WO2020244849A1

WO2020244849A1 - Verfahren zur überwachung von anlagen

Info

Publication number: WO2020244849A1
Application number: PCT/EP2020/061836
Authority: WO
Inventors: Rudolf Münch
Original assignee: Voith Patent Gmbh
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2020-12-10
Also published as: DE102019114930B3

Abstract

Verfahren zur Überwachung einer Anlage (1) mit einem Sensor (2) zur Erzeugung von Schwingungssignalen, wobei aus den Schwingungssignalen mit Hilfe einer Fourier-Transformation ein Frequenzspektrum berechnet wird, und aus diesem Frequenzspektrum ein modifizierte Frequenzspektrum berechnet wird, welches für Frequenzen einer definierten Grenzfrequenz eine niedrigere Frequenzauflösung aufweist, als das Frequenzspektrum der Fourier-Transformation.

Description

Verfahren zur Überwachung von Anlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Anlagen anhand von auftretenden Schwingungen. Technische Anlagen umfassen in der Regel Maschinen mit rotierenden Bauteilen, wie beispielsweise Wellen, Läufer, Wälzkörper oder Zahnräder. Defekte dieser Bauteile führen zu charakteristischen Frequenzanregungen. Ein Beispiel ist ein Wälzkörper in einem Wälzlager, der wiederholt über eine schadhafte Lagerstelle rollt. Ein anderes Beispiel ist die Unwucht in einem Generator.

Die charakteristischen Frequenzanregungen lassen sich häufig von Basis- Frequenzen ableiten, wie der Drehzahl einer Welle oder der elektrischen Netzfrequenz. Wenn die Konstruktion der Anlage bzw. der Maschine bekannt ist, dann lässt sich eine Liste mit Frequenzen erstellen, die zu bestimmten potentiellen Defekten gehören.

Zur Überwachung von Schwingungen kommen eine Vielzahl von Sensoren in Betracht wie beispielsweise Wegaufnehmer, Geschwindigkeitsaufnehmer, Beschleunigungsaufnehmer, Druckaufnehmer oder Schallaufnehmer.

Die WO 2009/021900 A1 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Überwachung einer Windkraftanlage. Dabei wird ein Beschleunigungsaufnehmer zur Überwachung der Schwingungen an der Laufradnabe befestigt. Zur Überwachung der charakteristischen Frequenzen der einzelnen Laufradblätter wird das vom Sensor erfasste Signal einer Fourier-Transformation (FFT) unterworfen.

Ausgehend von der Konstruktion einer Anlage bzw. Maschine (z.B. der Anzahl und Größe der Wälzkörper, der Anzahl der Flügel eines Pumpenrades, der Anzahl der Zähne der Zahnräder ... ) und den jeweiligen Drehzahlen der Komponenten, kann man auf mögliche Schadensfrequenzen schließen. Falls das Überwachungssystem ungewöhnliche Schwingungsamplituden bei bestimmten Frequenzen feststellt, dann lassen sich diese Frequenzen mit einer Liste von möglichen Schadensfrequenzen vergleichen, um so mögliche Verursacher zu identifizieren bzw. einen potentiellen Schaden möglichst frühzeitig zu diagnostizieren.

Allerdings werden in solchen Fällen häufig auch sogenannte Oberwellen angeregt, d.h. Vielfache der eigentlichen Schadensfrequenz. Die Ursache hierfür ist darin zu suchen, dass Strukturen der überwachten Anlage zu den Frequenzen der Oberwellen passen, was zu Resonanzeffekten führt. Daher können Oberwellen das Messsignal dominieren.

Aus diesem Grund erfassen Überwachungssysteme oft auch relativ hohe Frequenzen im Vergleich zu den Basisfrequenzen der überwachten Anlage. Beispielsweise haben Wasserkraftwerke häufig eine geringe Drehzahl von weniger als 10 Hz. Durch die Konstruktion und die Art der Bauteile und unter Berücksichtigung von möglichen Oberwellen sind jedoch Frequenzen bis zu mehreren tausend Herz wichtig, wenn aus gemessenen Frequenzen Diagnosen abgeleitet werden sollen.

