installiertes Gateway erfolgen. Das Gateway kann bevorzugt einen Zwischenpuffer für die temporäre Zwischenspeicherung von Kommunikationsdaten aufweisen, die zwischen Sensor und Auswerteeinheit ausgetauscht werden sollen. Der wenigstens eine Sensor kann die zwischengespeicherten Daten im Gateway bei Bedarf abrufen.
Die Übertragung des Befehls von der Auswerteeinheit kann durch Versenden des Befehls von der Auswerteeinheit an den Sensor erfolgen oder alternativ durch Abruf des Befehls durch den Sensor bei der Auswerteeinheit.
Die dynamische Fernkonfiguration des Sensors stellt die notwendige Voraussetzung dar, um den Messbetrieb bzw. Auswerteprozess des Sensors während der laufenden Maschinenüberwachung unter Berücksichtigung vorangegangener Messwertauswertungen zu optimieren, wodurch der gesamte Messprozess und die Überwachung dynamisch an die tatsächlichen Umstände adaptiert werden können. In Summe kann eine schnellere, zuverlässigere als auch energiesparendere Überwachung realisiert werden.
Für die Verfahrensausführung muss zunächst mindestens ein erfasster Messwert und/oder ein sensorseitig vorverarbeiteter Messwert durch den Sensor an die zentrale Auswerteeinheit übertragen werden. Auf Seiten der Auswerteeinheit wird dann der empfangene Messwert bzw. der vorverarbeitete Messwert ausgewertet und in Abhängigkeit eines Auswerteergebnisses ein Befehl zur dynamischen Fernkonfiguration des Sensorverhaltens des wenigstens einen Sensors generiert und an den Sensor zur Fernkonfigu- ration übertragen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, mittels des Befehls wenigstens eine Wiederholungsmessung auf Seiten des Sensors auszulösen. Als Wiederholungsmessung wird eine kurzfristig nach Erhalt und Auswertung eines vorangehenden Messwertes durchzuführende Messung verstanden, um die vorangegangene Messung verifizieren zu können. Die Wiederholungsmessung muss dazu anwendungsabhängig möglichst zeitnah nach der ersten Messung erfolgen, insbesondere im Abstand weniger Sekunden, bspw. weniger als 60 Sekunden nach der zu verifizierenden Messung, optimalerweise nach 30 Sekunden oder weniger. Denkbar ist es ebenfalls, dass mittels des Befehls nicht nur eine Wiederholungsmessung getriggert wird, sondern stattdessen auch die Anzahl an auszuführenden Wiederholungsmessungen konfigurierbar ist bzw. der zeitliche Abstand zwischen wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Wiederholungsmessungen aus der Feme einstellbar ist. Nach Empfang eines solchen Befehls wird sensorseitig die empfangene Konfiguration für den Prozessablauf einer Wiederholungsmessung umgesetzt.
Vorstellbar ist es ebenso, dass mittels des Befehls ein spezifischer Schwellwert für eine sensorinterne Schwellwertüberwachung konfiguriert wird. Nach Empfang des entsprechenden Befehls mit wenigstens einem Schwellwert führt der Sensor entsprechende Prozessschritte zur Schwellwertüberwachung aus, indem beispielsweise der jeweils aktuell erfasste Messwert gegen den fernkonfigurierten Schwellwert bzw. ein sonstiger Betriebsparameter des Sensors gegen den fernkonfigurierten Schwellwert verglichen wird. Nach Überschreitung kann wenigstens eine Folgemaßnahme ausgelöst werden.
Die Schwellwertüberwachung kann in bevorzugter Weise zur Fehlererkennung genutzt werden. Bspw. kann der Sensor bei Überschreiten des konfigurierbaren Schwellwertes einen Alarmzustand einnehmen und/oder eine Alarmmeldung generieren und ausgeben. Denkbar ist es auch, dass durch die Schwellwertüberschreitung wenigstens eine Wiederholungsmessung ausgelöst wird, um die vorangegangene Messung per Wiederholungsmessung zu verifizieren.
Vorstellbar ist ebenfalls, dass die Überschreitung des Schwellwertes eine Datenkommunikation des Sensors mit der zentralen Auswerteeinheit oder mit einem sonstigen Kommunikationspartner veranlasst. Dadurch kann sichergestellt werden, dass nur relevante Messwerte an die Auswerteeinheit übertragen werden, was den gesamten Energiebedarf aufgrund der reduzierten Kommunikation verringert.
Vorstellbar ist es ebenso, dass der Sensor zwei oder mehrere, insbesondere unterschiedliche Messwertaufnehmer umfasst. Die Messwertaufnehmer können denselben Messwert aus Diversitätsgründen erfassen. Denkbar ist es jedoch ebenfalls, dass die Messwertaufnehmer unterschiedliche Messparameter erfassen. Durch den Befehl der zentralen Auswerteeinheit kann zwischen Messwertaufnehmern variiert werden bzw. die Redundanz bzw. Diversität im Messbetrieb verändert werden. Grundsätzlich ist es möglich, die ein oder mehreren Messwertaufnehmer selektiv zu deaktivieren bzw. aktivieren.
Ferner ist es vorstellbar, dass der Sensor mittels des Befehls in einen Schlaf- bzw. Low- Power-Modus versetzt werden kann. In einem solchen Schlaf- bzw. Low-Power-Modus wird beispielsweise die Messwertaufnahme vollständig deaktiviert bzw. auf ein Mindestmaß reduziert, um die Energieaufnahme im Sensor temporär auf ein Minimum zu reduzieren. Natürlich könnte der Sensor während des Low-Power-Modus auch mit reduzierter Messfrequenz und/oder Samplingrate, etc. arbeiten.
