WO2014026759A1 - Electric machine having a monitoring device - Google Patents

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WO2014026759A1
WO2014026759A1 PCT/EP2013/002416 EP2013002416W WO2014026759A1 WO 2014026759 A1 WO2014026759 A1 WO 2014026759A1 EP 2013002416 W EP2013002416 W EP 2013002416W WO 2014026759 A1 WO2014026759 A1 WO 2014026759A1
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WO
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failure
probability
electric machine
electrical machine
data
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PCT/EP2013/002416
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Simone TURIN
Ralf Gitzel
Christian M. Stich
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Abb Ag
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    • G05B13/028—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion using expert systems only
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    • G05B23/0259—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterized by the response to fault detection
    • G05B23/0283—Predictive maintenance, e.g. involving the monitoring of a system and, based on the monitoring results, taking decisions on the maintenance schedule of the monitored system; Estimating remaining useful life [RUL]
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    • G05B23/0259—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterized by the response to fault detection
    • G05B23/0286—Modifications to the monitored process, e.g. stopping operation or adapting control

Definitions

  • the invention relates generally to electrical machines, in particular built-in electrical machines monitoring devices. Furthermore, the invention relates to the field of monitoring of electrical machines for their probability of failure.
  • Electrical machines such as field devices, are technical devices that are used in automation technology in production processes. These include actuators, such as actuators and valves, as well as sensors, such as transmitters in factory and process automation.
  • the electric machine should be as fail-safe as possible, since in the worst case, the entire production process comes to a standstill in the event of a failure, which can lead to high economic damage.
  • a safety monitoring module which monitors the behavior of several electrical machines in a system executing a production process and compares them with an expected behavior. If the safety monitoring module detects a deviation between the monitored behavior and the expected behavior, the safety monitoring module transfers the entire system to a safe state so that greater damage is avoided. In this way, a faster resumption of the production process can be achieved.
  • an electrical machine comprises a monitoring device, which is set up to monitor an operating state and / or an ambient state of the electrical machine and to derive a failure probability of the electrical machine based on the monitored operating state and / or ambient state.
  • the electric machine may be any electrical device such as a motor, a generator or a controller.
  • the specified electrical machine is based on the consideration that it is indeed possible with the safety monitoring module mentioned above to find faults in a system carrying out a production process and to protect the system correspondingly from negative effects due to this fault, however, the known safety device responds.
  • Monitoring module exclusively on existing errors which always results in a deviation from a planned production process and thus inevitably leads to economic damage.
  • an idea of the specified electrical machine is to determine its own probability of failure and thus the probability that errors occur, for example, to give the technical staff information about its expected life and its expected reliability. This can be done for example by a comparison with collected statistical data via the electric machine.
  • the failure probability of a technical system also referred to as the failure rate, shall be understood below to mean a statistical quantity whose value indicates the probability of failure or the probability of a malfunction of the technical system.
  • the probability of failure is the probability that an electric machine will fail within a given period of time.
  • the error rate ie the percentage of electrical machines from a fleet that fail within a defined period of time as well as the average service life of the technical system.
  • the probability of failure can also be the number of failures of a technical system over a defined time unit, so that it is apparent from the inverse of the probability of failure, the average life of the technical system.
  • the probability of failure can be determined in any way.
  • known models of the electric machine can be used, which make it possible to derive the reliability and / or the health of the electric machine based on the past and current operating conditions of the electric machine.
  • An electronic circuit of the electrical machine implemented on a printed circuit board could be monitored, for example, for its temperature, from which conclusions about the probability of failure can then be drawn about the known model.
  • the monitoring device can be set up to output the probability of failure to a user.
  • the user may be the technical person who oversees the production process in which the electric machine is integrated.
  • the technical staff in the case of critical probability of failure of the specified electric machine still in the current production process on the timing and type of further safeguards for the relevant electric machine decide without directly the entire production process would have to be stopped.
  • the monitoring device can be set up to initiate a measure for securing a functional state of the electrical machine based on the derived probability of failure.
  • measures could be, for example, in a reduction of the power of the specified electric machine to the maintenance of the field device, whereby the entire production process is limited in its performance, because the production process, for example, only with a reduced throughput is feasible, but it is not completely interrupted ,
  • the indicated electrical machine comprises a memory in which data for use and / or maintenance history, environmental conditions and / or test results for the field device are stored.
  • the monitoring device is preferably set up to derive the probability of failure of the electrical machine based on at least part of the data in the memory. Due to the data stored in the memory, predictive methods can be used to determine the probability of failure, whereby the probability of default can be determined more reliably.
  • the specified electrical machine comprises a sensor for detecting the operating state and / or a sensor for detecting the ambient state. Due to the operating states in the specified field device as well as the environmental conditions around the specified field device, the accuracy of the probability of failure can be further increased, since These states directly derive the load of the individual components of the field device.
  • the specified electrical machine comprises a data interface that is set up to receive information from another electrical machine.
  • the monitoring device of the specified field device is set up to derive the failure probability of the electrical machine based on the received information.
  • Statistical information such as mean values and deviations for the data flowing into the probability of failure or the probability of failure itself can be determined from the received information, which further increases the information content of the probability of default.
  • the data interface of the specified electrical machine is set up to send information about the monitored operating state and / or the monitored ambient state.
  • the specified electrical machine comprises an input interface for setting and / or programming the monitoring device.
  • the functionality monitoring device can be adapted or updated to adapt the monitoring of the specified electric machine to local and / or temporal changes.
  • FIG. 1 shows an exemplary schematic view of a fieldbus system
  • FIG. 2 shows an exemplary schematic view of the field device in the fieldbus system of FIG. 1.
  • the same elements of identical or comparable function are provided with the same reference numerals.
