WO2010046246A1 - Verfahren und vorrichtung zur detektion von prozesszuständen in alternierenden produktionsprozessen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur detektion von prozesszuständen in alternierenden produktionsprozessen Download PDF

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WO2010046246A1
WO2010046246A1 PCT/EP2009/063177 EP2009063177W WO2010046246A1 WO 2010046246 A1 WO2010046246 A1 WO 2010046246A1 EP 2009063177 W EP2009063177 W EP 2009063177W WO 2010046246 A1 WO2010046246 A1 WO 2010046246A1
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sensor
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evaluation unit
values
state
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PCT/EP2009/063177
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Ronny Grosse-Uhlmann
Torsten Pechstein
Original Assignee
Endress+Hauser Conducta Gesellschaft Für Mess- Und Regeltechnik Mbh+Co. Kg
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Publication date
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0218—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults
    • G05B23/0224—Process history based detection method, e.g. whereby history implies the availability of large amounts of data
    • G05B23/0227—Qualitative history assessment, whereby the type of data acted upon, e.g. waveforms, images or patterns, is not relevant, e.g. rule based assessment; if-then decisions
    • G05B23/0235—Qualitative history assessment, whereby the type of data acted upon, e.g. waveforms, images or patterns, is not relevant, e.g. rule based assessment; if-then decisions based on a comparison with predetermined threshold or range, e.g. "classical methods", carried out during normal operation; threshold adaptation or choice; when or how to compare with the threshold
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/32179—Quality control, monitor production tool with multiple sensors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting process conditions in alternating production processes, such as production processes of the chemical industry or the food industry.
  • Such industrial processes are conventionally controlled by sensors and are characterized by frequently changing conditions and operations.
  • sensors installed in the production unit such as temperature sensors or pH sensors
  • sensor values and process variables are determined during the production process, and the production process is controlled and controlled according to the sensor values determined.
  • different stages and states of the production process can be determined via the properties of the respective process material.
  • the pH value, the temperature, the electrical conductivity, the content of dissolved oxygen or the turbidity of the CO 2 value provide information about the current state of the production process.
  • the values are made available to a process computer by various sensors and determined directly or indirectly using the built-in process control sensors.
  • sensors used in such production processes over time will experience sensor wear over time due to the load on the sensor due to the frequently changing measurement environment. Therefore, it is necessary to regularly maintain the sensors used in terms of their functionality and life.
  • various methods and methods have been proposed in the prior art, by means of which the state of sensors used in the production process can be determined and calculated without their removal in situ or in place.
  • DE 102 09 318 A1 likewise discloses a method for determining the condition of individual measuring sensors.
  • the wear-dependent residual life of an electrochemical measuring sensor is determined by determining a parameter relevant to the wear of the sensor for which limit values are defined. After a repeated determination of the value of this parameter relevant to the wear of the sensor, an extrapolation of the value development of the parameter is calculated on the basis of determined values.
  • the method provides an estimated residual life of a single sensor based on mathematical calculations. Again, a statement about the current process status of a production process is not possible.
  • the detection method according to the invention is characterized by simultaneous evaluation and evaluation of simultaneously several sensor and / or process variables in the evaluation unit using preset threshold values for sensor values detectable by the sensor and / or process variables of the production process for determining a current process state.
  • simultaneous evaluation of a plurality of process variables is understood to be a simultaneous processing of the variables with the aim of deriving global process state variables. This provides a method for the meaningful diagnosis and analysis of running processes in alternating production processes in the simplest possible way and with little additional construction effort.
  • the evaluation and evaluation according to the invention is understood as meaning any analysis of measured values or process variables by which a derived statement about the process state or the sensor state is made possible, in addition to the actual sensor value measurement, such as, for example, a temperature measurement with temperature sensors.
  • the evaluation and evaluation or analysis or diagnosis of the process state of a product sounding process according to the present invention can be implemented as a simple state counting function. That is, a state Z 1 defined with set parameters is counted in appearance.
  • the method according to the invention can also be used to determine the state quality of the currently running production process by establishing predefined limit values and threshold values. On the basis of this, one or more subsequent reactions can be produced in accordance with the result signal from the evaluation unit.
  • values of sensors or other process variables can take place in a separate control unit, the evaluation unit or in the transmitter of a sensor or in the sensor itself
  • the predefined or preset threshold values of each sensor size or process variable can also be stored in a special memory or as required
  • a menu control on the evaluation unit can be set by the operator.
  • diagnostic results of the evaluation unit are stored continuously in a memory unit.
  • the development of the simultaneously recorded multiple quantities can be stored as the result of the diagnosis.
  • the diagnostic end results of the evaluation unit can be stored in the memory, for example as a status history of the production process continuously or periodically.
  • the stored diagnostic results or sensor values are used according to the invention, for example for detecting trends in the current process state. From past developments of the diagnostic results or the measured sensor values or other process-relevant variables, the evaluation unit according to the invention can derive a statement as to how the current process status has come about and generate a corresponding error message.
  • An operator can also recognize typical process status patterns with the stored data and initiate corresponding countermeasures based on the displayed process states and the stored past process states or sensor states. New typical process conditions can be developed here.
  • a lower and an upper threshold value are defined for each sensor and / or process variable evaluated within the evaluation unit, within the limits of which the process state is judged by the evaluation unit to be in order.
  • This can be the Evaluation unit according to the invention make a process diagnosis based on simple thresholds or limits for respective sizes. For example, it is known for a temperature sensor in a certain process that the production process runs correctly within certain limits, but when it exceeds this limit, errors either occur at the sensor itself or in the process.
  • a meaningful diagnosis of the current process state can be made on the basis of the preset and predefined limit values for respective analysis values.
  • the predefined threshold values for sensor or process variables can be combined with a likewise predefined time window for the value development, ie that for example! Within a certain time frame, the predefined thresholds may not be exceeded or fallen short of.
  • the evaluation unit according to the invention can perform a fairly realistic evaluation of the current state quality of a currently running production process.
  • state-specific time intervals for sensor or process variables are defined in the evaluation unit or in an interface device and used in the evaluation unit for the process status analysis.
  • the usually associated time interval can be stored in the evaluation unit according to the invention, so that the respective process state patterns are correctly recognized by the system depending on the time interval and the type of process state occurring and provide a correct evaluation. For example, in a production process in the food industry, a certain temperature drop of the process medium within a certain time Frame known. If this time interval and the corresponding state change of the process variable are communicated to the system in advance, for example in the form of stored process state parameters, the informational value and quality of analysis results of the detection method according to the invention can be increased.
  • a state counter is provided, with which the number of changes of a process or sensor size per defined time unit can be detected.
  • a state counter here means any state counter by means of which certain typical process states can be detected and numerically counted. This is advantageously carried out according to the invention as a function of defined and condition-specific time intervals, since typical time intervals are given in practice for certain conditions occurring in production processes.
  • a number of independent states of the production process is defined in advance, which are each characterized by temporal and / or value-related limits and intervals with respect to the examined sensor or process variables.
  • a definition of mutually independent states of the production process can take place, for example, in the form of a combination of sensor value development and time frame or the like.
  • Typical and independent states of a respective specific production process are thereby known in advance to the system according to the invention and can be used to improve the diagnostic results.
  • a serial linking of different and independent states of a production process is understood to mean, for example, a defined sequence of different states or a temporal dependency pattern of states with one another.
  • a state Z 1 can be defined as an indispensable consequence of an independent other state Z, -i. Failure to comply with the serial link and in this case timed sequence of the two states, a signal is generated by the inventive method as output, which can be output, for example, in a Aiarm for faulty production process.
  • the independent and serially linked states Z 1 may overlap in value or time or not.
  • An association of the states can be defined as AND as well with the instruction OR, so that it can give, for example, a state Z k , which can either follow a state Z m or a state Z n , or Z 2 is the subsequent state of Z x or Z y .
  • sensor codes are used, which are derived or calculated from measured raw data of a sensor.
  • sensor codes are derived and calculated. These can also be stored in the memory unit according to the invention.
  • the use of derived sensor codes has the advantage that certain influences from the environment or the measured variables can be compensated according to the invention.
  • a consideration of influences of the simultaneously measured measured variables among one another can be carried out by means of a calculated compensation. The analysis results regarding the current state of the production process are thus improved.