Vorstellbar ist es ebenso, dass die Datenkommunikation zwischen Sensor und zentraler Auswerteeinheit während des Schlafmodus bzw. dem Low-Power-Modus vollständig unterbrochen bzw. zumindest auf ein Minimum reduziert wird. Mittels des Befehls kann eine solche Schlaf- bzw. Low-Power-Phase nicht nur aktiv ausgelöst werden, sondern mittels des Befehls kann ebenfalls die Dauer einer solchen Schlaf- oder Low-Power- Phase festgelegt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung kann mittels des generierten Befehls der zentralen Auswerteeinheit die Art der Messwerterfassung im Sensor konfiguriert werden. Dies betrifft beispielsweise eine Sampling Rate und/oder die Messdauer einer Einzelmessung durch den Messwertaufnehmer des Sensors. Möglich kann auch die Fernkonfigu- ration der sensorinternen Vorverarbeitung der Messwerte sein, d.h. es kann bspw. konfiguriert werden, die Messwerte einer Messreihe zusammenzufassen und lediglich den Mittelwert der Messreihe an die Auswerteeinheit zu kommunizieren. Bevorzugt kann mittels des Befehls die Datengröße der zu übermittelnden Mess- bzw. Rohdaten konfiguriert werden.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren für jede Art von Messwerten anwendbar. Exemplarisch sei an dieser Stelle die Anwendung auf die Messung und Überwachung mechanischer Schwingungen bei rotierenden Maschinen genannt. Besonders bevorzugt ist auch die Anwendung des Verfahrens bei der Temperaturmessung bzw. Temperaturüberwachung. Besonders bevorzugt ist die Anwendung bei einer Schwingungsüberwachung, die durch eine Temperaturmessung bzw. Temperaturüberwachung ergänzt wird. Ist der fernkonfigurierbare Sensor zur Erfassung mechanischer Schwingungen geeignet, so kann bevorzugt per Fernkonfiguration eine Einstellung oder Deak- tivierung/Aktivierung der zu messenden Schwingungsachsen möglich sein. Ferner ist eine Fernkonfiguration der Grenzfrequenz sinnvoll.
Vorteilhaft ist es ebenso, wenn der wenigstens eine Sensor ein batteriebetriebener Sensor ist. Die Datenkommunikation zwischen Sensor und zentraler Auswerteeinheit erfolgt vorzugsweise mittels Funkverbindung, wobei hier auf einen beliebigen Datenübertragungsstandard zurückgegriffen werden kann. Insbesondere bei batteriebetriebenen Sensoren ist eine Fernkonfiguration des Sensorbetriebs vorteilhaft, um den Sensorbetrieb hinsichtlich der Energieaufnahme zu optimieren und eine möglichst lange Batterielaufzeit bei hinreichender Messgenauigkeit und Messzuverlässigkeit zu garantieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Sensor nach dem Versenden der ein oder mehreren Messwerte an die zentrale Auswerteeinheit zunächst in einen ersten Schlafmodus übergeht. Während eines solchen ersten Schlafmodus reduziert sich der Energieverbrauch des Sensors auf ein Minimum, indem bspw. die Datenkommunikation mit der zentralen Auswerteeinheit und/oder Messwertaufnahme während des Schlafmodus gestoppt wird. Nach Beendigung des ersten Schlafmodus kann der Sensor wenigstens einen Befehl von der Auswerteeinheit empfangen und/oder eine sensorinterne Auswertung der zuvor erfassten Messdaten vornehmen. Die Dauer des ersten Schlafmodus ist dabei so gewählt, dass der Sensor rechtzeitig zum Empfangen des Befehls von der zentralen Auswerteeinheit aufgeweckt wird und eine Aktivierung der Datenkommunikation zum Befehlsempfang sichergestellt ist. Die notwendige Prozessdauer für die Messwertauswertung auf Seiten der Auswerteeinheit ist bekannt bzw. lässt sich gut abschätzen, so dass die Dauer des ersten Schlafmodus an diese Prozessdauer angepasst sein kann.
Erfolgt die Datenkommunikation zwischen Auswerteeinheit und Sensor mittelbar über eine Zwischeneinheit, insbesondere ein Gateway, so besteht die Möglichkeit etwaige Datenpakete, insbesondere Befehle im Gateway zwischen zu speichern und für den Abruf durch den Sensor bereitzuhalten. In diesem Fall kann die Dauer des Schlafmodus flexibler gestaltet werden, da der Sensor nach Bedarf, d.h. individueller Wahl der Schlafdauer die an den Sensor gerichteten Daten vom Gateway abrufen kann.
In Abhängigkeit des Auswerteergebnisses kann dann entschieden werden, ob eine Wiederholungsmessung auszuführen ist. Diese Entscheidung erfolgt bevorzugt in der Auswerteeinheit, vorstellbar ist jedoch auch eine sensorinterne Entscheidungsfindung, sofern eine sensorinterne Auswertung der Messwerte vorgesehen ist. Wird die Auswertung auf Seiten der zentralen Auswerteeinheit vorgenommen, so erfolgt auch die Entscheidung in der Auswerteeinheit, ob eine Wiederholungsmessung ausgeführt werden soll, die dann mittels Fernkonfiguration des Sensors veranlasst wird. Erfolgt hingegen die Auswertung der Messwerte sensorintern, so kann auch sensorintern eine entsprechende Entscheidung zur Ausführung von Wiederholungsmessungen getroffen werden. Liefern die vorangegangene Messung sowie die wenigstens eine Wiederholungsmessung übereinstimmende oder zumindest vergleichbare Ergebnisse, so gilt die Messung als verifiziert und wird für die Entscheidung etwaiger Folgemaßnahmen berücksichtigt, bspw. für die Fehlerdetektion und gegebenenfalls Alarmierung.