  • a plurality of electrical machines in the form of field devices 8 are controlled by a control room 4 via a fieldbus 6.
  • the field devices 8 can be actuators in the form of actuators or valves as well as sensors in the form of measuring elements within a production process.
  • High demands are placed on the field devices 8 in terms of robustness and availability. For example, they must operate faultlessly in ambient temperatures between -20 ° C and +85 ° C. If one of the field devices 8 fails in the production process, a production downtime caused thereby can cause a high level of economic damage.
  • a control device 10 shown in FIG. 2 is installed in each field device 8, which determine the probability of failure of their corresponding field device 8 and thus the reliability and required maintenance of the respective field device 8 and, for example via a Display means 12 can spend.
  • This information can be used, for example, by the personnel monitoring the field devices 8 in order to reduce the probability of failure of the corresponding field device 8 in good time by means of suitable maintenance measures. It is also possible to initiate appropriate maintenance measures automatically.
  • the control device 10 comprises as its core a reliability and maintenance controller 14, hereinafter referred to as R & M controller 14 (reliability and maintenance controller).
  • the R & M controller 14 is connected to a reliability and maintenance database 16, hereinafter called R & M database 16 (reliability and maintenance database).
  • R & M database 16 reliability and maintenance database
  • HMI connection 24 HMI: human machine called interface
  • Information about the reliability and the maintenance of the field device 8 in which the control device 10 is stored is stored in the R & M database 16.
  • This information can be, for example, data that is associated with the first use of the field device 8, which are connected to a possible failure of the field device 8, and / or by means of which the wear of the field device 8 can be seen.
  • Data associated with the initial use of the field device may include, for example, its production date, delivery date, or date of commissioning.
  • Data associated with a possible failure of the field device can include, for example, the reporting date of a failure or the return date of the field device 8 to the manufacturer.
  • Data from which the wear of the field device can be determined may include, for example, the history of the use of the field device 8, environmental conditions, past maintenance activities or test results. For example, data that includes the environmental conditions may include maximum, average, or minimum temperature or humidity, or may include periods of time during which the field device has been exposed to certain temperature or humidity thresholds.
  • the R & M controller 14 is the analytic part of the controller 10. It implements analytical and predictive techniques such as data mining, statistical methods, learning algorithms, and so forth. Further, in the R & M controller 14, techniques are implemented which, based on currently available reliability and probability of failure, can determine the maintenance actions that are best suited to increase reliability and reduce the probability of failure. If possible or necessary, the R & M Controller 14 can initiate these maintenance measures automatically or change the operation of the field device appropriately in order to minimize the failure probability of the field device.
  • the fieldbus 6 is connected to the sensor connection 18, the service connection 20 and the communication connection 22. Optionally, the fieldbus 6 can also be connected to the HMI connection 24.
  • internal sensors 26 arranged in the field device 8 are connected to the sensor connection 18. These can detect internal operating states in the field device 8, such as, for example, temperatures and moisture, whose measurement results allow conclusions to be drawn about the failure probability of the field device 8. Additionally or alternatively, information about the use of the field device 8 can also be detected by the internal sensors 26, from which information about the probability of failure of the field device 8 can also be drawn. Measured data of an external sensor 28 can also be received via the fieldbus 6 at the sensor connection 18, providing information about ambient conditions such as ambient temperatures around the field device 8, which can likewise be taken into account when determining the failure probability of the field device 8. The data received via the sensor connection 18 can be stored in the R & M database 16, for example for storing the usage history of the field device, or used by the R & M controller 14 to determine the failure probability of the field device 8.
  • the service connection 20 allows the service personnel on the field device to carry out instant maintenance measures.
  • 16 data can be stored or downloaded from the service connection 20 in the R & M database in order, for example, to read out result log files.
  • the individual components of the control unit 10, such as the R & M controller 14, the sensor connection 18 or the HMI connection 24 can be configured or reprogrammed via the service connection 20.
  • the service terminal 20 is explicitly intended for the service technician who can use the service terminal 20 to download information from the field device 8, such as environment data from the R & M database 16. At the same time, the service technician can provide statistical data of similar products and / or upload new statistical methods or mathematical algorithms to the field device 8 via the service port 20.
  • a visualization of the data may be required, for example via a display with operating option.
  • IT ports may be required to exchange the data between the field device 8 and a technician.
  • Information about the probability of failure and / or the reliability of the field device 8 can be exchanged with other field devices 8 connected to the fieldbus 6 via the communication connection 22.
  • this data may include any or all of the data stored in the aforementioned R & M database 16.
  • the individual field devices 8 can exchange data with each other directly bypassing the fieldbus 6.
  • the communication port 22 can be designed wireless or wired. The aim of the data communication is to have the data of a fleet of field devices of the same or similar production available.
  • information can be output to the user on the display 12.
  • This information can be the probability of failure, suggestions for maintenance or even problematic internal operating conditions in the field device 8 or external operating states around the field device 8, which the user could possibly change to increase the probability of failure.
  • the user can make inputs via the HMI connection 24, for example to specify warning thresholds for the probability of default, from which the user wants to be informed of an impending failure of the field device 8, for example by issuing a warning signal.
  • the HMI port 24 is thus intended to exchange information with an operator, such as a customer or an end user.
  • Examples of data exchanged over the HMI port 24 are, for example, MTBF data (Mean Time Between Failures - data showing a mean time between failures), health status data, residual life data, or pending required service data.

Abstract

An electric machine (8) is provided that comprises a monitoring device (14) that is set up to monitor an operating state and/or an ambient state of the electric machine (8) and to derive a probability of failure for the electric machine (8) on the basis of the monitored operating state and/or ambient state.