  • the sensor used is a temperature sensor for detecting a process temperature or the temperature of a process medium in a product sound system, wherein at least the temperature values are used as a sensor size in the evaluation unit for process diagnostics in addition to other current process values.
  • a pH value, a temperature value, an electrical conductivity of the process medium, a content of dissolved oxygen, a turbidity or a CO 2 value are used within the process diagnosis in the evaluation unit as the sensor or process variable.
  • a device for detecting process conditions in alternating production processes with the features of claim 13 wherein the device has an evaluation unit which is adapted to simultaneously multiple sensor values and / or further process variables for the diagnosis of current process states and / or sensor states in the production process, and wherein preset lower and upper threshold values S u , S 0 are stored for at least two sensor or process variables in the device.
  • the evaluation unit according to the invention can be used within the detection device with regard to process states either installed as a separate hardware / program module or integrated as a program module into existing production facility equipment such as the central control and control unit.
  • the simultaneous or simultaneous processing and evaluation of sensor values or other process variables takes place according to predefined and process-specific variables, and the respective values and quantities are stored together with the diagnostic results in a memory unit.
  • pre-set lower and upper threshold values are defined and stored in the device for the relevant process variables and sensor values.
  • the device according to the invention can analyze current states of processes precisely, and individual elements of production plants can be assessed with regard to their functionality as well as the global current process state with simple means.
  • an acoustic and / or optical signal can be generated with the evaluation unit.
  • a display device and / or an alarm device are provided, which are connected to the evaluation unit for the transmission of the signal.
  • a state counter is provided, by means of which predefined states with respect to the production process can be numerically determined on the basis of threshold values or interval limits for process or sensor variables.
  • the state counter offers a very simple process analysis if, for example, the number of exceedances of a specific limit value or of a combination of limit values and time intervals is determined for different state-relevant variables considered in the system.
  • the state counter or the evaluation unit For example, generate an output as Foigere relies, an alarm signal, an optical or visual message or a control signal to a relay circuit on the transmitter or other control devices of the production process.
  • lower and upper threshold values S Uj S 0 for respective sensor values are stored in a transmitter of the sensor or tm sensor itself.
  • the evaluation unit supplies as a result of the process diagnosis an acoustic signal, an optical or visual signal and / or a control signal for in particular a Reiaisscrien a device of the production plant.
  • Fig. 1 is a graph showing the time course of two measured quantities with respective threshold values and time intervals of different states Z ⁇ for illustrating the principle of the method according to the present invention.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of an exemplary embodiment of a device according to the invention for detecting process states in production processes with two sensors.
  • FIG. 1 shows the time profile of two measured quantities Xi, X 2 as an example in order to illustrate how the method according to the invention for the detection of process states basically works:
  • X 1 , X 2 in an input device according to the invention, for example a menu-driven interface device, multiple thresholds defined.
  • the threshold values are shown in FIG. 1 with dotted lines parallel to the abscissa and provided with a respective index.
  • a first lower threshold Xi.i. m m and a second lower threshold Xi ⁇ 1n set.
  • the threshold values are linked to also preset seed intervals zi, Z 2 and Z 3 , over which different states Zi, Z 2 and Z 3 are defined.
  • a state Z 1 is therefore a quasi combination of time interval and measured value course within certain limits.
  • an output signal is generated by the method according to the invention, which can be supplied, for example, to an alarm device. This is illustrated in FIG. 1 on the basis of state Z 3 .
  • the time interval for the state Z 3 is set with the limits t 3 min and t 3 max .
  • the duration of a time interval z f can exceed limits t. m i ⁇ and t ,, ma ⁇ be defined.
  • a state Z is only recognized as such when the measured variables X lie in their regions defined for this state Z.
  • the respective threshold values for the measured variables Xi, X 2 within the time interval z 3 are exceeded, an alarm message is generated with the device according to the invention.
  • a minimum duration t t , m , n for a state Z must be specified.
  • the upper limit ⁇ m 3x is optional. If an upper limit is not specified, then no warning can be given. The condition is nevertheless registered.
  • the state Z 1 is not recognized (t ⁇ , mm is not reached) and the state Zi is associated with at least one further state Z k (Z k may be before or after Z 1 ).
  • the measured variable Xi can be, for example, a temperature value which is measured by a temperature sensor in a production plant on the basis of the process material.
  • the measured variable X 2 may be, for example, a pH value, another temperature value or the conductivity of the process material. Both measured quantities X 1 , X 2 are considered, evaluated and stored simultaneously, ie simultaneously, over the time period.
  • the analysis of the process state and the diagnosis with the method according to the invention can be realized in the form of a simple state counter. Furthermore, the determination of certain measured value-related or time limit values can also make qualitative statements about the process status overall, on the basis of which corresponding signals or subsequent reactions are then executed.
  • an output signal of the device according to the invention either an electrical control signal for a relay circuit can be generated or a visual or audible alarm message, which is forwarded to a display device or a sound signal generating device.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the device according to the invention for detecting process states in the form of a schematic block diagram.
  • the device for detecting process states in alternating production processes for example in food technology or the chemical industry, has an evaluation unit 2, which is connected to a memory unit 3.
  • the production process 10 to be monitored is shown schematically in the lower part of FIG. 2 with different process steps.
  • a first sensor 1 which is for example a temperature sensor.
  • the sensor 1 is connected to a measuring transducer 7, which in turn is connected to the evaluation unit 2 according to the present invention.
  • a second sensor 11 is installed in the form of a pH sensor, which in turn is connected to a transmitter 7.
  • This further sensor 11 is also connected via the measuring transducer 7 to the evaluation unit 2, in which the two sensor values of the sensors 1, 11 are brought together.
  • a memory unit 3 user-defined process-specific values and data are stored.
  • upper and lower threshold values for measured values measured by the sensors 1, 11 are shown in FIG
  • temperature values and pH values are stored.
  • typical states Zj adapted in each case to the production process to be diagnosed can be stored in the memory unit 3.
  • data regarding further process variables or sensor sizes can be stored here.
  • the evaluation unit 2 is further provided with a state counter 4 in this embodiment. About the state counter 4, the occurrence of certain predefined states Z, can be detected numerically and passed to the operator or a control unit.
  • the evaluation unit 2 of the device according to the invention is adapted to simultaneously process a plurality of sensor values or process variables in such a form that a qualitative statement about the current process state of the production process 10 can be derived for diagnostic purposes on the basis of the several values or variables.
  • the evaluation unit 2 is not only able to record the individual sensor values and to use them for the process control.
  • the evaluation unit 2 delivers a visual or optical signal, which can be displayed, for example, in a display device 5.
  • an acoustic signal from the evaluation unit 2, which signals an erroneous process sequence in an alarm device 6 in the form of a signal tone, for example.
  • an electrical signal can be generated when a specific process state Zj occurs, which is given via a switching mechanism 8 for activating an actuating device 9 within the production process 10. This can be done automatically and with very little equipment effort highly effective monitoring and diagnosis be carried out by running production processes. A sensor wear or other misconduct within the process 10 can be detected early and evaluated and detected by the diagnostic device according to the invention.
  • the storage of process states Z, and threshold values and time intervals for sensor values can also take place directly in the transmitter 7 of the sensors 1, 11, instead of in the memory unit 3.
  • the evaluation unit as a program module! be installed within existing control devices or process computers.
  • an interface is also provided, via which a user or operator can input menu-controlled threshold values for sensor measured values, time intervals or state-specific additional data, for example.
  • the device according to the invention is not limited to detecting only two sensor values and to evaluate them simultaneously for the process diagnosis. Other sensor or process variables may alternatively, additionally or additionally be used.
  • the invention can now also be used to make a statement as to how the permanently changing process sequence as a whole should be evaluated.
  • a process change for example, due to a sensor wear or other malfunctions can therefore be monitored promptly and continuously with simple Mittein and detected early.
  • a specific number of changes per defined unit of time over threshold values can also be analyzed in the method according to the invention. For this purpose, a lower threshold value S u and an upper threshold value S 0 are entered for each sensor size or process variable investigated. Together with a predefined time interval for the compliance with these threshold values, a qualitative statement can be made about the correct or incorrect course of the examined production process 10.
  • a number of independent states Zj can be defined. An example will be given below.
  • a certain number of state-specific time intervals can be defined. Only at the end of a predetermined time interval, for example, a previously defined process state Zi is also registered as such.