Vorstellbar ist es ebenso, dass mittels der zentralen Auswerteeinheit auch die Anzahl an auszuführenden Wiederholungsmessungen fernkonfiguriert wird. So können mehrere Wiederholungsmessungen vorteilhaft sein, um die verfügbare Datenmenge zu erhöhen und die Qualität der Datenauswertung und Zustandserkennung der Arbeitsmaschine zu verbessern. Wird nach Ablauf des Verfahrens festgestellt, dass eine Wiederholungsmessung nicht erforderlich ist, so wird der Sensor vorzugsweise in einen zweiten Schlafmodus versetzt, in dem weder eine Messwerterfassung noch eine Datenübertragung an die zentrale Auswerteeinheit erfolgt. Die Dauer des zweiten Schlafmodus kann dabei deutlich länger definiert sein als die Dauer des ersten Schlafmodus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Sensor in einer ersten Arbeitsweise Messwerte mit einem ersten Messintervall erfasst. In der ersten Arbeitsweise werden die erfassten Messwerte nach jeder erfolgten Messung an die zentrale Auswerteeinheit über den Kommunikationskanal übertragen. Die Auswerteeinheit empfängt die Messwerte und wertet die zu einer Messreihe zugehörigen empfangenen Messwerte aus. In Abhängigkeit des Auswerteergebnisses kann vorgesehen sein, dass die zentrale Auswerteeinheit den Sensor zum Betrieb in einer zweiten Arbeitsweise veranlasst.
Vorstellbar ist es beispielsweise, dass die Auswerteeinheit durch Auswertung der Messreihe wenigstens einen Erkennungsschwellwert bestimmt und diesen an den Sensor überträgt. Mit Hilfe eines solchen Erkennungsschwellwertes kann beispielsweise eine Differenzierung zwischen unterschiedlichen Maschinenzuständen möglich sein, insbesondere ob die Maschine aktuell in Betrieb ist oder sich in einer Ruhephase befindet.
Bevorzugt ist es beispielsweise, wenn der Sensor in der zweiten Arbeitsweise Messungen mit einem zweiten Messintervall erfasst, wobei das zweite Messintervall kürzer gewählt ist, insbesondere um mindestens einen Faktor 5, bevorzugt 10 kürzer gewählt ist als das erste Messintervall. Ferner ist vorgesehen, dass während der zweiten Arbeitsweise keine Messdatenübertragung an die Auswerteeinheit erfolgt oder zumindest weniger Daten als in der ersten Arbeitsweise an die zentrale Auswerteeinheit übermittelt werden. Die zweite Arbeitsweise ist insbesondere für die Überwachung von kurzzyklisch laufenden Maschinen vorteilhaft, da durch das verkürzte Messintervall sichergestellt ist, das Messwerte auch während des aktiven Betriebs der Maschine erfasst werden können. Der durch das verkürzte Messintervall gestiegene Energiebedarf wird im Gegenzug durch die unterbrochene bzw. reduzierte Datenkommunikation mit der zentralen Auswerteeinheit kompensiert.
Bevorzugt erfolgt sensorintern während der zweiten Arbeitsweise ein Abgleich der erfassten Messwerte gegen einen Erkennungsschwellwert, insbesondere dem zuvor durch die Auswerteeinheit bestimmten Erkennungsschwellwert. Bei Überschreiten des Erkennungsschwellwertes schaltet der Sensor in die erste Arbeitsweise, um die erfassten Messwerte laufend an die zentrale Auswerteeinheit zu übertragen.
Bevorzugt kehrt der Sensor zurück zur zweiten Arbeitsweise, sofern die Messwerte wieder unter die Erkennungsschwelle absinken.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Erkennungsschwellwert eine Unterscheidung zwischen einem aktiven bzw. inaktiven Maschinenzustand zulässt. Durch die Definition eines solchen Erkennungsschwellwertes wird sichergestellt, dass der Sensor nur dann Messdaten an die zentrale Auswerteeinheit überträgt, wenn zuvor anhand der Messdaten überhaupt festgestellt wurde, dass die Maschine in Betrieb ist.
Besonders bevorzugt ist diese Vorgehensweise bei Sensoren zur mechanischen Schwingungsmessung, denn die Amplitude der erfassten Schwingung liefert bereits ein Indiz, ob die Maschine in Betrieb ist oder sich stattdessen in einem Ruhezustand befindet.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung ebenso ein System umfassend wenigstens eine zentrale Auswerteeinheit, insbesondere eine cloud- basierte Auswerteeinheit und wenigstens einen Sensor, wobei Auswerteeinheit und Sensor zur Durchführung des Verfahrens der vorstehend beschriebenen Erfindung konfiguriert sind. Das System kann zusätzlich noch ein zwischengeschaltetes Gateway umfassen. Neben dem Gesamtsystem betrifft die Erfindung auch einen Sensor für ein solches System, wobei der Sensor konfiguriert ist, um dynamisch durch eine zentrale Auswerteeinheit fernkonfiguriert zu werden. Zuletzt betrifft die Erfindung auch die zentrale Auswerteeinheit für ein System gemäß der Erfindung, wobei die zentrale Auswerteeinheit konfiguriert ist, anhand des Auswerteergebnis von einem oder mehreren Messwerten einen Befehl zur dynamischen Fernkonfiguration eines kommunikativ verbundenen Sensors zu erzeugen und zu übertragen.