Description

Elektrische Maschine mit einer Überwachungseinrichtung  Electric machine with a monitoring device
Beschreibung  description
Die Erfindung betrifft allgemein elektrische Maschinen, insbesondere in elektrische Maschinen eingebaute Überwachungseinrichtungen. Weiterhin betrifft die Erfindung das Gebiet des Überwachens von elektrischen Maschinen auf ihre Ausfallwahrscheinlichkeit. The invention relates generally to electrical machines, in particular built-in electrical machines monitoring devices. Furthermore, the invention relates to the field of monitoring of electrical machines for their probability of failure.
Elektrische Maschinen, wie beispielsweise Feldgeräte, sind technische Einrichtung, die in der Automatisierungstechnik in Produktionsprozessen zum Einsatz kommen. Darunter fallen Aktoren, wie Stellglieder und Ventile als auch Sensoren, wie Messumformer in der Fabrik- und Prozessautomation. Electrical machines, such as field devices, are technical devices that are used in automation technology in production processes. These include actuators, such as actuators and valves, as well as sensors, such as transmitters in factory and process automation.
Als Teil eines Produktionsprozesses sollte die elektrische Maschine möglichst ausfallsicher sein, da im Falle eines Ausfalls schlimmstenfalls der gesamte Produktionsprozess zum Stillstand kommt, was zu hohen wirtschaftlichen Schäden führen kann. As part of a production process, the electric machine should be as fail-safe as possible, since in the worst case, the entire production process comes to a standstill in the event of a failure, which can lead to high economic damage.
Aus der DE 10 2008 029 948 A1 ist ein Safety- Überwachungsmodul bekannt, das das Verhalten mehrerer elektrischer Maschinen in einem einen Produktionsprozess ausführenden System überwacht und mit einem erwarteten Verhalten vergleicht. Stellt das Safety- Überwachungsmodul eine Abweichung zwischen dem überwachten Verhalten und dem erwarteten Verhalten fest, überführt das Safety- Überwachungsmodul das gesamte System in einen sicheren Zustand, so dass größere Beschädigungen vermieden werden. Auf diese Weise kann eine schnellere Wiederaufnahme des Produktionsprozesses erreicht werden. From DE 10 2008 029 948 A1 a safety monitoring module is known, which monitors the behavior of several electrical machines in a system executing a production process and compares them with an expected behavior. If the safety monitoring module detects a deviation between the monitored behavior and the expected behavior, the safety monitoring module transfers the entire system to a safe state so that greater damage is avoided. In this way, a faster resumption of the production process can be achieved.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektrische Maschine anzugeben. It is an object of the invention to provide an improved electrical machine.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. The object is solved by the features of independent claim 1.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. CONFIRMATION COPY Preferred embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine elektrische Maschine eine Überwachungseinrichtung, die eingerichtet ist, einen Betriebszustand und/oder einen Umgebungszustand der elektrischen Maschine zu überwachen und eine Ausfallwahrscheinlichkeit der elektrischen Maschine basierend auf dem überwachten Betriebszustand und/oder Umgebungszustand abzuleiten. According to one aspect of the invention, an electrical machine comprises a monitoring device, which is set up to monitor an operating state and / or an ambient state of the electrical machine and to derive a failure probability of the electrical machine based on the monitored operating state and / or ambient state.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist vorgesehen, dass auch Produkteigenschaften eines im Produktionsprozess erzeugten Produktes überwacht werden, um daraus Schlüsse über die nächste erforderliche Wartungstätigkeiten zu ziehen. In one embodiment of the object according to the invention, it is provided that product properties of a product produced in the production process are also monitored in order to draw conclusions about the next required maintenance activities.
Die elektrische Maschine kann ein beliebiges elektrisches Gerät, wie ein Motor, ein Generator oder ein Controller sein. The electric machine may be any electrical device such as a motor, a generator or a controller.
Der angegebenen elektrischen Maschine liegt die Überlegung zugrunde, dass es mit dem eingangs genannten Safety- Überwachungsmodul zwar möglich ist, Fehler in einem einen Produktionsprozess ausführenden System zu finden und das System entsprechend vor negativen Auswirkungen aufgrund dieses Fehlers zu schützen, jedoch reagiert das bekannte Safety- Überwachungsmodul ausschließlich auf bereits vorhandene Fehler was stets eine Abweichung von einem planmäßigen Produktionsablauf zur Folge hat und damit zwangsläufig zu wirtschaftlichen Schäden führt. The specified electrical machine is based on the consideration that it is indeed possible with the safety monitoring module mentioned above to find faults in a system carrying out a production process and to protect the system correspondingly from negative effects due to this fault, however, the known safety device responds. Monitoring module exclusively on existing errors which always results in a deviation from a planned production process and thus inevitably leads to economic damage.
Demgegenüber besteht eine Idee der angegebenen elektrischen Maschine darin, seine eigene Ausfallwahrscheinlichkeit und damit die Wahrscheinlichkeit zu ermitteln, dass Fehler auftreten, um beispielsweise dem technischen Personal eine Information über seine noch zu erwartende Lebensdauer und über seine zu erwartende Zuverlässigkeit zu geben. Dies kann beispielsweise durch einen Abgleich mit gesammelten statistischen Daten über die elektrische Maschine erfolgen. Unter der auch Ausfallrate genannten Ausfallwahrscheinlichkeit eines technischen Systems soll nachstehend eine statistische Größe verstanden werden, deren Wert die Wahrscheinlichkeit des Versagens oder die Wahrscheinlichkeit einer Störung des technischen Systems angibt. Die Ausfallwahrscheinlichkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine elektrische Maschine innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ausfällt. Verwandte, daraus errechenbare Größen sind die Fehlerrate, das heißt der Prozentsatz der elektrischen Maschinen aus einer Flotte, die in einem fest definierten Zeitraum ausfallen sowie die mittlere Lebensdauer des technischen Systems. Die Ausfallwahrscheinlichkeit kann auch die Anzahl an Ausfällen eines technischen Systems über eine definierte Zeiteinheit sein, so dass sich aus dem Kehrwert der Ausfallwahrscheinlichkeit die mittlere Lebensdauer des technischen Systems entnehmen lässt. In contrast, an idea of the specified electrical machine is to determine its own probability of failure and thus the probability that errors occur, for example, to give the technical staff information about its expected life and its expected reliability. This can be done for example by a comparison with collected statistical data via the electric machine. The failure probability of a technical system, also referred to as the failure rate, shall be understood below to mean a statistical quantity whose value indicates the probability of failure or the probability of a malfunction of the technical system. The probability of failure is the probability that an electric machine will fail within a given period of time. Related variables that can be calculated from this are the error rate, ie the percentage of electrical machines from a fleet that fail within a defined period of time as well as the average service life of the technical system. The probability of failure can also be the number of failures of a technical system over a defined time unit, so that it is apparent from the inverse of the probability of failure, the average life of the technical system.