  • temporal interval limits can also be used be defined with ti msn and t ⁇ max . All this can be done via a menu-driven input device, for example in the form of a touchscreen monitor. By means of temporal interval boundaries, differentiations between the standard process sequence and the erroneous process states to be detected can be carried out in a relatively simple manner. For example, when falling below a lower intervailgrenze t im ⁇ n no alarm or warning signal is issued.
  • states Z 1 can be defined by the operator as required and depending on the production process to be analyzed.
  • An example of state definitions is given below (in this case, for example, the threshold value Si , 2 means minimal threshold value of the measured variable Xi in the state
  • State Zi is defined as follows: over a time interval Z 1 , a lower threshold value Xi, i, m (n , a lower threshold value Xi, 2, mm and a range ( ⁇ Xi, i / ⁇ t) mm must be maintained.
  • Another state Z 2 is defined as: a time interval Z 2 ; a lower threshold value X 2 , i, mf n and a lower threshold value X 2 , 2 , min.
  • a last state Z 3 in this embodiment is formed over: a time interval! z 3 ; a range ⁇ X 3 , i / ⁇ t) ma ⁇ .
  • a state Z may be defined as a state of being from a necessarily previous other state Z, .i. If this sequence of the two states Z 1 and Z,. I does not occur, the device generates an alarm or a visual warning signal.
  • the diagnostic methodology according to the invention can be realized both as a hardware solution and as a software solution.
  • the inventive method can be integrated, for example in the form of program modules in existing control and regulation computer of production facilities.
  • the location of storage of preset thresholds, intervals, and states of each production process is not limited to a separate storage unit 3 as in the above example.
  • a storage and input of preset thresholds, time intervals, process states, etc. can also be based on existing storage capacities as done in the transmitter 7 of sensors or elsewhere.

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Abstract

Es werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Detektion und Analyse von Prozesszuständen in alternierenden Produktionsprozessen vorgeschlagen, insbesondere zur Anwendung in chemischen oder pharmazeutischen Produktionsprozessen oder in der Lebensmitteltechnologie, mit mindestens einem Sensor (1) zur Erfassung von Sensorwerten, welche repräsentativ sind für Prozesszustände, und mit einer Auswertungseinheit (2), welche angepasst ist, Sensorwerte und weitere Prozessgrößen zur Diagnose von Prozesszuständen und/oder Sensorzuständen zu verarbeiten, wobei anhand des Diagnoseergebnisses der Auswertungseinheit (2) ein Signal zur Anzeige von Prozesszuständen oder Sensorzuständen erzeugt wird, wobei die Erfindung gekennzeichnet ist durch simultanes Auswerten und Beurteilen von gleichzeitig mehreren Sensor- und/oder Prozessgrößen in der Auswertungseinheit (2) unter Verwendung von voreingestellten Schwellenwerten für vom Sensor erfassbare Sensorwerte und/oder Prozessgrößen des Produktionsprozesses zur Ermittlung eines aktuellen Prozesszustands.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Prozesszuständen in alternierenden Produktionsprozessen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Prozesszuständen in alternierenden Produktionsprozessen, wie beispielsweise Produktionsprozessen der chemischen Industrie oder der Lebensmittelindustrie. Derartige industrielle Prozesse werden herkömmlicherweise mittels Sensoren gesteuert und sind durch sich häufig ändernde Zustände und Abläufe gekennzeichnet. Mit in der Produktionsaniage eingebauten Sensoren wie Temperaturfühlern oder pH-Wert-Sensoren werden bei laufendem Produktionsprozess Sensorwerte und Prozessgrößen ermittelt, und der Produktionsprozess wird entsprechend den ermittelten Sensorwerten kontrolliert und gesteuert. So sind beispielsweise in chemischen Produktionsprozessen verschiedene Stufen und Zustände des Produktionsprozesses über die Eigenschaften des jeweiligen Prozessgutes ermittelbar. Beispielsweise liefern der pH-Wert, die Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit, der Gehalt an Geiöstsauerstoff oder die Trübung des CO2-Wertes Aussagen über den aktuellen Zustand des Produktionsprozesses. Die Werte werden von verschiedenen Sensoren einem Prozessrechner zur Verfügung gestellt und direkt oder indirekt anhand der eingebauten Sensoren zur Prozesssteuerung ermittelt. Bei den heutzutage in solchen Produktionsprozessen verwendeten Sensoren kommt es mit der Zeit jedoch zu einem Sensorverschleiß aufgrund der Belastung des Sensors durch die häufig sich ändernde Messumgebung. Daher ist es erforderlich, die verwendeten Sensoren hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit und Lebensdauer regelmäßig zu warten. Im Stand der Technik sind hierzu verschiedene Methoden und Verfahren vorgeschlagen worden, mittels welchen der Zustand von im Produktionsprozess verwendeten Sensoren ohne deren Ausbau in situ oder an Ort und Stelle ermittelt und berechnet werden kann. in der EP 1 550 861 A1 sind diesbezüglich ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Zustande einer Messsonde in einem Produktionsprozess am Beispiel eines sogenannten CIP- (Cleaning-in-place-) oder SIP- (Sterilizing- in-place-)Verfahrens beschrieben, wobei ohne einen Ausbau der Temperaturmesssonde deren aktueller Zustand ermittelt wird. Dafür wird nach diesem Dokument die Temperatur der Messsonde oder die Temperatur des die Messsonde umgebenden Mediums mittels eines weiteren Messfühlers zusätzlich gemessen, und anhand des gemessenen Temperaturverlaufs über die Zeit wird eine Aussage über den aktuellen Zustand der Messsonde abgeleitet. Mit dieser Methode kann der Zustand von einzelnen Messsonden im Produktionsprozess ermittelt werden, ohne diese auszubauen. Eine Prozessdiagnose insgesamt ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich.
Aus der DE 102 09 318 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Ermittlung des Zustands von einzelnen Messsensoren bekannt. Bei diesem Verfahren wird die verschleißabhängige Reststandszeit eines elektrochemischen Messsensors dadurch ermittelt, dass ein für den Verschleiß des Sensors relevanter Parameter festgelegt wird, für welchen Grenzwerte definiert werden. Nach einer wiederholten Ermittlung des Wertes dieses für den Verschleiß des Sensors relevanten Parameters wird hier eine Extrapolation der Wertentwicklung des Parameters auf Grundlage von ermittelten Werten berechnet. Das Verfahren liefert als Ergebnis eine voraussichtliche Reststandszeit eines einzelnen Sensors, die auf mathematischen Berechnungen beruht. Auch hier ist eine Aussage über den aktuellen Prozesszustand eines Produktionsprozesses insgesamt nicht möglich.