Für das System, den Sensor sowie die zentrale Auswerteeinheit ergeben sich damit dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt wurden, sodass an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
Weitere Vorteile und Eigenschaften des Verfahrens sollen nachfolgend anhand unterschiedlicher, die Erfindung verwirklichender Ausführungsbeispiele näher aufgezeigt werden. Es zeigen:
Fig. 1 : ein Ablaufdiagramm eines Sensorgerätes mit Wiederholungsmessungen,
Fig. 2: ein herkömmliches Zeitdiagramm für kurzlaufende Maschinen mit Sensor,
Fig. 3: das entsprechende Ablaufdiagramm gemäß der Erfindung zur intelligenten Erkennung des Pumpenzustandes durch das Sensorgerät.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf alle Maschinen, die durch Sensoren, insbesondere batteriebetriebene Sensoren, überwacht werden sollen. Dabei werden ein oder mehrere Sensoren zwecks Zustandsüberwachung nahe an die zu überwachende Maschine, bspw. eine Pumpe, insbesondere Kreiselpumpe, montiert. Die Messwerte der Sensoren werden automatisch zyklisch erfasst und anschließend direkt oder nach einer Vorverarbeitung im Sensor an eine zentrale Auswerteeinheit, insbesondere an eine cloudbasierte Lösung der Auswerteeinheit oder an ein anderes Gerät gesendet. Für die Maschinenüberwachung kann beispielhaft wenigstens ein Sensor zur Erfassung mechanischer Schwingungen zum Einsatz kommen. Der Sensor, insbesondere ein batteriebetriebener Sensor, umfasst ein integrales Kommunikationsmodul, das den Datenaustausch zwischen dem Sensor und der zentralen Auswerteeinheit ermöglicht. Insbesondere bei größeren Anlagen mit einer Vielzahl zu überwachender Maschinen, insbesondere Pumpen, empfiehlt sich die Verwendung eines Gateways, das in Maschinennähe installiert wird, und mit der Vielzahl an Sensoren verbunden ist. Die von den Sensoren per Funkstandard empfangenen Signale werden dann von dem Gateway über eine Internetanbindung an die cloudbasierte Auswerteeinheit kommuniziert.
Die Maschinenüberwachung wird meist mit einer automatischen Alarmierung gekoppelt, die den Betreiber der Maschine oder Anlage beim Eintreten kritischer Zustände schnellstmöglich und zuverlässig warnen soll. Die Erfindung hat zum Ziel, die Zuverlässigkeit solcher Alarmmeldungen deutlich zu erhöhen. Ein weiteres wichtiges Ziel besteht in der Verbesserung der Genauigkeit eines damit verbundenen Betriebsstundenzählers. Durch das erfindungsgemäße Dynamisieren sowohl der zeitlichen Messabstände als auch des Messverhaltens der genutzten Sensoren lassen sich energieeffizient genauere Aussagen über den Zustand der überwachten Maschinen treffen. Dafür gibt es verschiedene konkrete Anwendungsfälle, welche im nachfolgenden Text näher beschrieben werden.
Eine wesentliche Besonderheit dieser Erfindung besteht in der Möglichkeit, das Verhalten des Sensors von der zentralen Auswerteeinheit, d.h. der Cloud aus dynamisch zu ändern, ohne dass dabei ein relevanter zusätzlicher Energiebedarf erforderlich wäre. Eine Möglichkeit zur Steuerung des Sensorverhaltens kann, wie in Fig. 1 dargestellt, funktionieren:
Ein Sensor erfasst zunächst im Maschinenbetrieb Messdaten wie mechanische Schwingungen und/oder Temperaturwerte im Umfeld der zu überwachenden Maschine und unterzieht die Daten einer Vorverarbeitung und Vorauswertung (Block 10). Im Anschluss sendet der Sensor die Messdaten oder die vorverarbeiteten Daten in die Cloud (Block 20). Anschließend geht der Sensor für kurze Zeit (z. B. 30s) in einen „kurzzeitigen Sleep- Modus“ (Block 30) über, um Energie zu sparen. Basierend auf den aktuellen Sensordaten sowie Sensordaten aus der Vergangenheit desselben Sensors wird in der Cloud automatisch das zukünftig gewünschte Verhalten des Sensors festgelegt (Bezugszeichen 40). Diese Berechnung bzw. Auswertung erfolgt auf cloudseitigen Servern in sehr kurzer Rechenzeit und kann unter anderem bspw. den Abgleich des empfangenen Sensorwertes mit einem hinterlegten Schwellwert umfassen. Ebenso kann hier bereits cloud- seitig eine Alarmmeldung in Abhängigkeit des Auswerteergebnisses generiert werden (Block 45), wobei diese bevorzugt zunächst nur temporär abgespeichert wird und stattdessen zur Verifizierung des Alarmzustandes eine Wiederholungsmessung durch den Sensor angefordert wird.