Aus der Ausfallwahrscheinlichkeit lässt sich noch im laufenden Produktionsprozess oder bei Wartungsmaßnahmen die Notwendigkeit ableiten, Maßnahmen zur Sicherung des fehlerfreien Zustande der elektrischen Maschine und damit des reibungslosen Produktionsprozesses zu ergreifen, was die Wahrscheinlichkeit für einen außerplanmäßigen Halt des Produktionsprozesses senkt und somit die Gefahr wirtschaftlicher Schäden reduziert. From the probability of failure can be derived in the current production process or maintenance measures, the need to take measures to secure the faultless state of the electrical machine and thus the smooth production process, which reduces the likelihood of an unplanned stop the production process and thus reduces the risk of economic damage ,
Die Ausfallwahrscheinlichkeit lässt sich auf beliebige Weise bestimmen. So können beispielsweise bekannte Modelle der elektrischen Maschine herangezogen werden, die es ermöglichen, die Zuverlässigkeit und/oder den Gesundheitszustand der elektrischen Maschine basierend auf dem vergangenen und derzeitigen Einsatzbedingungen der elektrischen Maschine abzuleiten. Eine auf einer Leiterplatte implementierte elektronische Schaltung der elektrischen Maschine könnte beispielsweise auf ihre Temperatur hin überwacht werden, woraus sich dann über das bekannte Modell Rückschlüsse auf die Ausfallwahrscheinlichkeit ziehen lassen. The probability of failure can be determined in any way. Thus, for example, known models of the electric machine can be used, which make it possible to derive the reliability and / or the health of the electric machine based on the past and current operating conditions of the electric machine. An electronic circuit of the electrical machine implemented on a printed circuit board could be monitored, for example, for its temperature, from which conclusions about the probability of failure can then be drawn about the known model.
Bevorzugt kann die Überwachungsvorrichtung eingerichtet sein, die Ausfallwahrscheinlichkeit an einen Benutzer auszugeben. Der Benutzer kann beispielsweise das technische Personal sein, das den Produktionsprozess, in den die elektrische Maschine integriert ist, überwacht. Durch die Angabe der Ausfallwahrscheinlichkeit des Feldgerätes während des Produktionsprozesses kann das technische Personal im Falle einer kritischen Ausfallwahrscheinlichkeit der angegebenen elektrischen Maschine noch im laufenden Produktionsprozess über den Zeitpunkt und die Art weiterer Sicherungsmaßnahmen für die betreffende elektrische Maschine entscheiden, ohne dass unmittelbar der gesamte Produktionsprozess gestoppt werden müsste. Preferably, the monitoring device can be set up to output the probability of failure to a user. For example, the user may be the technical person who oversees the production process in which the electric machine is integrated. By specifying the Failure probability of the field device during the production process, the technical staff in the case of critical probability of failure of the specified electric machine still in the current production process on the timing and type of further safeguards for the relevant electric machine decide without directly the entire production process would have to be stopped.
Alternativ oder zusätzlich kann die Überwachungsvorrichtung eingerichtet sein, basierend auf der abgeleiteten Ausfallwahrscheinlichkeit eine Maßnahme zur Sicherung eines Funktionszustandes der elektrischen Maschine einzuleiten. Derartige Maßnahmen könnten beispielsweise in einer Reduktion der Leistung der angegebenen elektrischen Maschine bis zur Wartung des Feldgerätes liegen, wodurch zwar der gesamte Produktionsprozess in seiner Leistung eingeschränkt wird, weil der Produktionsprozess beispielsweise nur noch mit einem verminderten Durchsatz durchführbar ist, er wird jedoch nicht vollständig unterbrochen. Alternatively or additionally, the monitoring device can be set up to initiate a measure for securing a functional state of the electrical machine based on the derived probability of failure. Such measures could be, for example, in a reduction of the power of the specified electric machine to the maintenance of the field device, whereby the entire production process is limited in its performance, because the production process, for example, only with a reduced throughput is feasible, but it is not completely interrupted ,
In einer Weiterbildung umfasst die angegebene elektrische Maschine einen Speicher, in dem Daten zur Nutzungs- und/oder Wartungshistorie, zu den Umgebungsbedingungen und/oder Testergebnissen zu dem Feldgerät gespeichert sind. In a development, the indicated electrical machine comprises a memory in which data for use and / or maintenance history, environmental conditions and / or test results for the field device are stored.
Die Überwachungseinrichtung ist dabei vorzugsweise eingerichtet, die Ausfallwahrscheinlichkeit der elektrischen Maschine basierend auf wenigstens einem Teil der Daten im Speicher abzuleiten. Durch die im Speicher hinterlegten Daten können zur Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit prädiktive Verfahren verwendet werden, wodurch sich die Ausfallwahrscheinlichkeit zuverlässiger bestimmen lässt. The monitoring device is preferably set up to derive the probability of failure of the electrical machine based on at least part of the data in the memory. Due to the data stored in the memory, predictive methods can be used to determine the probability of failure, whereby the probability of default can be determined more reliably.