Des Weiteren sind sogenannte Prozessleitsysteme mit zentralen Steuerrechnern bzw. Prozessrechnern bekannt, bei welchen über aufwendige ProzessmodelJe und die Zusammenführung sämtlicher erfassten Größen eine Überwachung und Analyse von laufenden Produktionsprozessen ermöglicht wird. Die Nachteile dieser Prozessieitsysteme sind ihre relativ hohen Kosten in der Anschaffung und im Unterhalt sowie ihre hohe Komplexität in der Anwendung. Die Modellierung und Analyse eines Prozesszustands mit solchen Prozessleitsystemen erfordern außerdem eine genaue Kenntnis und möglichst gute Abbildung der jeweiligen Produktionsanlage. Sie eignen sich daher nur für hochentwickelte Prozessszenarien, bei welchen ein solcher Aufwand gerechtfertigt ist.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Detektion von Prozesszuständen in alternierenden Produktionsprozessen bereitzustellen, welche mit möglichst einfachen Mitteln und geringem Zusatzaufwand realisierbar sind und dennoch eine aussagekräftige Diagnose von aktuellen globalen Prozesszuständen erlauben. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Schritten nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Nach der Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion von Prozesszuständen in alternierenden Produktionsprozessen mit mindestens einem Sensor zur Erfassung von Sensorwerten, welche repräsentativ sind für Prozesszustände, und mit einer Auswertungseinheit vorgeschlagen, welche angepasst ist, Sensorwerte und weitere Prozessgrößen zur Diagnose von Prozesszuständen und/oder Sensorzuständen zu verarbeiten, wobei anhand des Diagnoseergebnisses der Auswertungseinheit ein Signal als Ausgangsgröße für beispielsweise eine Anzeige von Prozesszuständen oder Sensorzuständen erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Detektionsverfahren ist gekennzeichnet durch simultanes Auswerten und Beurteilen von gleichzeitig mehreren Sensor- und/oder Prozessgrößen in der Auswertungseinheit unter Verwendung von voreingestellten Schwellenwerten für vom Sensor erfassbare Sensorwerte und/oder Prozessgrößen des Produktionsprozesses zur Ermittlung eines aktuellen Prozesszustands. Durch das gezielte simultane Auswerten von gleichzeitig mehreren Prozess- oder Sensorgrößen in der Auswertungseinheit kann nicht nur eine singuläre Aussage über den Zustand des Sensors selbst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt werden, sondern vielmehr ist nun anhand von mindestens zwei bzw. mehreren Größen eine Beurteilung des Prozesszustands des Produktionsprozesses insgesamt über bestehende Sensoren möglich. Unter einem simultanen Auswerten mehrerer Prozessgrößen wird vorliegend ein gleichzeitiges Verarbeiten der Größen mit dem Ziel einer Ableitung von globalen Prozesszustandsgrößen verstanden. Damit wird auf denkbar einfache Art und Weise und mit geringem baulichem Zusatzaufwand eine Methode zur aussagekräftigen Diagnose und Analyse von laufenden Prozessen in alternierenden Produktionsprozessen bereitgestellt. Durch gezieltes Erfassen und Auswerten von mehreren Prozessgrößen bzw. Sensorgrößen gleichzeitig, beispielsweise einschließlich der Temperatur eines Prozessgutes, welche von dem Sensor gemessen wird, kann erfindungsgemäß über voreingestellte Schwellenwerte je Größe eine effektive und realitätsnahe Auswertung des Prozesszustands im laufenden Produktionsprozess bereitgestellt werden. Die Temperatur des Prozessmediums, welche von dem Sensor beispielsweise fortlaufend gemessen wird, sowie weitere Prozess- oder Sensorgrößen werden anhand von voreingestellten Schwellenwerten oder Grenzwerten gleichzeitig erfasst und ausgewertet, so dass eine aussagekräftige Prozessdiagnose im laufenden Prozess ohne größeren apparativen Aufwand möglich ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es erstmals möglich, neben den aktuellen Prozessbedingungen und Umgebungsbedängungen, welche zur Belastung und Abnutzung des Sensors führen, zusätzlich ganz allgemein Aussagen über Prozesszustände zu erfassen und entsprechend zu analysieren. Unter dem erfindungsgemäßen Auswerten und Beurteilen wird vorliegend jede Analyse von Messwerten oder Prozessgrößen verstanden, durch welche eine abgeleitete Aussage über den Prozesszustand oder den Sensorzustand ermöglicht wird, neben der eigentlichen Sensorwertmessung, wie beispielsweise bei einer Temperaturmessung mit Temperaturfühlern. Die Auswertung und Beurteilung bzw. Analyse oder Diagnose des Prozesszustands eines Produkttonsprozesses nach der vorliegenden Erfindung kann dabei als eine einfache Zustandszählfunktion umgesetzt werden. Das heißt, ein mit festgelegten Parametern definierter Zustand Z1 wird hinsichtlich seines Auftretens gezählt. Zum anderen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch durch Festlegung vordefinierter Grenzwerte und Schwellenwerte eine qualitativ hochwertigere Auswertung der Zustandsgüte des derzeit ablaufenden Produktionsprozesses erfolgen. Auf deren Basis können entsprechend dem Ergebnissignal aus der Auswertungseinheit eine oder mehrere Folgereaktionen hervorgerufen werden. Denkbar ist beispielsweise die Erzeugung eines akustischen Signals, eines optischen Signals oder eines elektrischen Signals, beispielsweise in Form eines Alarms, einer Meldung „Prozess in Ordnung", oder eines Steuersignals für eine Relaisschaltung der Produktionsanlage. Die Festlegung von voreingesteSIten Schwellenwerten und zustandsspezifischen Parametern für prozesszustandsrelevante Werte von Sensoren oder anderen Prozessgrößen kann erfindungsgemäß in einer separaten Steuerungseinheit, der Auswertungseinheit oder in dem Messumformer eines Sensors oder im Sensor selbst erfolgen. Die vorab definierten oder voreingestellten Schwellenwerte jeder Sensorgröße oder Prozessgröße können auch in einem speziellen Speicher abgelegt werden oder je nach Bedarf über beispielsweise eine Menüsteuerung an der Auswertungseinheit vom Bediener eingestellt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Prozessdiagnose von laufenden Prozessen deutlich vereinfacht gegenüber den bisher im Stand der Technik hierfür verwendeten komplexen Prozessleitsystemen. Beispielsweise sind für die Prozessdiagnose keine aufwendigen Produktionsanlagenmodeiie und komplexen Softwaremodule erforderlich. Über ohnehin vorhandene Sensoren und über die Sensoren oder weitere Erfassungsmittel in der Produktionsanlage werden neben den eigentlichen Sensorwerten einfach zusätzliche zustandsrelevante Prozessgrößen fortlaufend oder periodisch über die Zeit erfasst und für die erfindungsgemäße Diagnose des aktuellen Prozesszustands verwendet. Damit wird ein sehr einfaches Verfahren zur Detektion und Analyse von Prozesszuständen bereitgestellt, das bei geringen Kosten und mit überschaubarem baulichem Zusatzaufwand in bestehenden Produktionsprozessen, beispielsweise in der Lebensmitteitechnologie, gewinnbringend eingesetzt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Diagnoseergebnisse der Auswertungseinheit in einer Speichereinheit fortlaufend gespeichert. Als Diagnoseergebnis kann einerseits die Entwicklung von den simultan erfassten mehreren Größen gespeichert werden. Alternativ können die Diagnose-Endergebnisse der Auswertungseinheit in dem Speicher beispielsweise als Zustandshistorie des Produktionsprozesses kontinuierlich oder periodisch gespeichert werden. Die gespeicherten Diagnoseergebnisse oder Sensorwerte dienen erfindungsgemäß zum Beispiel zum Erkennen von Trends im aktuellen Prozesszustand. Aus vergangenen Entwicklungen der Diagnoseergebnisse oder der gemessenen Sensorwerte bzw. anderer prozessrelevanter Größen kann die erfindungsgemäße Auswertungseinheit eine Aussage ableiten, wie es zu dem aktuellen Prozesszustand gekommen ist, und eine dementsprechende Fehlermeldung generieren. Auch kann ein Bediener mit den gespeicherten Daten typische Prozesszustandsmuster erkennen und anhand der angezeigten Prozesszustände und der gespeicherten vergangenen Prozesszustände bzw. Sensorzustände entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten. Neue typische Prozesszustände können hierüber entwickelt werden.