Das Computersystem, das diese Daten verarbeitet, muss die Schwingungssignale mit wesentlich höherer Rate abtasten. Beispielsweise braucht man aus theoretischen Gründen mindestens 2000 Hz Abtastrate, um eine Schwingung mit 1000Hz zu erfassen. Praktisch ist eine noch höhere Abtastrate erforderlich um störende Abtasteffekte zu vermeiden (Anti-Aliasing).

Daher arbeiten viele Überwachungssysteme für große technische Anlagen mit Abtastraten größer 10 kHz. Das entspricht einem Datenanfall von mehr als 10000 Messwerten pro Sekunde. Zur Ermittlung der Amplituden von Frequenzen wird auf dieser Datenbasis eine Fourier Transformation (FT) durchgeführt, welche die Zeitsignale in ein Frequenzspektrum überführt. Üblicherweise wird dafür eine sogenannte FFT (Fast-Fourier-Transformation) verwendet.

Die niedrigsten interessierenden Frequenzen definieren die Länge des Zeitfensters, das die Basis für eine FT darstellt. Wenn die niedrigste Frequenz f =10Hz beträgt, und man diese Frequenz nachweisen möchte, dann ist anzuraten das Zeitfester mindestens ein Vielfaches von 1/f zu wählen. Z.B. eine Sekunde. Bei einer Sekunde Messdauer T erzielt die FT eine Frequenzgenauigkeit von 1/T also 1 Hz. Das entspricht immerhin nur 10% Genauigkeit für die Diagnose der Frequenz bei 10Hz. Vergrößerung von T würde die Genauigkeit steigern, aber gleichzeitig die Datenmenge erhöhen. Beispielsweise: Wenn das Messfenster auf 10s erhöht wird, dann steigt die Genauigkeit der Frequenzerfassung um einen Faktor 10, aber es müssen auch 10 mal mehr Daten verarbeitet werden um eine FT durchzuführen und auszuwerten: in unserem Beispiel 10*10000 Werte pro Sekunde.

Aus dem Gesagten wird klar, dass die durch die beschriebenen Mess- und Aufbereitungsschritte anfallende Datenmenge den Aufwand für die anschließenden Diagnoseschritte bestimmt, was sich in einer hohen Anforderung an die Leistung der verwendeten Rechnersysteme niederschlägt. Da in modernen Überwachungssystemen die Diagnoseschritte oft nicht vor Ort durchgeführt werden, sondern in der Cloud stattfinden, ergeben sich noch zusätzlich hohe Anforderungen an die Bandbreite der Datenübermittlungseinrichtungen, welche zunehmend drahtlos arbeiten.

Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Überwachung von Anlagen anzugeben, bei dem die auszuwertenden Frequenzspektren ein deutlich geringeres Datenvolumen aufweisen, als bei den bekannten Verfahren, ohne die Diagnosequalität des Verfahrens zu beeinträchtigen. Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung von Anlagen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den davon abhängigen Unteransprüchen.