In einer anderen Weiterbildung umfasst die angegebene elektrische Maschine einen Sensor zum Erfassen des Betriebszustandes und/oder einen Sensor zum Erfassen des Umgebungszustandes. Durch die Betriebszustände in dem angegebenen Feldgerät als auch die Umgebungszustände um das angegebene Feldgerät kann die Genauigkeit der Ausfallwahrscheinlichkeit weiter gesteigert werden, da sich aus diesen Zuständen direkt die Belastung der einzelnen Komponenten des Feldgerätes ableiten lässt. In another refinement, the specified electrical machine comprises a sensor for detecting the operating state and / or a sensor for detecting the ambient state. Due to the operating states in the specified field device as well as the environmental conditions around the specified field device, the accuracy of the probability of failure can be further increased, since These states directly derive the load of the individual components of the field device.
In einer besonderen Weiterbildung umfasst die angegebene elektrische Maschine eine Datenschnittstelle, die eingerichtet ist Informationen von einer weiteren elektrischen Maschine zu empfangen. In a particular development, the specified electrical machine comprises a data interface that is set up to receive information from another electrical machine.
In einer bevorzugten Weitebildung ist die Überwachungseinrichtung des angegebenen Feldgeräts eingerichtet, die Ausfallwahrscheinlichkeit der elektrischen Maschine basierend auf den empfangenen Informationen abzuleiten. Aus den empfangenen Informationen lassen sich statistische Informationen wie beispielsweise Mittelwerte und Abweichungen für die in die Ausfallwahrscheinlichkeit einfließenden Daten oder der Ausfallwahrscheinlichkeit selbst bestimmen, was den Informationsgehalt der Ausfallwahrscheinlichkeit weiter steigert. In a preferred development, the monitoring device of the specified field device is set up to derive the failure probability of the electrical machine based on the received information. Statistical information such as mean values and deviations for the data flowing into the probability of failure or the probability of failure itself can be determined from the received information, which further increases the information content of the probability of default.
In einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung ist die Datenschnittstelle der angegebenen elektrischen Maschine eingerichtet, Informationen über den überwachten Betriebszustand und/oder den überwachten Umgebungszustand zu senden. In an alternative or additional development, the data interface of the specified electrical machine is set up to send information about the monitored operating state and / or the monitored ambient state.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung umfasst die angegebene elektrische Maschine eine Eingabeschnittstelle zum Einstellen und/oder Programmieren der Überwachungseinrichtung. Auf diese Weise kann die Funktionalität Überwachungseinrichtung angepasst oder aktualisiert werden, um die Überwachung der angegebenen elektrischen Maschine an örtliche und/oder zeitliche Veränderungen anzupassen. In a particularly preferred development, the specified electrical machine comprises an input interface for setting and / or programming the monitoring device. In this way, the functionality monitoring device can be adapted or updated to adapt the monitoring of the specified electric machine to local and / or temporal changes.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine beispielhafte schematische Ansicht eines Feldbussystems; und 1 shows an exemplary schematic view of a fieldbus system; and
Fig. 2 eine beispielhafte schematische Ansicht Feldgeräts in dem Feldbussystem aus Fig. 1. In den Figuren werden gleiche Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen. 2 shows an exemplary schematic view of the field device in the fieldbus system of FIG. 1. In the figures, the same elements of identical or comparable function are provided with the same reference numerals.
In dem in Fig. 1 gezeigten Feldbussystem 2 werden von einer Leitwarte 4 über einen Feldbus 6 mehrere elektrische Maschinen in Form von Feldgeräten 8 gesteuert. In the fieldbus system 2 shown in FIG. 1, a plurality of electrical machines in the form of field devices 8 are controlled by a control room 4 via a fieldbus 6.
Die Feldgeräte 8 können sowohl Aktoren in Form von Stellgliedern oder Ventilen als auch Sensoren in Form von Messgliedern innerhalb eines Produktionsprozesses sein. An die Feldgeräte 8 werden hinsichtlich Robustheit und Verfügbarkeit hohe Anforderungen gestellt. So müssen sie in Umgebungstemperaturen zwischen -20 °C und +85 °C fehlerfrei arbeiten. Fällt eines der Feldgeräte 8 im Produktionsprozess aus kann ein dadurch verursachter Fertigungsstillstand einen hohen wirtschaftlichen Schaden verursachen. The field devices 8 can be actuators in the form of actuators or valves as well as sensors in the form of measuring elements within a production process. High demands are placed on the field devices 8 in terms of robustness and availability. For example, they must operate faultlessly in ambient temperatures between -20 ° C and +85 ° C. If one of the field devices 8 fails in the production process, a production downtime caused thereby can cause a high level of economic damage.
Um die Gefahr eines Ausfalls der Feldgeräte 8 zu reduzieren, wird in jedem Feldgerät 8 eine in Fig. 2 gezeigte Steuervorrichtung 10 eingebaut, die die Ausfallwahrscheinlichkeit ihres entsprechenden Feldgerätes 8 und damit die Zuverlässigkeit und den benötigten Wartungsaufwand des jeweiligen Feldgerätes 8 bestimmen und beispielsweise über ein Anzeigemittel 12 ausgeben kann. Diese Informationen können beispielsweise von dem die Feldgeräte 8 überwachenden Personal genutzt werden, um die Ausfallwahrscheinlichkeit des entsprechenden Feldgerätes 8 rechtzeitig durch geeignete Wartungsmaßnahmen zu reduzieren. Auch ist es möglich, entsprechende Wartungsmaßnahmen automatisch einzuleiten. In order to reduce the risk of failure of the field devices 8, a control device 10 shown in FIG. 2 is installed in each field device 8, which determine the probability of failure of their corresponding field device 8 and thus the reliability and required maintenance of the respective field device 8 and, for example via a Display means 12 can spend. This information can be used, for example, by the personnel monitoring the field devices 8 in order to reduce the probability of failure of the corresponding field device 8 in good time by means of suitable maintenance measures. It is also possible to initiate appropriate maintenance measures automatically.