Nach einer wetteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für jede in der Auswertungseinheit ausgewertete Sensor- und/oder Prozessgröße jeweils ein unterer und ein oberer Schwellenwert definiert, innerhalb deren Grenzen der Prozesszustand von der Auswertungseinheit als in Ordnung beurteilt wird. Damit kann die Auswertungseinheit nach der Erfindung anhand von einfachen Schwellenwerten oder Grenzwerten für jeweilige Größen eine Prozessdiagnose vornehmen. Beispielsweise ist es für einen Temperaturfühler bei einem bestimmten Prozess bekannt, dass der Produktionsprozess innerhalb bestimmter Grenzen korrekt abläuft, es bei Überschreiten jedoch zu Fehlern entweder am Sensor selbst oder im Prozess gekommen ist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann anhand der voreingestellten und vorab definierten Grenzwerte für jeweilige Analysewerte eine aussagekräftige Diagnose des aktuellen Prozesszustands vorgenommen werden. Nach einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die vorab definierten Schwellenwerte für Sensor- oder Prozessgrößen mit einem ebenfalls vorab festgelegten Zeitfenster für die Wertentwickiung kombiniert werden, d. h. dass zum Beispie! innerhalb eines bestimmten zeitlichen Rahmens eine Über- oder Unterschreitung der vordefinierten Schwellenwerte nicht erfolgen darf. Mit der einfachen Festlegung bestimmter Grenzwerte für jeweilige Prozessgrößen oder Sensorwerte kann die erfindungsgemäße Auswertungseinheit eine recht realitätsnahe Auswertung der aktuellen Zustandsgüte eines gerade ablaufenden Produktionsprozesses durchführen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der Auswertungseinheit oder in einem Schnittstellengerät zustandsspezifische Zeitintervalle für Sensor- oder Prozessgrößen definiert und in der Auswertungseinheit für die Prozesszustandsanalyse verwendet. Anhand der Kenntnis von typischen Prozesszuständen eines jeweiligen Produktionsprozesses kann das damit üblicherweise zusammenhängende Zeitintervall in der Auswertungseinheit nach der Erfindung abgelegt werden, so dass die jeweiligen Prozesszustandsmuster abhängig von dem Zeitintervall und der Art des auftretenden Prozesszustands vom System richtig erkannt werden und eine korrekte Auswertung liefern. Beispielsweise ist in einem Produktionsprozess in der Lebensmittelindustrie ein bestimmter Temperaturabfall des Prozessmediums innerhalb eines bestimmten zeitlichen Rahmens bekannt. Wenn dieses Zeitintervall und die entsprechende Zustandsänderung der Prozessgröße dem System vorab mitgeteilt werden, beispielsweise in Form von abgespeicherten Prozesszustandsmustem, kann die Aussagefähigkeit und Qualität von Analyseergebnissen des erfindungsgemäßen Detektionsverfahrens erhöht werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Zustandszähler vorgesehen, mit welchem die Anzahl von Veränderungen einer Prozess- oder Sensorgröße pro definierter Zeiteinheit erfassbar ist. Unter einem Zustandszähler wird erfindungsgemäß hier jeder Zustandszähler verstanden, mittels welchem bestimmte typische Prozesszustände erfasst und numerisch gezählt werden können. Dies wird nach der Erfindung vorteilhafterweise in Abhängigkeit von festgelegten und zustandsspezifischen Zeitintervallen durchgeführt, da für bestimmte in Produktionsprozessen auftretende Zustände typische Zeitintervalle in der Praxis gegeben sind.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Anzahl von voneinander unabhängigen Zuständen des Produktionsprozesses vorab definiert, welche jeweils gekennzeichnet sind durch zeitliche und/oder wertebezogene Grenzen und Intervalle hinsichtlich der untersuchten Sensoroder Prozessgrößen. Eine Definition von voneinander unabhängigen Zuständen des Produktionsprozesses kann beispielsweise in Form einer Kombination von Sensorwertentwicklung und zeitlichem Rahmen oder ähnlichem erfolgen. Typische und voneinander unabhängige Zustände eines jeweiligen spezifischen Produktionsprozesses sind dem erfindungsgemäßen System dadurch vorab bekannt und können zur Verbesserung der Diagnoseergebnisse verwendet werden.
Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorab definierte und voneinander jeweils unabhängige Zustände des jeweiligen Produktionsprozesses seriell miteinander verknüpft. Unter einem seriellen Verknüpfen von verschiedenen und voneinander unabhängigen Zuständen eines Produktionsprozesses wird vorliegend beispielsweise eine definierte Abfolge von verschiedenen Zuständen oder ein zeitliches Abhängigkeitsmuster von Zuständen untereinander verstanden. So kann beispielsweise ein Zustand Z1 als eine unabdingbare Folge eines davon unabhängigen anderen Zustands Z,-i definiert werden. Bei Nichteinhaltung der seriellen Verknüpfung und in diesem Fall zeitlich festgelegten Abfolge der beiden Zustände wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Signal als Ausgabe erzeugt, das beispielsweise in einem Aiarm für fehlerhaften Produktionsablauf ausgegeben werden kann. Die voneinander unabhängigen und seriell verknüpften Zustände Z1 können sich dabei wertemäßig oder zeitlich überlappen oder nicht. Eine Verknüpfung der Zustände kann als UND ebenso mit der Vorschrift ODER definiert werden, so dass es zum Beispiel einen Zustand Zk geben kann, dem entweder ein Zustand Zm oder ein Zustand Zn folgen kann, bzw. Z2 ist der Folgezustand von Zx oder Zy.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Sensorkennzahlen verwendet, welche aus gemessenen Rohdaten eines Sensors abgeleitet oder ausgerechnet werden. Neben den Rohdaten bzw. Messwerten des Sensors oder anderer sensorieller Systeme im Produktionsprozess werden damit sogenannte Sensorkennzahlen abgeleitet und berechnet. Diese können ebenfalls in der erftndungsgemäßen Speichereinheit gespeichert werden. Die Verwendung von abgeleiteten Sensorkennzahlen hat den Vorteil, dass bestimmte Einflüsse aus der Umgebung oder der Messgrößen erfindungsgemäß hierdurch kompensiert werden können. So kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise eine Berücksichtigung von Einflüssen der simultan gemessenen Messgrößen untereinander durch eine berechnete Kompensation durchgeführt werden. Die Analyseergebnisse hinsichtlich des aktuellen Zustands des Produktionsprozesses sind damit verbessert. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der verwendete Sensor ein Temperaturfühler zur Erfassung einer Prozesstemperatur bzw. der Temperatur eines Prozessmediums in einer Produkttonsanlage, wobei mindestens die Temperaturwerte als eine Sensorgröße in der Auswertungseinheit zur Prozessdiagnose neben weiteren aktuellen Prozesswerten verwendet werden. Nach einer weiteren diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden innerhalb der Prozessdiagnose in der Auswertungseinheit als Sensor- oder Prozessgröße ein pH-Wert, ein Temperaturwert, eine elektrische Leitfähigkeit des Prozessmediums, ein Gehalt an Gelöstsauerstoff, eine Trübung oder ein CO2-Wert verwendet. Mit diesen Werten können bestimmte Eigenschaften des im Produktionsprozess verarbeiteten Prozessgutes realitäts- und wirklichkeitsnah abgebildet werden. Die kombinierte und simultane Verwendung und Auswertung von einer dieser Größen zusammen beispielsweise mit durch einen Sensor gemessenen Temperaturwerten liefert aussagekräftige Ergebnisse hinsichtlich des aktuellen Prozesszustands. Neben den Messgrößen selbst können im Rahmen der Erfindung auch die zeitlichen Ableitungen aller oder einzelner Messgrößen je nach Produktionsprozess eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß wird ebenfalls eine Vorrichtung zur Detektion von Prozesszuständen in alternierenden Produktionsprozessen mit den Merkmalen nach Anspruch 13 vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Auswertungseinheit aufweist, welche angepasst ist, simultan mehrere Sensorwerte und/oder weitere Prozessgrößen zur Diagnose von aktuellen Prozesszuständen und/oder Sensorzuständen im Produktionsprozess zu verarbeiten, und wobei voreingestellte untere und obere Schwellenwerte Su, S0 für mindestens zwei Sensor- oder Prozessgrößen in der Vorrichtung gespeichert sind. Die Auswertungseinheit nach der Erfindung kann innerhalb der Detektionsvorrichtung hinsichtlich von Prozesszuständen entweder als ein separates Hardware-/Programmmodul installiert werden oder als ein Programmmodul in bestehende Vorrichtungen der Produktionsanlage wie beispielsweise die zentrale Steuer- und Regeiungseinheit integriert werden. Die gleichzeitige bzw. simultane Verarbeitung und Auswertung von Sensorwerten oder weiteren Prozessgrößen erfolgt je nach vorab definierten und prozessspezifisch relevanten Größen, und die jeweiligen Werte und Größen werden zusammen mit den Diagnoseergebnissen in einer Speichereinheit gespeichert. Darüber hinaus sind jeweils für die relevanten Prozessgrößen und Sensorwerte voreingestellte untere und obere Schwellenwerte in der Vorrichtung definiert und abgespeichert. Anhand der Schwellenwerte und gemessenen Sensorwerte bzw. Prozessgrößen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung aktuelle Zustände von Prozessen genau analysieren, und einzelne Elemente von Produktionsanlagen können hinsichtlich deren Funktionsfähigkeit gleichermaßen wie der globale aktuelle Prozesszustand mit einfachen Mitteln bewertet werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfändungsgemäßen Vorrichtung ist mit der Auswertungseinheit ein akustisches und/oder optisches Signal erzeugbar. Nach einem vorteilhaften Aspekt sind eine Anzeigeeinrichtung und/oder eine Alarmeinrichtung vorgesehen, welche mit der Auswertungseinheit zur Übermittlung des Signals verbunden sind.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Zustandszähler vorgesehen, mittels welchem vordefinierte Zustände hinsichtlich des Produktionsprozesses anhand von Schwellenwerten oder Intervallgrenzen für Prozess- oder Sensorgrößen zahlenmäßig erfassbar sind. Der Zustandszähler bietet eine denkbar einfache Prozessanalyse, wenn beispielsweise die Anzahl von Überschreitungen eines bestimmten Grenzwertes oder einer Kombination von Grenzwerten und Zeitintervallen für verschiedene im System berücksichtigte zustandsrelevante Größen festgestellt wird. Als Folge kann der Zustandszähier oder die Auswertungseinheit beispielsweise ein Ausgangssignal als Foigereaktion erzeugen, wie z. B. ein Alarmsignal, eine optische bzw. visuelle Meldung oder ein Steuersignal an eine Relaisschaltung am Messumformer oder andere Steuerungseinrichtungen des Produktionsprozesses.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind untere und obere Schwellenwerte SUj S0 für jeweilige Sensorwerte in einem Messumformer des Sensors oder tm Sensor selbst gespeichert. Dadurch sind keine separaten Speicherkapazitäten für die Durchführung der erfändungsgemäßen Prozessanalyse erforderlich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liefert die Auswertungseinheit als Ergebnis der Prozessdiagnose ein akustisches Signal, ein optisches bzw. visuelles Signal und/oder ein Steuersignal für insbesondere eine Reiaisschaltung einer Einrichtung der Produktionsanlage. Damit kann zeitnah auf sich verändernde Prozesszustände reagiert werden, und ein Bediener wird frühzeitig und in verschiedenster Weise auf kritische Prozesszustände in der Produktionsanlage hingewiesen.