Der Erfinder hat sich von der Beobachtung leiten lassen, dass die Frequenzanregungen durch rotierende Bauelemente nur eine begrenzte Frequenzstabilität besitzen. Beispielsweise hängt bei einem Synchronmotor die Geschwindigkeit von der Netzfrequenz ab, welche eine Schwankungsbreite von 0.2% aufweist. Da die FT innerhalb des Zeitfensters mittelt, führen Drehzahlschwankungen innerhalb dieses Zeitfensters dazu, dass insbesondere hohe Frequenzen nicht mehr präzise beobachtet werden können. Das liegt daran, dass die relative Schwankungsbreite der Anregungsfrequenz zu einer ebensolchen relativen Schwankungsbreite der angeregten Frequenzen führt. Im Beispiel des Synchronmotors schwankt eine angeregte Frequenz von 500 Flz um ±1 Hz (500 Hz * 0.2%), während eine angeregte Frequenz von 2000 Hz um ±4 Hz schwankt. Bei einer FT ist die absolute Frequenzauflösung df = 1/T jedoch konstant über den gesamten Frequenzbereich. Bei einem Messfenster von beispielsweise 1s ist die absolute Frequenzauflösung df der FT also 1 Hz. D.h. diese Frequenzauflösung von 1 Hz passt ganz gut zu der Schwankungsbreite der angeregten Frequenz von 500 Hz, während diese Frequenzauflösung für eine angeregte Frequenz von 2000 Hz höher als erforderlich ist, da diese angeregte Frequenz um ±4 Hz schwankt. Bei der angeregten Frequenz von 2000 Hz würde eine Frequenzauflösung von 4 Hz durchaus ausreichen. D.h. die FT produziert in diesem Frequenzbereich 4 Mal so viele Frequenzlinien, wie erforderlich für die weitere Diagnose wären. Der Erfinder schlägt daher vor, dass nach der FT das daraus resultierende Frequenzspektrum dahingehend modifiziert wird, dass für höhere Frequenzen die Anzahl der Datenpunkte im Frequenzspektrum reduziert wird. Dadurch ergibt sich für alle nachfolgenden Diagnoseschritte ein deutlich verringerter Rechenaufwand. Außerdem verringert sich die benötigte Bandbreite bei einer etwaigen nachfolgenden Datenübertragung. Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:

Figur 1 Diagramme zur Fourier-Transformation und der

erfindungsgemäßen Abwandlung derselben;

Figur 2 Diagramme mit einen konventionellen Frequenzspektrum

nach Fourier-Transformation und das daraus berechnete erfindungsgemäße modifizierte Spektrum;

Figur 3 Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 4 Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen

Verfahrens und Datenträger.

Bei der FT wird der diskrete zeitliche Verlauf einer Messgröße in den Frequenzraum überführt. Dabei ist die Länge des betrachteten Zeitfensters durch To gegeben. Der konstante zeitliche Abstand der einzelnen Messpunkte wird durch die Abtastrate R bestimmt, wobei die Anzahl der im Zeitfenster To aufgenommenen Messpunkte durch N=To^*R gegeben ist. Nach der Überführung in den Frequenzraum ergibt sich ein Frequenzspektrum, welches aus N Zahlenpaaren (f,, a,) (i=1 ... N) besteht, wobei a, die Amplitude bei der Frequenz f, angibt. Die Frequenzen f, sind äquidistant, wobei fi+i=fi+dfo und dfo = 1/To ist. Figur 1 zeigt im obersten Diagramm diesen Sachverhalt. Die vom Erfinder vorgeschlagene Modifikation besteht darin, dass aus dem gerade beschriebenen Frequenzspektrum der FT ein modifiziertes Frequenzspektrum berechnet wird, welches bei Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz f_g weniger Datenpunkte umfasst, als das Frequenzspektrum der FT. Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden modifizierten Frequenzpunkten fi^mod und f_j+i ^mod sei dabei durch df_j ^mod gegeben. Nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist dann: df_j ^mod = dfo, wenn f_j ^mod < f_g ist, und für f_j ^mod > f_g ist df_j ^mod eine monoton wachsende Funktion, d.h. es ist df_j+i ^mod > df_j ^mod, wobei alle df_j ^mod größer oder gleich dfo sind. Es ist klar, dass sich dabei die Frequenzlinien f_j ^mod des modifizierten Spektrums über das Frequenzband der FT erstrecken, wobei es unerheblich ist, wenn ganz am oberen Ende, d.h. nahe bei der maximalen Frequenz f_max der FT ein kleines Frequenzband der FT im modifizierten Spektrum nicht abgedeckt wird, d.h wenn f mod < jct

I max f I max l l.