Die Steuervorrichtung 10 umfasst als Herzstück einen Zuverlässigkeits- und Wartungscontroller 14, nachstehend R&M Controller 14 (reliability and maintenance Controller) genannt. Der R&M Controller 14 ist mit einer Zuverlässigkeits- und Wartungsdatenbank 16, nachstehend R&M Datenbank 16 (reliability and maintenance database) genannt, verbunden. Über einen Sensoranschluss 18, einen Serviceanschluss 20, einen Kommunikationsanschluss 22 und einen Ein- und Ausgabeanschluss 24, nachstehend HMI-Anschluss 24 (HMI: human machine interface) genannt, können an den R&M Controller 14 und die R&M Datenbank 16 Daten gesendet und von diesen empfangen werden. The control device 10 comprises as its core a reliability and maintenance controller 14, hereinafter referred to as R & M controller 14 (reliability and maintenance controller). The R & M controller 14 is connected to a reliability and maintenance database 16, hereinafter called R & M database 16 (reliability and maintenance database). Via a sensor connection 18, a service connection 20, a communication connection 22 and an input and output connection 24, hereafter HMI connection 24 (HMI: human machine called interface, data can be sent to and received by the R & M controller 14 and the R & M database 16.
In der R&M Datenbank 16 sind Informationen über die Zuverlässigkeit und die Wartung des Feldgerätes 8, in dem sich die Steuervorrichtung 10 befindet, gespeichert. Diese Informationen können beispielsweise Daten sein, die mit der Erstanwendung des Feldgerätes 8 verbunden sind, die mit einem eventuellen Ausfall des Feldgerätes 8 verbunden sind, und/oder anhand derer sich die Abnutzung des Feldgerätes 8 erkennen lässt. Daten, die mit der Erstanwendung des Feldgerätes verbunden sind, können beispielsweise sein Produktionsdatum, sein Lieferdatum oder sein Datum der Inbetriebnahme umfassen. Daten, die mit einem eventuellen Ausfall des Feldgerätes verbunden sind, können beispielsweise das Meldedatum eines Ausfalls oder das Rücksendedatum des Feldgerätes 8 zum Hersteller umfassen. Daten, aus denen sich die Abnutzung des Feldgerätes ermitteln läßt, können beispielsweise die Historien über die Verwendung des Feldgerätes 8, Umgebungsbedingungen, vergangene Wartungsaktivitäten oder Testergebnisse umfassen. Daten, die die Umgebungsbedingungen enthalten, können beispielsweise eine maximale, durchschnittliche oder minimale Temperatur oder Feuchtigkeit umfassen, oder aber auch Zeitdauern, in denen das Feldgerät bestimmten Temperatur- oder Feuchtigkeitsschranken ausgesetzt war. Information about the reliability and the maintenance of the field device 8 in which the control device 10 is stored is stored in the R & M database 16. This information can be, for example, data that is associated with the first use of the field device 8, which are connected to a possible failure of the field device 8, and / or by means of which the wear of the field device 8 can be seen. Data associated with the initial use of the field device may include, for example, its production date, delivery date, or date of commissioning. Data associated with a possible failure of the field device can include, for example, the reporting date of a failure or the return date of the field device 8 to the manufacturer. Data from which the wear of the field device can be determined may include, for example, the history of the use of the field device 8, environmental conditions, past maintenance activities or test results. For example, data that includes the environmental conditions may include maximum, average, or minimum temperature or humidity, or may include periods of time during which the field device has been exposed to certain temperature or humidity thresholds.
Der R&M Controller 14 ist der analytische Teil der Steuervorrichtung 10. In diesem sind analytische und prädiktive Techniken, wie Data Mining, statistische Verfahren, Lernalgorithmen, und so weiter implementiert. Ferner sind im R&M Controller 14 Techniken implementiert, die basierend auf einer aktuell vorliegenden Zuverlässigkeit und Ausfallwahrscheinlichkeit die Wartungsmaßnahmen bestimmen kann, die am besten geeignet sind, die Zuverlässigkeit zu erhöhen und die Ausfallwahrscheinlichkeit zu senken. Falls möglich oder notwendig, kann der R&M Controller 14 diese Wartungsmaßnahmen automatisch einleiten oder den Betrieb des Feldgerätes geeignet verändern, um die Ausfallwahrscheinlichkeit des Feldgerätes niedrig zu halten. An den Sensoranschluss 18, den Serviceanschluss 20 und den Kommunikationsanschluss 22 ist der Feldbus 6 angeschlossen. Optional kann der Feldbus 6 auch an den HMI Anschluss 24 angeschlossen sein. The R & M controller 14 is the analytic part of the controller 10. It implements analytical and predictive techniques such as data mining, statistical methods, learning algorithms, and so forth. Further, in the R & M controller 14, techniques are implemented which, based on currently available reliability and probability of failure, can determine the maintenance actions that are best suited to increase reliability and reduce the probability of failure. If possible or necessary, the R & M Controller 14 can initiate these maintenance measures automatically or change the operation of the field device appropriately in order to minimize the failure probability of the field device. The fieldbus 6 is connected to the sensor connection 18, the service connection 20 and the communication connection 22. Optionally, the fieldbus 6 can also be connected to the HMI connection 24.