Die Erfindung wird im Folgenden mehr im Detaii anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnung beschrieben werden. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf zweier Messgrößen mit jeweiligen Schwellenwerten und Zeitintervallen von verschiedenen Zuständen Z\ zur Veranschaulichung des Prinzips des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Prozesszuständen in Produktionsprozessen mit zwei Sensoren. In der Fig. 1 ist der zeitliche Verlauf zweier Messgrößen X-i, X2 als ein Beispiel dargestellt, um zu veranschaulichen, wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Prozesszuständen grundsätzlich funktioniert: Für beide Messwerte X1, X2 sind in einem erfindungsgemäßen Eingabegerät, beispielsweise einer menügesteuerten Schnittstellen Vorrichtung, mehrere Schwellenwerte definiert. Die Schwellenwerte sind in der Fig. 1 mit gepunkteten Linien parallel zur Abszisse eingezeichnet und mit einem jeweiligen Index versehen. Für die Messgröße Xi beispielsweise sind in diesem Ausführungsbeispiel ein erster unterer Schwellenwert X-i.i.mm und ein zweiter unterer Schwellenwert Xi ^1n festgelegt. Die Schwellenwerte sind mit ebenfalls voreingestellten Zeätintervallen z-i, Z2 und Z3 verknüpft, worüber jeweils verschiedene Zustände Zi, Z2 und Z3 definiert sind. Ein Zustand Z1 ist hier also quasi eine Kombination von Zeitintervall und Messwertverlauf innerhalb von bestimmten Grenzen. Bei Eintreten eines der Zustände Zi, Z2, Z3 wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Ausgabesignal generiert, das beispielsweise einer Alarmeinrichtung zugeführt werden kann. Dies ist in Fig. 1 anhand des Zustande Z3 illustriert. Das Zeitintervall für den Zustand Z3 ist mit den Grenzen t3 mιn und t3 max festgelegt. Die Dauer eines Zeitintervalls zf kann über Grenzen t.miπ und t,,maχ definiert werden. Dabei wird ein Zustand Z, erst als solcher erkannt, wenn die Messgrößen X, in ihren für diesen Zustand Z, definierten Bereichen liegen. Bei Überschreiten der jeweiligen Schwellenwerte für die Messgrößen Xi, X2 innerhalb des Zeitintervalls z3 wird eine Alarmmeldung mit der Vorrichtung nach der Erfindung generiert. Dauert aber der Zustand Z1 mit den Messgrößen X, in ihren für diesen Zustand definierten Bereichen länger als ti.max, dann liegt eine Störung vor (siehe Fig. 1 ). Eine minimale Dauer tt,m,n für einen Zustand Z, muss angegeben werden. Der obere Grenzwert ^m3x ist optional. Wird ein oberer Grenzwert nicht angegeben, dann kann lediglich keine Warnung erfolgen. Der Zustand wird aber dennoch registriert.
Das heißt, es kann grundsätzlich zwei Arten von Alarmmeldungen geben: 1 ) der Zustand Zi dauert zu lange (eben beschrieben, dazu muss t,,maχ definiert sein);
2) der Zustand Z1 wird nicht erkannt (tι,mm wird nicht erreicht) und der Zustand Zi ist mit mindestens einem weiteren Zustand Zk verknüpft (dabei kann Zk vor oder nach Z1 liegen).
Dabei wird erfindungsgemäß nicht nur ein einziger Sensorwert berücksichtigt, sondern es werden simultan mindestens zwei Sensor- oder Prozessgrößen des jeweiligen Produktionsprozesses ausgewertet, was in Fig. 1 anhand der beiden Messgrößen Xi, X2 illustriert ist. Die Messgröße Xi kann beispielsweise ein Temperaturwert sein, welcher von einem Temperatursensor in einer Produktionsanlage anhand des Prozessgutes gemessen wird. Die Messgröße X2 kann beispielsweise ein pH-Wert, ein anderer Temperaturwert oder die Leitfähigkeit des Prozessgutes sein. Beide Messgrößen X1, X2 werden simultan, d. h. gleichzeitig, über den Zeitabiauf betrachtet, ausgewertet und gespeichert. Anhand der vordefinierten Zustände Zi können im alternierenden Produktionsprozess Situationen erkannt werden, welche eine Wartung oder eine Änderung im Produktionsprozess oder einzelner Produktionsaniagenteile erfordern. Da beispielsweise Sensoren wie Temperaturmessfühler durch die Belastung und durch die Messumgebung über die Zeit ihre Eigenschaften ändern können, ist es erforderlich, die Funktionsfähigkeit des Sensors und damit den gesamten Produktionsprozess auf die Zustandsgüte hin zu überwachen. Dies geschieht nach der vorliegenden Erfindung anhand eines simultanen Auswertens mehrerer Prozessgrößen oder Sensorgrößen über voreingestelite Schwellenwerte mit dem Ziel einer Gesamtprozessdiagnose. Damit können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur die aktuellen Prozessbedingungen, wie z. B. die aktuelle Temperatur des Prozessgutes, festgestellt werden, sondern es können erfindungsgemäß auch allgemeine Aussagen über Prozesszustände gemacht werden. Diese werden erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise fortlaufend oder mindestens periodisch erfasst und gespeichert und in einer Auswertungseinheit im Hinblick auf fehlerhafte Prozesszustände analysiert. Die Analyse des Prozesszustands und die Diagnose mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können dabei in Form eines einfachen Zustand szählers realisiert sein. Des Weiteren können durch die Festlegung bestimmter messwertbezogener oder zeitlicher Grenzwerte auch qualitative Aussagen über den Prozesszustand insgesamt gemacht werden, auf deren Basis dann entsprechende Signale oder Folgereaktionen ausgeführt werden. Als Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann entweder ein elektrisches Steuersignal für eine Relaisschaltung erzeugt werden oder aber eine visuelle oder akustische Alarmmeldung, die an eine Anzeigeeinrichtung oder eine ein Tonsignal erzeugende Einrichtung weitergeleitet wird.