Das mittlere Diagramm der Figur 1 zeigt diesen Sachverhalt durch die durchgezogene Linie. Die gestrichelte Linie zeigt den konstanten Verlauf von df bei der herkömmlichen FT. Wie genau der monotone Anstieg von df oberhalb der Grenzfrequenz verläuft, ist zur Erzielung einer Datenreduktion zunächst nicht von Belang. Es ist jedoch klar, dass eine zu starke Reduktion zu einem Qualitätsverlust führen kann. Hierauf werden wir weiter unten noch eingehen. Im mittleren Diagramm von Figur 1 verläuft der Anstieg linear, wobei auch andere monoton ansteigende Kurven geeignet sind. Zur Erzielung einer Datenreduktion muss f_g augenscheinlich kleiner als die maximale Frequenz fmax=(N-1 )^*dfo sein. Es ist klar, dass für die modifizierten Frequenzlinien fj^mod gilt: fj^mod < fmax, wobei es wie erwähnt Vorkommen kann, dass fmax^mod < fmax ist.

Zur Visualisierung der dadurch erzielten Reduktion der Datenmenge bietet sich die Darstellung der Größe 1 /df als Funktion der Frequenz f an, da dann die Fläche unter der 1/df-Kurve ein Maß für die Anzahl der Datenpunkte ist. Im unteren Diagramm der Figur 1 ist dieser Sachverhalt dargestellt, wobei die durchgezogene Linie den Verlauf von 1 /df gemäß der vom Erfinder vorgeschlagenen Modifikation darstellt, und die gestrichelte Linie den konstanten Verlauf der herkömmlichen FT darstellt. Die Fläche unter der durchgezogen Linie ist deutlich geringer als die Fläche unter der gestrichelten Linie. Die durch die vom Erfinder vorgeschlagene Modifikation führt also zu einer Reduktion der Datenmenge, welche der Fläche zwischen den beiden Linien entspricht. Im dargestellten Beispiel beträgt die Reduktion ungefähr 1/3, d.h. N^mod ist ungefähr 2/3 von N. Der Index j der modifizierten Frequenzwerte läuft dann natürlich von 1 bis N^mod.

Aus dem Gesagten ist klar, dass für Frequenzen bis zur Grenzfrequenz f_g die modifizierten Frequenzwerte mit den Frequenzwerten der FT übereinstimmen: f_j ^mod = fi (für j=i). Dasselbe gilt in diesem Frequenzbereich für die zugehörigen Amplituden: aj^mod = a, (für j=i). Oberhalb der Grenzfrequenz f_g liegen die modifizierten Frequenzwerte in der Regel nicht genau auf einem Frequenzpunkt der FT.

Es gibt nun mehrere Möglichkeiten, wie die Amplituden bei den modifizierten Frequenzpunkten oberhalb von f_g aus den Amplituden der FT berechnet werden können. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung von Interpolation. Dabei können alle bekannten Interpolationsarten verwendet werden. Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch die Definition von Intervallen l_j ^mod, die den gesamten Frequenzbereich oberhalb von f_g abdecken, wobei in jedem Intervall l_j ^mod genau ein modifizierter Frequenzwert f_j ^mod liegt:

Dazu müssen die Intervallgrenzen natürlich zwischen den zugehörigen aufeinanderfolgenden modifizierten Frequenzwerten liegen, und so gewählt werden, dass sich keine Lücken zwischen aufeinander folgenden Intervallen ergeben, was sich in obiger Formel daraus ergibt, dass die Obergrenze des j-ten Intervalls gleich der Untergrenze des j+1 -ten Intervalls ist. Auch mit diesen Einschränkungen ergeben sich aber noch unendliche viele Möglichkeiten, solche Intervalle zu definieren. Es ist jedoch von Vorteil, wenn die Frequenzlinien des modifizierten Spektrums in etwa mittig in diesen Intervallen angeordnet sind. Dies kann man erreichen, wenn die Intervallgrenzen aus dem Mittelwert von zwei aufeinander folgenden modifizierten Frequenzwerten gebildet werden. Dabei kommen sowohl arithmetische als auch geometrische Mittelwerte in Frage: g_j+i ^mod = (f_j ^mod + f_j+i ^mod)/2 bzw. g_j+i ^mod = Wurzel(f_j ^mod * f_j+i ^mod)