An den Sensoranschluss 18 sind neben dem Feldbus 6 auch im Feldgerät 8 angeordnete interne Sensoren 26 angeschlossen. Diese können interne Betriebszustände im Feldgerät 8 wie beispielsweise Temperaturen und Feuchtigkeit erfassen, dessen Messergebnisse Rückschlüsse auf die Ausfallwahrscheinlichkeit des Feldgerätes 8 zulassen. Zusätzlich oder alternativ können durch die internen Sensoren 26 auch Informationen über den Gebrauch des Feldgerätes 8 erfasst werden aus denen sich ebenfalls Rückschlüsse über die Ausfallwahrscheinlichkeit des Feldgerätes 8 ziehen lassen. Über den Feldbus 6 können am Sensoranschluss 18 auch Messdaten eines externen Sensors 28 empfangen werden, die über Umgebungsbedingungen, wie Umgebungstemperaturen um das Feldgerät 8 Aufschluss geben, was sich ebenfalls bei der Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit des Feldgerätes 8 berücksichtigen lässt. Die über den Sensoranschluss 18 empfangenen Daten können in der R&M Datenbank 16 beispielsweise zur Speicherung der Nutzungshistorie des Feldgerätes hinterlegt oder vom R&M Controller 14 zur Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit des Feldgerätes 8 herangezogen werden. In addition to the field bus 6, internal sensors 26 arranged in the field device 8 are connected to the sensor connection 18. These can detect internal operating states in the field device 8, such as, for example, temperatures and moisture, whose measurement results allow conclusions to be drawn about the failure probability of the field device 8. Additionally or alternatively, information about the use of the field device 8 can also be detected by the internal sensors 26, from which information about the probability of failure of the field device 8 can also be drawn. Measured data of an external sensor 28 can also be received via the fieldbus 6 at the sensor connection 18, providing information about ambient conditions such as ambient temperatures around the field device 8, which can likewise be taken into account when determining the failure probability of the field device 8. The data received via the sensor connection 18 can be stored in the R & M database 16, for example for storing the usage history of the field device, or used by the R & M controller 14 to determine the failure probability of the field device 8.
Der Serviceanschluss 20 erlaubt es dem Servicepersonal am Feldgerät Instanthaltungsmaßnahmen durchzuführen. So können über den Serviceanschluss 20 in der R&M Datenbank 16 Daten hinterlegt oder von dieser heruntergeladen werden, um beispielsweise Ergebnisprotokolldateien auszulesen. Zudem lassen sich über den Serviceanschluss 20 die einzelnen Komponenten des Steuergerätes 10, wie der R&M Controller 14, der Sensoranschluss 18 oder der HMI Anschluss 24 konfigurieren oder umprogrammieren. The service connection 20 allows the service personnel on the field device to carry out instant maintenance measures. Thus 16 data can be stored or downloaded from the service connection 20 in the R & M database in order, for example, to read out result log files. In addition, the individual components of the control unit 10, such as the R & M controller 14, the sensor connection 18 or the HMI connection 24 can be configured or reprogrammed via the service connection 20.
Der Serviceanschluss 20 ist explizit für den Service-Techniker gedacht, der den Serviceanschluss 20 nutzen kann, um Informationen aus dem Feldgerät 8, wie beispielsweise Umgebungsdaten aus der R&M Datenbank 16 herunterzuladen. Gleichzeitig kann der Service-Techniker statistische Daten von ähnlichen Produkten und/oder neue statistische Methoden oder mathematische Algorithmen über den Serviceanschluss 20 in das Feldgerät 8 hochladen. The service terminal 20 is explicitly intended for the service technician who can use the service terminal 20 to download information from the field device 8, such as environment data from the R & M database 16. At the same time, the service technician can provide statistical data of similar products and / or upload new statistical methods or mathematical algorithms to the field device 8 via the service port 20.
Zweck und Gestaltung der zwei Anschlüssen sind sehr unterschiedlich. Für den HMI- Anschluss 24 kann eine Visualisierung der Daten erforderlich sein, zum Beispiel über ein Display mit Bedienungsmöglichkeit. Für den Serviceanschluss 20 können ein oder mehrere sogenannte IT Ports erforderlich sein, um die Daten zwischen dem Feldgerät 8 und einem Techniker auszutauschen. Purpose and design of the two terminals are very different. For the HMI connection 24, a visualization of the data may be required, for example via a display with operating option. For the service port 20, one or more so-called IT ports may be required to exchange the data between the field device 8 and a technician.
Über den Kommunikationsanschluss 22 können Informationen über die Ausfallwahrscheinlichkeit und/oder die Zuverlässigkeit des Feldgerätes 8 mit anderen am Feldbus 6 angeschlossenen Feldgeräten 8 ausgetauscht werden. Diese Daten können beispielsweise einzelne oder alle Daten umfassen, die in der oben genannten R&M Datenbank 16 gespeichert sind. Die einzelnen Feldgeräte 8 können alternativ auch direkt unter Umgehung des Feldbusses 6 miteinander Daten austauschen. Dazu kann der Kommunikationsanschluss 22 drahtlos oder drahtgebunden ausgestaltet sein. Ziel der Datenkommunikation ist es, die Daten einer Flotte an Feldgeräten gleicher oder ähnlicher Produktion zur Verfügung zu haben. Information about the probability of failure and / or the reliability of the field device 8 can be exchanged with other field devices 8 connected to the fieldbus 6 via the communication connection 22. For example, this data may include any or all of the data stored in the aforementioned R & M database 16. Alternatively, the individual field devices 8 can exchange data with each other directly bypassing the fieldbus 6. For this purpose, the communication port 22 can be designed wireless or wired. The aim of the data communication is to have the data of a fleet of field devices of the same or similar production available.