Die Cloud sendet nun das gewünschte Sensorverhalten als Antwort zurück an den Sensor und der Sensor empfängt den oder die Befehle zur internen Anpassung des Sensorverhaltens (Block 50). Aufgrund der kurzen Verarbeitungszeit in der Cloud ist sichergestellt, dass das Ergebnis vor dem Ende des „kurzzeitigen Sleep-Modus“ des Sensors vorliegt. Falls sich auf der Kommunikationsstrecke zwischen Sensor und Cloud noch ein Gateway befindet (welches die Daten in beiden Richtungen überträgt), kann dieses Gateway die für den Sensor bestimmte Antwort aus der Cloud empfangen und Zwischenspeichern. Sobald der Sensor aus dem „kurzzeitigen Sleep-Modus“ zurückkehrt, holt sich der Sensor die Anweisungen für sein weiteres Verhalten entweder a) direkt aus der Cloud oder b) aus dem Gateway, das die für den Sensor bestimmte Information aus der Cloud zwischengespeichert hatte.
Im Fall b) funktioniert dieser Vorgang nochmals deutlich schneller und damit energieeffizienter als im Fall a). Entsprechend der empfangenen Antwort aus der Cloud passt der Sensor seine zukünftig gewünschte Arbeitsweise an (Block 50). Mittels der Fernkonfiguration kann dann bspw. eine Wiederholungsmessung im Sensor ausgelöst und deren Ausführung konfiguriert werden (Block 60).
Wird im Block 60 entschieden, dass der Sensor keine Wiederholungsmessung durchführt, weil der Sensorwert bspw. unterhalb des Grenzwertes liegt:
Der Sensor kehrt - ohne weitere Aktion - zurück in einen normalen (länger dauernden) Sleep-Modus (Block 70), bspw. mehr als 60 Minuten, insbesondere 120 Minuten oder länger, da die vorliegenden Daten keine besondere Interaktion erfordern;
Für den Fall, dass im Block 60 die Durchführung von wenigstens einer Wiederholungsmessung ausgeführt werden soll, entweder durch Befehl aus der Cloud oder sensorin- terne Auswertung, so kann die Durchführung nach Vorgabe aus der Cloud bspw. wie folgt stattfinden: a. Der Sensor führt sofort eine Wiederholungsmessung durch (und übermittelt die Daten auch direkt wieder in die Cloud); b. Der Sensor führt mit kürzerer Taktung mehrere Wiederholungsmessungen durch; c. Der Sensor ändert die Art der Datenerfassung (z. B. im Falle von Schwingungsmessungen: Sampling-Rate, Grenzfrequenz, Messdauer, Auswahl der Schwingungsachsen, Art der Daten-Vorverarbeitung, Größe der übermittelten Rohdaten) und wiederholt die Messung mit geänderter Datenerfassung; d. Der Sensor aktiviert einen anderen Messwertaufnehmer (z. B. Umschaltung auf akustische Messung über Mikrofon) und führt die Wiederholungsmessung mit alternativem Messwertaufnehmer aus.
Bestätigt sich der Alarmzustand auch durch die wenigstens eine Wiederholungsmessung (erneute Überschreitung des Grenzwertes), so kann die Alarmmeldung dann auch ausgegeben werden (Block 45).
Zusammenfassung:
Der Sensor wird also nach jeder Datenübertragung in die Cloud anschließend auch eine Antwort aus der Cloud empfangen. Diese Antwort holt er sich in einem zuvor festlegten kurzen Zeit-Slot. Er prüft somit dynamisch, welches Verhalten er aktuell einnehmen soll. Im Wesentlichen können dadurch sowohl die Messfrequenz als auch die Arbeitsweise des Sensors dynamisch verändert werden. Das Verhalten des Sensors wird also aktiv aus der Cloud gesteuert, ohne dass hierfür ein nennenswert höherer Energiebedarf für den Sensor erforderlich wäre.
Nachfolgend soll noch mal im Detail auf die Durchführung von Wiederholungsmessung und deren Bedeutung bei der Maschinenüberwachung eingegangen werden.
Die Durchführung von Wiederholungsmessungen bei der Maschinenüberwachung ist insbesondere dort sinnvoll, wo eine Überwachung durch den Vergleich ein oder mehrerer Sensorwerte gegen zugeordnete Grenzwerte erfolgt, und aufgrund des Maschinenumfelds äußere Einflüsse die Sensorwerte beeinflussen können. Bei vielen Maschinen wie Pumpen gibt es wichtige Elemente, die durch entsprechende Sensorik überwacht werden sollen, um frühzeitig vor einem Ausfall eine Warnung zu erhalten (z. B.: die Lager einer Pumpe). Sensoren erfassen hier die physikalischen Parameter, wie z. B. Vibration, Druck oder Temperatur. Folglich werden für jeden dieser physikalischen Parameter sinnvolle Grenzwerte festgelegt, deren Überschreitung einen kritischen Zustand indiziert (z. B. maximale Lagertemperatur). Die Überwachung des gesetzten Grenzwertes eines Parameters kann dabei wahlweise „on the edge“ (also im Sensor bzw. HoT-Gerät selbst) oder alternativ in der Cloud erfolgen. Wegen der größeren Flexibilität sowie quasi unbegrenzt vorhandener Rechenleistung ist hierbei die Cloud zu bevorzugen.