In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Prozesszuständen in Form eines schematischen Blockdiagramms dargestellt. Die Vorrichtung zur Detektion von Prozesszuständen in alternierenden Produktionsprozessen beispielsweise der Lebensmitteltechnologie oder chemischen Industrie weist eine Auswertungseinheit 2 auf, die mit einer Speichereinheit 3 verbunden ist. Der zu überwachende Produktionsprozess 10 ist im unteren Teil der Fig. 2 mit verschiedenen Prozessschritten schematisch dargestellt. In einem ersten Teil befindet sich ein erster Sensor 1 , der zum Beispiel ein Temperatursensor ist. Der Sensor 1 ist mit einem Messumformer 7 verbunden, der wiederum mit der Auswertungseinheit 2 nach der voriiegenden Erfindung verbunden ist. In einem anderen Bereich des Produktionsprozesses 10 ist ein zweiter Sensor 11 in Form eines pH-Wert-Sensors eingebaut, der wiederum mit einem Messumformer 7 verbunden ist. Auch dieser weitere Sensor 11 ist über den Messumformer 7 mit der Auswertungseinheit 2 verbunden, in welcher die beiden Sensorwerte der Sensoren 1 , 11 zusammengeführt werden. In einer Speichereinheit 3 werden vom Benutzer definierte prozessspezifische Werte und Daten abgelegt. In der Speichereinheit 3 sind beispielsweise obere und untere Schwellenwerte für von den Sensoren 1 , 11 gemessene Messwerte, in diesem Fall Temperaturwerte und pH-Werte, abgelegt. Des Weiteren können in der Speichereinheit 3 jeweils auf den zu diagnostizierenden Produktionsprozess angepasste typische Zustände Zj abgelegt werden. Des Weiteren können Daten hinsichtlich weiterer Prozessgrößen oder Sensorgrößen hier gespeichert sein. Die Auswertungseinheit 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ferner mit einem Zustandszähler 4 versehen. Über den Zustandszähler 4 kann das Auftreten von bestimmten vorab definierten Zuständen Z, numerisch erfasst werden und dem Bediener oder einer Steuerungseinheit weitergegeben werden.
Die Auswertungseinheit 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist angepasst, simultan mehrere Sensorwerte oder Prozessgrößen in solch einer Form zu verarbeiten, dass anhand der mehreren Werte oder Größen eine qualitative Aussage über den aktuellen Prozesszustand des Produktionsprozesses 10 zu Diagnosezwecken abgeleitet werden kann. Dadurch ist die Auswertungseinheit 2 nicht nur in der Lage, die einzelnen Sensorwerte zu erfassen und für die Prozesssteuerung zu benutzen. Über die simultane Erfassung und Auswertung von gleichzeitig mehreren Prozess- oder Sensorgrößen können mit einer relativ einfachen Vorrichtung auch allgemeine Aussagen über den derzeitigen aktuellen Prozesszustand und eventuell erforderliche Eingriffe oder Wartungsarbeiten gemacht werden. Ais Ergebnis in Form beispielsweise eines Ausgangssignals liefert die Auswertungseinheit 2 ein visuelles bzw. optisches Signal, das zum Beispiel in einer Anzeigeeinrichtung 5 dargestellt werden kann. Alternativ oder ergänzend kann auch ein akustisches Signal von der Auswertungseinheät 2 ausgegeben werden, das in einer Alarmeinrichtung 6 in Form eines Signaltons beispielsweise einen fehlerhaften Prozessablauf signalisiert. Des Weiteren kann ergänzend oder alternativ ein elektrisches Signal bei Eintreten eines bestimmten Prozesszustands Zj erzeugt werden, das über ein Schaltreiais 8 zum Aktivieren einer Stelleinrichtung 9 innerhalb des Produktionsprozesses 10 gegeben wird. Damit kann automatisch und mit recht geringem apparativem Aufwand eine hocheffektive Überwachung und Diagnose von laufenden Produktionsprozessen durchgeführt werden. Ein Sensorverschleiß oder ein anderes Fehlverhalten innerhalb des Prozesses 10 kann frühzeitig erkannt werden und durch die erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung ausgewertet und erfasst werden. Die Speicherung von Prozesszuständen Z, und Schwellenwerten sowie Zeitintervallen für Sensorwerte kann statt in der Speichereinheit 3 auch direkt im Messumformer 7 der Sensoren 1 , 11 erfolgen. Auch kann statt einer separaten Auswertungseinheit 2 die Auswertungseinheit als ein Programmmodu! innerhalb bestehender Steuerungseinrichtungen oder Prozesscomputer eingebaut werden. Vorteilhafterweise ist auch eine Schnittstelle vorgesehen, über welche ein Benutzer oder Bediener beispielsweise menügesteuert Schwellenwerte für Sensormesswerte, Zeitintervalle oder zustandsspezifische weitere Daten eingeben kann. Auch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht darauf beschränkt, lediglich zwei Sensorwerte zu erfassen und für die Prozessdiagnose simultan auszuwerten. Weitere Sensor- oder Prozessgrößen können alternativ, ergänzend oder zusätzlich verwendet werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein sehr einfaches Werkzeug zur Prozessdiagnose bereitgestellt. Außer den aktuellen Prozessbedingungen, wie Temperatur des Prozessgutes, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit etc., kann mit der Erfindung nun auch eine Aussage dahingehend gemacht werden, wie der sich permanent ändernde Prozessablauf insgesamt zu bewerten ist. Eine Prozessveränderung beispielsweise aufgrund eines Sensorverschleißes oder anderer Fehlfunktionen kann daher zeitnah und fortlaufend mit einfachen Mittein überwacht und frühzeitig erkannt werden.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Prozessdiagnose anhand der in Fig. 1 dargestellten Messverläufe der beiden Messgrößen X-i, X2 gegeben: In einem Messumformer 7 oder einer anderen Mensch/Maschinen-Schnittsteile werden in einem Menü sequentielle Zustände eines zu analysierenden aktuellen Produktionsprozesses durch die Eingabe von Schwellenwerten, Zeitintervailen, Werteverläufen etc. eingegeben. Die Definition erfolgt je nach Bedarf und kann auch vom Bediener geändert werden. Da eine Zustandsdefinition jeweils prozessabhängig ist, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Änderung durch eine Benutzer/Vorrichtungs-Schnittstelle vorgesehen. Die eingegebenen Zustandsdaten wie Schwellenwerte, Grenzwerte und Zeitintervalle werden entweder in der Speichereinheit 3 oder im Messumformer 7 bzw. im Sensor 1 , 11 selbst gespeichert. Bei einer Speicherung der relevanten Zustandsdaten im Sensor 1 , 11 können die Anzeigegrößen auch über Sensorkennzahlen wahlweise in ein Rohdatenformat umgerechnet werden.
Wenn es beispielsweise für einen bestimmten Prozess bekannt ist, dass verschiedene Messgrößen wie Temperatur und pH-Wert des Prozessguts sich untereinander beeinflussen, kann eine solche gegenseitige Beeinflussung von Messgrößen oder Prozessgrößen auch durch eine berechnete Kompensation berücksichtigt werden. Neben den mit Sensoren 1 , 11 erfassten Prozessgrößen wie Temperatur und pH-Wert kann im erfindungsgemäßen Verfahren auch eine bestimmte Anzahl von Veränderungen pro definierter Zeiteinheit über Schwellenwerte analysiert werden. Dafür werden ein unterer Schwellenwert Su und ein oberer Schwellenwert S0 für jede untersuchte Sensorgröße oder Prozessgröße eingegeben. Zusammen mit einem vorab definierten Zeitintervall für das Einhalten dieser Schwellenwerte kann eine qualitative Aussage über den korrekten oder inkorrekten Ablauf des untersuchten Produktionsprozesses 10 erfolgen. Dafür kann zusätzlich beispielsweise eine Anzahl von unabhängigen Zuständen Zj definiert werden. Ein Beispiel wird weiter unten gegeben werden. Daneben kann noch eine bestimmte Anzahl von zustandsspezifischen Zeitintervallen definiert werden. Erst bei Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls wird beispielsweise ein vorab definierter Prozesszustand Zi auch als solcher registriert. Neben dem einfachen Ablauf eines vorab bestimmten Zeitintervalls können auch zeitliche Intervallgrenzen mit timsn und tιmax definiert werden. All dies kann über eine menügesteuerte Eingabevorrichtung beispielsweise in Form eines Touchscreen-Monitors erfolgen. Durch zeitliche Intervallgrenzen können Differenzierungen zwischen dem Standardprozessablauf und den zu erfassenden fehlerhaften Prozesszuständen auf relativ einfache Weise durchgeführt werden. Zum Beispiel wird bei Unterschreiten einer unteren intervailgrenze timιn kein Alarm oder Warnsignal ausgegeben. Wird der aktuelle Zustand des untersuchten Produktionsprozesses 10 in der Zeit zwischen tιmm und t, verlassen oder dauert der aktuelle Zustand länger als eine festgelegte Zeit t!max, so werden ein Warnsignal, ein elektrisches Signal für ein Schaltrelais und/oder eine Alarmmeldung von der Auswertungseinheit 2 und angeschlossenen Wamgeräten generiert. Bei Unterschreiten von timm gibt es zum Beispiel nur einen Alarm, falls dieser Zustand Z, mit einem weiteren Zustand Zk verknüpft ist. Wird der Zustand zwischen imm und tιmax verlassen, gibt es keine Aiarmmeldung. Dauert er länger als tιmax gibt es einen Alarm.