Über den HMI-Anschluss 24 können dem Benutzer Informationen auf der Anzeige 12 ausgegeben werden. Diese Informationen können die Ausfallwahrscheinlichkeit, Vorschläge zur Wartung oder auch problematische innere Betriebszustände im Feldgerät 8 oder äußere Betriebszustände um das Feldgerät 8 sein, die der Benutzer zur Erhöhung der Ausfallwahrscheinlichkeit gegebenenfalls ändern könnte. Zudem kann der Benutzer über den HMI-Anschluss 24 Eingaben tätigen, um beispielsweise Warnschwellen für die Ausfallwahrscheinlichkeit vorzugeben, ab denen der Benutzer über einen drohenden Ausfall des Feldgerätes 8 beispielsweise durch Ausgabe eines Warnsignals informiert werden will. Via the HMI connection 24, information can be output to the user on the display 12. This information can be the probability of failure, suggestions for maintenance or even problematic internal operating conditions in the field device 8 or external operating states around the field device 8, which the user could possibly change to increase the probability of failure. In addition, the user can make inputs via the HMI connection 24, for example to specify warning thresholds for the probability of default, from which the user wants to be informed of an impending failure of the field device 8, for example by issuing a warning signal.
Der HMI-Anschluss 24 ist somit gedacht, Informationen mit einem Bediener, wie einem customer oder einem end user auszutauschen. Beispiele von Daten die über den HMI-Anschluss 24 ausgetauscht werden, sind beispielsweise MTBF-Daten (Mean Time Between Failures also Daten, aus denen eine mittlere Zeitdauer zwischen auftretenden Fehlern ersichtlich ist), ein Gesundheitszustandsdaten, residual life Daten oder Daten zu einem anstehenden erforderlichen Service. The HMI port 24 is thus intended to exchange information with an operator, such as a customer or an end user. Examples of data exchanged over the HMI port 24 are, for example, MTBF data (Mean Time Between Failures - data showing a mean time between failures), health status data, residual life data, or pending required service data.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrische Maschine (8) umfassend eine Überwachungseinrichtung (14), die eingerichtet ist, einen Betriebszustand und/oder einen Umgebungszustand der elektrischen Maschine (8) zu überwachen und eine Ausfallwahrscheinlichkeit der elektrischen Maschine (8) basierend auf dem überwachten Betriebszustand und/oder Umgebungszustand abzuleiten. An electrical machine (8) comprising a monitoring device (14) which is set up to monitor an operating state and / or an ambient state of the electric machine (8) and a failure probability of the electric machine (8) based on the monitored operating state and / or Derive environmental condition.
2. Elektrische Maschine (8) nach Anspruch 1 , wobei die Überwachungsvorrichtung (14) eingerichtet ist, die Ausfallwahrscheinlichkeit an einen Benutzer auszugeben. The electrical machine (8) of claim 1, wherein the monitoring device (14) is arranged to output the probability of failure to a user.
3. Elektrische Maschine (8) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Überwachungsvorrichtung (14) eingerichtet ist, basierend auf der abgeleiteten Ausfallwahrscheinlichkeit eine Maßnahme zur Sicherung eines Funktionszustandes des Feldgerätes (8) einzuleiten. 3. Electrical machine (8) according to claim 1 or 2, wherein the monitoring device (14) is arranged to initiate a measure for securing a functional state of the field device (8) based on the derived probability of failure.
4. Elektrische Maschine (8) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen Speicher (16), in dem Daten zur Nutzungs- und/oder Wartungshistorie, zu den Umgebungsbedingungen und/oder Testergebnissen zu dem Feldgerät (8) gespeichert sind. 4. Electrical machine (8) according to one of the preceding claims, comprising a memory (16) in which data for use and / or maintenance history, the environmental conditions and / or test results are stored to the field device (8).
5. Elektrische Maschine (8) nach Anspruch 4, wobei die Überwachungseinrichtung (14) eingerichtet ist, die Ausfallwahrscheinlichkeit der elektrischen Maschine (8) basierend auf wenigstens einem Teil der Daten im Speicher (16) abzuleiten. 5. Electrical machine (8) according to claim 4, wherein the monitoring device (14) is adapted to derive the probability of failure of the electric machine (8) based on at least part of the data in the memory (16).
6. Elektrische Maschine (8) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen Sensor (26) zum Erfassen des Betriebszustandes und/oder einen Sensor (28) zum Erfassen des Umgebungszustandes. 6. Electrical machine (8) according to one of the preceding claims, comprising a sensor (26) for detecting the operating state and / or a sensor (28) for detecting the environmental condition.
7. Elektrische Maschinen (8) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Datenschnittstelle (22), die eingerichtet ist Informationen von einer weiteren elektrischen Maschine zu empfangen. 7. Electrical machine according to claim 1, comprising a data interface configured to receive information from another electric machine.
8. Elektrische Maschinen (8) nach Anspruch 7, wobei die Überwachungseinrichtung (16) eingerichtet ist, die Ausfallwahrscheinlichkeit der elektrischen Maschine (8) basierend auf den empfangenen Informationen abzuleiten. 8. Electrical machines (8) according to claim 7, wherein the monitoring device (16) is arranged to derive the probability of failure of the electric machine (8) based on the received information.
9. Elektrische Maschine (8) nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 oder 8, wobei die Datenschnittstelle (22) eingerichtet ist, Informationen über den überwachten Betriebszustand und/oder den überwachten Umgebungszustand zu senden. Electric machine (8) according to one of the preceding claims 7 or 8, wherein the data interface (22) is arranged to send information about the monitored operating state and / or the monitored ambient state.
10. Elektrische Maschine (8) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Eingabeschnittstelle (20) zum Einstellen und/oder Programmieren der Überwachungseinrichtung (14). 10. Electrical machine (8) according to one of the preceding claims, comprising an input interface (20) for setting and / or programming of the monitoring device (14).
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