Im Falle einer Überschreitung eines aktuellen Grenzwertes soll in der Regel eine Benachrichtigung in Form einer Alarmmeldung ausgegeben werden (Fig. 1 , Block 45), um Folgeschäden an der Maschine oder auch am Prozess (durch Ausfall der Maschine) zu verhindern. Viele physikalische Parameter werden jedoch nicht nur durch den Betrieb der Maschine, sondern zusätzlich auch durch deren Umgebung beeinflusst. Somit zeigt ein Messwert eines Sensors nicht zu jedem Zeitpunkt den tatsächlichen Maschinenzustand an. Beispielsweise können verbundene Rohrleitungen Vibrationen von außen in eine Pumpe induzieren; ebenso kann es beim Starten oder Stoppen der Maschine so- wie durch weitere temporär auftretende Ereignisse zu kurzzeitig hohen, jedoch unkritischen, Vibrationswerten kommen. Diese unkritischen Ereignisse sollten entsprechend maskiert werden, um Fehlalarme zu vermeiden. Andererseits soll bei tatsächlich hohen Schwingwerten, z. B. durch einen plötzlich einsetzenden Schaden an der Maschine selbst, möglichst schnell eine Alarmmeldung ausgegeben werden, um zeitnah gezielte Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Dies ist wichtig, um teure Folgeschäden möglichst zu verhindern.
Mit Hilfe der Wiederholungsmessung soll ein unkritisches temporäres Kurzzeitereignis von einem plötzlich auftretenden kritischen Ereignis schnell und sicher unterschieden werden.
Bei einer herkömmlich verdrahteten Sensorik könnte der Messwert einfach erneut abgefragt werden, um dessen Evidenz zu erhöhen. Im Falle einer batteriebetriebenen Sensorik, welche häufig im HoT-Umfeld Anwendung findet, schaltet sich der Sensor jedoch meist sofort automatisch nach Übermittlung der Messdaten wieder in einen „Sleep-Mo- dus“, um Energie zu sparen und damit eine möglichst lange Batterielebensdauer zu erreichen. Die nächste Messung erfolgt dann (planmäßig) oftmals erst Stunden später. Mittels des Verfahrens der dynamischen Fernkonfiguration können nun auch bei batteriebetriebenen Sensoren bzw. HoT-Geräten ein oder mehrere Messwiederholungen im Falle einer Grenzwertüberschreitung energieeffizient durchgeführt werden, während der dafür notwendige zusätzliche Energiebedarf jedoch auf ein Minimum reduziert wird.
Sofern bei den ausgewerteten Daten eine Indikation für eine Alarmmeldung besteht, wird dieser Alarmstatus zunächst nur intern zwischengespeichert (Block 45). Anschließend veranlasst die Cloud oder alternativ das HoT-Gerät selbst unmittelbar eine oder mehrere Wiederholungsmessungen (Block 60), um die Evidenz des einzelnen Messwertes zu verbessern. Wird mit den neuen Messwerten die zuvor festgestellte Indikation für eine Alarmmeldung bestätigt, dann wird diese Alarmmeldung nun auch tatsächlich ausgegeben (Block 45). Anderenfalls jedoch - also im Falle von unkritischen Wiederho- lungsmessungen - wird der erste Messwert als Störung betrachtet, der durch ein einmaliges, externes Ereignis ausgelöst worden ist. Dann wird der zwischengespeicherte Alarmstatus sofort wieder gelöscht und es wird keine Meldung ausgegeben. des Maschinenzustandes von kurzzyklisch laufenden Maschinen
Dieser Anwendungsfall ist insbesondere bei Maschinen vorteilhaft einsetzbar, die meist nur kurzzyklisch eingeschaltet sind. So gibt es beispielsweise Pumpen, die zum Leeren eines Behälters nur wenige Minuten laufen, danach aber wieder lange Zeit ausgeschaltet sind. Falls sich der Behälter nur sehr langsam füllt, dann wird die Zeitdauer der Pumpe im ausgeschalteten Zustand die Zeitdauer im eingeschalteten Zustand sogar um ein Vielfaches übersteigen.
Kommt an einer solchen Maschine eine batteriebetriebene Sensorik zum Einsatz, dann ist eine permanente Überwachung nur eingeschränkt möglich. Denn soll eine hohe Batterielebensdauer erzielt werden, dann werden mit dem batteriebetriebenen Sensor nur einzelne Messwerte in größeren Zeitabständen (z. B. stündlich) erfasst. Zwischen zwei Messungen befindet sich der Sensor dann im Sleep-Modus, um Energie zu sparen. Im Sleep-Modus findet weder eine Messung noch eine Datenübertragung statt.
Fig. 2 zeigt einen herkömmlichen zeitlichen Ablauf für eine (mehrfach) kurzzeitig eingeschaltete Maschine. Die durchgezogene Linie 1 symbolisiert den Maschinenzustand, der sich zwischen einem aus- und eingeschalteten Zustand ändert. Die Erfassung der zu überwachenden Messwerte erfolgt Timer-getriggert mit zyklischer Wiederholung, was durch die Pfeile 2 gekennzeichnet ist. Der obere, gestrichelte Pfeil 3 steht für die Datenübertragung der Sensordaten an die cloudbasierte Auswerteeinheit.
In der Fig. 2 ist zu erkennen, dass die Sensordaten sehr häufig im ausgeschalteten Zustand der Maschine erfasst und übertragen werden. Dagegen werden im eingeschalteten Zustand nur gelegentlich Messwerte akquiriert. Je nachdem, wie oft und wie lange die Maschine tatsächlich läuft, führt dies u. U. zu einer ungenügenden Überwachung der Maschine, da relevante kritische Zustände immer nur im eingeschalteten Zustand zu erwarten sind. Viele kurze Einschaltphasen sind hier weder für den Sensor noch in der Cloud sichtbar. Wenn aus dem Sensorsignal zusätzlich auch die Betriebsstunden der Maschine ermittelt werden sollen, ergibt sich hieraus ein weiterer Nachteil. Diese Funktion ist mit starken Ungenauigkeiten behaftet und kann deshalb im Einzelfall gar nicht genutzt werden.