So kann nun beispielsweise die zu f_j ^mod gehörige Amplitude a_j ^mod aus allen Amplituden a, der FT gebildet werden, deren zugehörige Frequenzwerte f, in das Intervall l_j ^mod fallen. Falls mehrere f, in ein Intervall l_j ^mod fallen, dann kann a_j ^mod aus dem Mittelwert der zugehörigen a, gebildet werden. Es ist auch möglich, dass a_j ^mod einfach aus der Summe dieser a, gebildet wird. Dann verändert sich zwar der Kurvenverlauf des Frequenzspektrums, aber da für Diagnosezwecke meist nur zeitliche Änderungen der Spektren relevant sind, ergibt sich dadurch kein Nachteil, während eine Summenbildung weniger Rechenkapazität erfordert als eine Mittelwertbildung. Aus demselben Grund können auch viele andere Metriken verwendet werden, um a_j ^mod aus den ins Intervall fallenden a, zu berechnen.

Falls ein f, genau auf eine Intervallgrenze fallen sollte, dann kann einfach die Regel aufgestellt werden, dass diese Frequenz immer dem vorangehenden oder immer dem nachfolgenden Intervall zugerechnet wird.

Alternativ können auch für das Frequenzspektrum der FT solche Intervalle gebildet werden: = [fi-dfo/2, fi+dfo/2]

Die modifizierten Amplituden a_j ^mod werden dann aus den Amplituden a, der FT berechnet, deren zugehörigen Intervalle I, mit dem jeweiligen Intervall l_j ^mod überlappt. Wenn ein Intervall I, vollständig in ein Intervall l_j ^mod fällt, dann wird die zugehörige Amplitude a, zu 100% zur Berechnung der Amplitude a_j ^mod verwendet. Im andern Fall, d.h. wenn ein Intervall I, zum Teil in das Intervall l_j ^mod und zum Teil in das Intervall l_j+i ^mod fällt, dann wird die zugehörige Amplitude a, entsprechend gewichtet sowohl zur Berechnung der Amplitude a_j ^mod als auch zur Berechnung der Amplitude a_j+i ^mod verwendet, d.h. a, wird auf die zugehörigen Intervalle verteilt. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Summe der Gewichte 100% ergibt. D.h. im Allgemeinen ist der Gewichtungsfaktor für eine Amplitude a, durch den prozentualen Überlapp des Intervalls I, mit dem Intervall l_j ^mod gegeben.

Anstelle der Amplituden a, und a_j ^mod können analog zum oben Gesagten auch die Quadrate der Amplituden verwendet werden. Man spricht dann vom sogenannten Powerspektrum. Bei der Verwendung von Powerspektren ist die oben genannte einfache Summenbildung zur Berechnung der a_j ^mod besonders vorteilhaft, da in einem Powerspektrum die Summe der Frequenzlinien der Varianz des Zeitsignals entspricht. Durch die Verwendung der Summenbildung gilt das dann weiterhin für die modifizierten Spektren, so dass auch die Frequenzlinien des modifizierten Spektrums physikalisch als Beitrag der jeweiligen Frequenz zur Gesamtvarianz interpretierbar bleiben. Es ist auch möglich, dass zunächst das modifizierte Spektrum als Powerspektrum berechnet und anschließend durch Wurzelziehen das modifizierte Spektrum mit Amplituden erstellt wird.

Figur 2 zeigt im oberen Diagramm ein Frequenzspektrum, welches mit einer herkömmlichen FT aus dem gemessenen Zeitsignal berechnet wurde. Das untere Diagramm zeigt das daraus berechnete modifizierte Frequenzspektrum. Dabei wurde eine Grenzfrequenz von 100 Flz verwendet. Die Anzahl der Datenpunkte im oberen Diagramm beträgt ca. 130000, wohingegen das modifizierte Spektrum im unteren Diagramm nur 1000 Datenpunkte umfasst, d.h. nur ca. 0.8 %, was eine ganz erhebliche Einsparung darstellt. Das Spektrum der FT ist ein Powerspektrum, und das modifizierte Spektrum wurde daraus mit Hilfe der Summationsmetrik erstellt. Man kann erkennen, dass das modifizierte Spektrum mit zunehmender Frequenz in Bezug auf die Form vom Frequenzspektrum nach FT abweicht: Die y-Werte des modifizierten Spektrums liegen oberhalb der Grenzfrequenz zunehmend oberhalb der y-Werte des Spektrums nach FT.