So können je nach Bedarf und je nach zu analysierendem Produktionsprozess vom Bediener verschiedene Zustände Z1 definiert werden. Ein Beispiel von Zustandsdefinitionen wird nachfolgend gegeben (dabei bedeutet beispielsweise der Schwellwert Si,2,mιn minimaler Schwellwert der Messgröße Xi im Zustand
Z2):
Zustand Zi ist definiert wie folgt: über ein Zeitintervall Z1 müssen ein unterer Schwellenwert Xi,i,m(n; ein unterer Schwellenwert Xi,2,mm und ein Bereich (ΔXi,i/Δt)mm eingehalten werden.
Ein weiterer Zustand Z2 ist definiert als: ein Zeitintervall Z2; ein unterer Schweüenwert X2,i,mfn und ein unterer Schwellenwert X2,2,mιn-
Und ein letzter Zustand Z3 in diesem Ausführungsbeispiel wird gebildet über: ein Zeitinterval! z3; einen Bereich {ΔX3,i/Δt)maχ.
Diese drei Zustände Zi, Z2 und Z3 in der beschriebenen Form sind an dem Beispiel der Fig. 1 mit entsprechendem Werteverlauf zweier Messgrößen Xi und X2 dargestellt. Bei Eintritt eines der Zustände wird beispielsweise ein Alarmsignal erzeugt, das über eine Alarmeinrichtung 6 der Vorrichtung nach der Erfindung ausgegeben wird.
Zusätzlich können die drei verschiedenen Zustände noch seriell miteinander verknüpft werden. Beispielsweise kann ein Zustand Z, als ein FoSgezustand von einem notwendigerweise vorhergehenden anderen Zustand Z,.i definiert werden. Wenn diese Abfolge der beiden Zustände Z1 und Z,.i nicht eintritt, wird durch die Vorrichtung ein Alarm oder ein visuelles Warnsignal erzeugt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und umfasst jede weitere technisch mögliche Realisierungsart, welche in die Reichweite der nachfolgenden Ansprüche fällt. Insbesondere kann die Diagnosemethodik nach der Erfindung sowohl als eine Hardwarelösung als auch als eine Softwarelösung realisiert werden. In letzterem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise in Form von Programmmodulen in bestehende Steuer- und Regelungsrechner von Produktionsanlagen integriert werden. Auch ist der Ort einer Speicherung von voreingestellten Schwellenwerten, Intervallen und Zuständen eines jeweiligen Produktionsprozesses nicht auf eine separate Speichereinheit 3 wie im obigen Beispiel beschränkt. Eine Speicherung und Eingabe von voreingestellten Schwellenwerten, Zeitintervallen, Prozesszuständen etc. kann auch anhand bestehender Speicherkapazitäten wie im Messumformer 7 von Sensoren oder an anderer Stelle erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Detektion von Prozesszuständen in alternierenden Produktionsprozessen, insbesondere Prozessen der chemischen oder pharmazeutischen Industrie oder der Lebensmitteitechnologie, mit mindestens einem Sensor (1 ) zur Erfassung von Sensorwerten, welche repräsentativ sind für Prozesszustände, und mit einer Auswertungseinheit (2), welche angepasst ist, Sensorwerte und weitere Prozessgrößen zur Diagnose von Prozesszuständen und/oder Sensorzuständen zu verarbeiten, wobei anhand des Diagnoseergebnisses der Auswertungseinheit (2) ein Signal zur Anzeige von Prozesszuständen oder Sensorzuständen erzeugt wird, gekennzeichnet durch simultanes Auswerten und Beurteilen von gleichzeitig mehreren Sensor- und/oder Prozessgrößen in der Auswertungseinheit (2) unter Verwendung von voreingestellten Schwellenwerten für vom Sensor erfassbare Sensorwerte und/oder Prozessgrößen des Produktionsprozesses zur Ermittlung eines aktuellen Prozesszustandes.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch fortlaufendes Speichern von Diagnoseergebnissen der Auswertungseinheit (2) in einer Speichereinheit (3).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jede in der Auswertungseinheit (2) ausgewertete Sensor- und Prozessgröße jeweils ein unterer und ein oberer Schwellenwert (Su; S0) definiert werden, innerhalb deren Grenzen der aktuelle Prozesszustand als in Ordnung beurteilt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswertungseinheit (2) zustandsspezifische Zeitintervalle für Sensor- oder Prozessgrößen definiert und verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die in der Auswertungseinheit (2) ausgewertete und beurteilte Sensor- oder Prozessgröße eine zeitliche Intervallgrenze (timim timax) definiert wird, innerhalb welcher die Sensor- oder Prozessgröße innerhalb festgelegter Schwellenwerte (Su; S0) liegen muss, um den Prozesszustand als in Ordnung zu beurteilen.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustandszähler (4) vorgesehen ist, weicher die Anzahl von Veränderungen einer Prozess- oder Sensorgröße pro definierter Zeiteinheit erfasst.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von unabhängigen Zuständen (Zi) des Produktionsprozesses vorab definiert wird, welche gekennzeichnet sind durch zeitliche und/oder wertebezogene Grenzen und Intervalle hinsichtlich der untersuchten Sensor- oder Prozessgrößen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch serielles Verknüpfen der definierten und voneinander unabhängigen Zustände (Z1).
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwenden von Sensorkennzahlen zur Prozesszustandsanalyse, welche aus den gemessenen Rohdaten des Sensors (1 ) abgeleitet oder ausgerechnet werden.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1 ) ein Temperaturfühler zur Erfassung der Prozesstemperatur ist, wobei mindestens die Temperatur als eine Sensorgröße in der Auswertungseinheit (2) zur Prozessdiagnose verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor- oder Prozessgröße ein pH-Wert, ein Temperaturwert, eine eiektrische Leitfähigkeit von Prozessmedium, ein Gehalt an Gelöstsauerstoff, eine Trübung oder ein CO2-Wert verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Erzeugen eines akustischen Signals, eines optischen Signals und/oder eines Steuersignals als Ausgangsgröße der Auswertungseinheit (2).
13. Vorrichtung zur Detektion von Prozesszuständen in alternierenden Produktionsprozessen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei mindestens ein Sensor (1 ) zur Erfassung von Sensorwerten vorhanden ist, welche repräsentativ sind für Prozesszustände, mit einer Auswertungseinheit (2) zur Auswertung von insbesondere erfassten Sensorwerten und mit einer Speichereinheit (3), in weicher Sensorwerte, Prozessgrößen und Zustandsdiagnoseergebnisse speicherbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (2) angepasst ist, simultan mehrere Sensorwerte und weitere Prozessgrößen zur Diagnose von aktuellen Prozesszuständen und/oder Sensorzuständen im Produktionsprozess zu verarbeiten, und dass in der Speichereinheit (3) oder in der Auswertungseinheit (2) vorangestellte untere und obere Schwellenwerte (Su; S0) für mindestens zwei Sensor- oder Prozessgrößen gespeichert sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswertungseinheit (2) ein akustisches und/oder optisches Signal erzeugbar ist und dass eine Anzeigeeinrichtung (5) und/oder eine Alarmeinrichtung (6) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Zustandszähler (4) aufweist, mittels welchem vordefinierte Zustände hinsichtlich des Produktionsprozesses anhand von Schwellenwerten oder I ntervai [grenzen für Prozess- oder Sensorgrößen erfassbar sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass untere und obere Schwellenwerte (Su; S0) für Sensorwerte im Messumformer (7) des Sensors (1 ) oder in dem Sensor (1 ) selbst gespeichert sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswertungseinheit (2) als Ergebnis der Prozessdiagnose ein akustisches Signal, ein optisches Signal und/oder ein Steuersignal für insbesondere eine Relaisschaitung einer Einrichtung der Produktionsanlage erzeugbar ist.
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