Zwar ließe sich durch eine sehr hohe Sampling-Rate der eingeschaltete Zustand auch von kurzzyklisch laufenden Maschinen sicher erfassen, dies wäre jedoch aus energetischer Sicht nicht sinnvoll und insbesondere bei batteriebetriebenen Sensoren aufgrund der verkürzten Lebensdauer der Batterie durch das häufigere Messen und Datenübertragen kein zielführender Ansatz.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Möglichkeit zur dynamischen Fernkonfiguration des Sensors lässt sich dieses Problem jedoch in anderer Weise lösen, was in Fig. 3 dargestellt ist. Zunächst arbeitet der Sensor mit normalen Sensor-Verhalten (A). Dieses Verhalten entspricht demjenigen, das bereits vorstehend anhand Fig. 2 erläutert wurde. Es wird zyklisch mit geringer Messrate (Messintervall TA) gemessen und die Messdaten werden danach immer direkt in die Cloud zur Auswertung übertragen.
Sobald allerdings auf der Cloudseite anhand der zuvor gesammelten Sensordaten diese Maschine als kurzzyklisch laufende Maschine identifiziert wird und für diese Maschine auch klare Erkennungsschwellen zwischen „eingeschaltet“ und „ausgeschaltet“ bestimmt worden sind, wird das Verhalten des Sensors geändert. Wenn die genannten Vorbedingungen erfüllt sind und die Maschine nun in den Zustand
„aus“ wechselt, dann steuert die Cloud den Sensor durch ein Kommando 5 in den Modus (B) „MeasureCompareSleep“. Gleichzeitig werden von der Cloud an den Sensor die Ein- und Aus-Grenzwerte übertragen. Diese Grenzwerte wurden durch längere Beobachtung und Auswertung der Sensordaten von dieser Maschine in der Cloud ermittelt. Im Falle von Schwingungsdaten können diese Ein-Aus-Grenzwerte beispielsweise rms-Werte oder Energiewerte der Schwingungen sein. Das Besondere am Modus (B) des Sensors ist nun, dass auf energiesparende Art und Weise mit einem deutlich kürzeren Messintervall TB Sensorwerte erfasst werden. Bei Schwingungssensoren erreicht man dies z. B. durch eine verkürzte Messdauer gegenüber Modus (A). Außerdem erfolgt im Modus (B) kein Senden von Daten an die Cloud, sodass dafür auch keine Energie aufgewendet werden muss. Aus den Sensorwerten lassen sich Kennwerte ableiten, welche direkt mit den vorliegenden Grenzwerten sen- sorintern vergleichbar sind. Im Falle von Schwingungsdaten können diese Kennwerte beispielsweise rms-Werte oder Energiewerte der Schwingungen sein.
Anhand der dem Sensor übermittelten Ein-Aus-Grenzwerte kann der Sensor lokal auswerten, ob die Maschine weiterhin ausgeschaltet ist (alle beobachteten Kennwerte bleiben unterhalb der Grenzwerte) bzw. ab wann die Maschine eingeschaltet wird (mindestens einer der Kennwerte überschreitet den zugehörigen Grenzwert). Sobald also eine Grenzwertüberschreitung erkannt wurde (Bezugszeichen 6), wechselt der Sensor automatisch wieder in den Modus (A) zurück, d. h. er erfasst nun wieder alle Sensordaten mit voller Messdauer und übermittelt diese an die Cloud. Das Gerät wird jetzt wieder solange im Modus (A) Weiterarbeiten, bis es erneut von der Cloud das Kommando erhält, in den Modus (B) zu wechseln.
Nachfolgend werden nochmals die Vorteile des erfindunqsqemäßen Verfahrens kurz zusammenqefasst.
Bei der Verwendung von batteriebetriebenen Sensoren bzw. allgemein HoT-Geräten zur Überwachung von Maschinen lässt sich durch Anwendung der hier beschriebenen Verfahren eine Verbesserung der Qualität der Maschinenüberwachung erzielen. Durch gezieltes Zusammenspiel zwischen Cloud und Sensor/lloT-Gerät kann die Evidenz der durch Sensoren erfassten physikalischen Werte an der Maschine für verschiedene Anwendungsfälle deutlich erhöht werden. Die Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass hierfür nur ein geringfügiger Mehrbedarf an Energie erforderlich ist, folglich die Lebensdauer der Batterie des Sensors/lloT-Gerätes also nur unwesentlich beeinträchtigt wird.
Vorteile ergeben sich konkret für folgende Anwendungsfälle: a) Eine Maschine wird durch ein HoT-Gerät überwacht, welches einen oder mehrere Sensoren enthält. Das Sensor-/lloT-Gerät kann mit einer Cloud verbunden sein. Überschreitet ein durch einen Sensor ermittelter Kennwert einen festgelegten Grenzwert, dann können durch das automatische Veranlassen von Wiederholungsmessungen Fehlalarme vermieden werden. Alarmmeldungen werden anstatt direkt stattdessen erst nach einer unmittelbaren Verifikation mittels einer oder durch mehrere Wiederholungsmessungen ausgegeben. b) Eine typischerweise kurzzyklisch eingeschaltete Maschine wird durch ein HoT-Gerät überwacht, welches einen oder mehrere Sensoren enthält. Das HoT-Gerät sollte mit einer Cloud verbunden sein. Die Überwachung solch einer Maschine lässt sich auf energieeffiziente Art und Weise deutlich verbessern. Außerdem lässt sich so auch eine gewünschte Betriebsdauermessung auf Basis der erfassten Sensordaten deutlich genauer durchführen.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Überwachung wenigstens einer rotierenden Arbeitsmaschine, insbesondere einer Kreiselpumpe, umfassend wenigstens einen Sensor zur Erfassung wenigstens eines, den Betrieb der Arbeitsmaschine betreffenden Messparameters sowie eine zentrale Auswerteeinheit, die kommunikativ mit dem wenigstens einen Sensor in Verbindung steht, mit den Verfahrensschritten: a. Übermitteln wenigstens eines Messwertes und/oder eines sensorseitig vorverarbeiteten Messwertes durch den Sensor an die zentrale Auswerteeinheit, b. Auswerten des wenigstens einen Messwertes und/oder des vorverarbeiteten Messwertes durch die Auswerteeinheit und Erzeugen wenigstens eines Befehls zur dynamischen Fernkonfiguration des Sensorverhaltens des wenigstens einen Sensors auf Grundlage des Auswerteergebnisses, c. Übertragen des Befehls von der Auswerteinheit an den wenigstens einen Sensor. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Befehls eine Wiederholungsmessung seitens des Sensors ausgelöst wird und/oder die Anzahl durchzuführender Wiederholungsmessungen und/oder ein zeitlicher Abstand zwischen durchzuführenden Wiederholungsmessungen fernkonfiguriert wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Befehls ein Schwellwert für eine sensorinterne Schwellwertüberwachung konfiguriert wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor bei Überschreiten des konfigurierbaren Schwellwertes einen Alarmzustand einnimmt und/oder eine Alarmmeldung generiert und ausgibt und/oder wenigstens eine Wiederholungsmessung ausführt und/oder eine Datenkommunikation zur Übertragung der Messdaten an die zentrale Auswerteeinheit ausführt. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor zwei oder mehrere, vorzugsweise unterschiedliche Messwertaufnehmer umfasst und mittels des Befehls ein oder mehrere Messwertaufnehmer deaktivier- bzw. aktivierbar sind. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mittels des Befehls in einen Schlaf- bzw. LowPower-Modus versetzt wird und/oder mittels des Befehls die Dauer einer Schlaf- oder LowPower Phase konfiguriert wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Befehls der Prozess der Messwerterfassung konfiguriert wird, bspw. eine SamplingRate und/oder die Messdauer und/oder die Messdatenvorverarbeitung und/oder Datengröße der zu übermittelnden Mess- bzw. Rohdaten. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mechanische Schwingungen und/oder Temperaturwerte im Bereich der Arbeitsmaschine erfasst. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Erfassung von Schwingungsdaten durch den Sensor mittels des Befehls eine Auswahl der Schwingungsachsen und/oder die Konfiguration der Grenzfrequenz konfiguriert wird. 10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor ein batteriebetriebener Sensor ist.
11 . Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor nach dem Versenden der ein oder mehreren Messwerte an die zentrale Auswerteeinheit in einen ersten Schlafmodus übergeht und nach Beendigung des ersten Schlafmodus wenigstens einen Befehl von der Auswerteinheit empfängt und/oder eine sensorinterne Auswertung der Messdaten vornimmt und in Abhängigkeit der sensorinternen Auswertungen und/oder der Auswertung durch die Auswerteeinheit wenigstens eine Wiederholungsmessung zur Verifikation der vorhergehenden Messdaten ausführt, wobei der Sensor für den Fall, dass keine Wiederholungsmessung auszuführen ist, in einen zweiten Schlafmodus übergeht.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in einer ersten Arbeitsweise Messwerte mit einem ersten Messintervall erfasst und die Messwerte nach jeder Messung an die zentrale Auswerteeinheit überträgt, wobei die Auswerteeinheit nach Auswertung einer Messreihe empfangener Messwerte den Sensor zum Betrieb in einer zweiten Arbeitsweise veranlasst.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswertung der Messreihe wenigstens ein Erkennungsschwellwert bestimmt und an den Sensor übertragen wird, wobei mittels des Erkennungsschwellwertes zwischen unterschiedlichen Maschinenzuständen differenziert werden kann.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor gemäß einer zweiten Arbeitsweise Messwerte mit einem zweiten Messintervall erfasst, wobei das zweite Messintervall kürzer ist als das erste Messintervall, und während der zweiten Arbeitsweise keine oder zumindest weniger Daten als in der ersten Arbeitsweise an die zentrale Auswerteeinheit übertragen werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in die erste Arbeitsweise wechselt, falls der aktuelle Messwert oder mehrere aufeinanderfolgende Messwerte den Erkennungsschwellwert überschreiten. System umfassend wenigstens eine zentrale Auswerteeinheit, insbesondere eine cloudbasierte Auswerteeinheit, und wenigstens einen Sensor, wobei Auswerteeinheit und Sensor zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15 konfiguriert sind. Sensor für ein System nach Anspruch 16, konfiguriert zur dynamischen Fernkonfi- guration gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15. Zentrale Auswerteeinheit für ein System nach Anspruch 16, konfiguriert zur dynamischen Fernfonfiguration eines Sensors gemäß Anspruch 17 gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
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