Es ist noch zu erwähnen, dass das erfindungsgemäße Verfahren genauso gut zur Steigerung der Frequenzauflösung bei niedrigen Frequenzen verwendet werden kann, ohne dass dadurch die Datenmenge erhöht wird. Das kann dadurch erreicht werden, dass die Einsparung von Datenpunkten bei den Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz zur Steigerung der Frequenzauflösung bei den Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz verwendet wird, indem die Länge des betrachteten Zeitfensters To entsprechend erhöht wird. Es können auch beide Vorteile kombiniert werden, indem nicht die volle Einsparung von Datenpunkten bei höheren Frequenzen zur Steigerung der Frequenzauflösung bei niedrigeren Frequenzen verwendet wird.

Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Da die einzelnen Verfahrensschritte jeweils bestimmte Parameter verwenden, wird im Folgenden zunächst auf diese Parameter eingegangen. Dazu gehören das Zeitfensters To, die Abtastrate R, die Grenzfrequenz f_g und der Verlauf des wenigstens abschnittsweisen monotonen Anstiegs von df^mod oberhalb der Grenzfrequenz f_g. Diese Parameter bzw. Größen werden dabei jeweils vor dem jeweiligen Verfahrensschritt festgelegt, in welchem dieselben verwendet werden. Das kann beispielsweise in einem oder mehreren Initialisierungsschritten erfolgen. Die beiden letztgenannten Größen werden für die Berechnung des modifizierten Frequenzspektrums benötigt. Aus ihnen ergibt sich auch die Größe der Einsparung an Datenpunkten. Je niedriger die Grenzfrequenz f_g und je steiler der Anstieg von df^mod ist, desto größer ist die Einsparung von Datenpunkten. Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie diese Festlegung erfolgen kann.

Bei einer zu überwachenden Anlage, bei welcher die Schwankungsbreite B der Anregungsfrequenz bekannt ist, hat sich die folgende Vorgehensweise als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Grenzfrequenz wird auf f_g = dfo / B festgelegt, wobei dfo = 1 / To ist. Der Anstieg von df^mod oberhalb der Grenzfrequenz f_g ist durch df_j ^mod = B ^* f_j ^mod gegeben, wobei f_j+i ^mod = f_j ^mod + df_j ^mod ist. Es handelt sich also um einen linearen Anstieg mit der Steigung B. Dadurch wird sichergestellt, dass oberhalb der Grenzfrequenz das modifizierte Spektrum die relative Frequenzauflösung df_j ^mod / f_j ^mod = B hat, d.h. die relative Frequenzauflösung entspricht der Schwankungsbreite der Anregungsfrequenz. Dadurch wird ferner sichergestellt, dass sich die größtmögliche Einsparung von Datenpunkten ergibt, ohne dass es zu einem Qualitätsverlust bei den nachfolgenden Diagnoseschritten kommt.

Das im vorherigen Abschnitt beschriebene Vorgehen, kann dadurch abgewandelt werden, dass eine höhere Grenzfrequenz und/oder ein weniger stark ansteigender Verlauf von df^mod oberhalb der Grenzfrequenz gewählt wird. Mit anderen Worten, wenn der Verlauf von df^mod unter dem im vorangehenden Abschnitt beschriebenen Verlauf von df^mod liegt. Auch bei dieser Festlegung kommt es zu keinen Qualitätsverlust, wobei jedoch die Einsparung von Datenpunkten weniger groß ausfällt. Es könnte beispielsweise bekannt sein, dass besonders wichtige Resonanzfrequenzen im Bereich von der Frequenz f = dfo / B angesiedelt sind, welche man auf jeden Fall mit einer möglichst hohen Frequenzauflösung untersuchen möchte. Dann würde man vorteilhaft eine Grenzfrequenz oberhalb dieser Resonanzfrequenzen wählen. Ähnliche Überlegungen können dazu führen, dass man besonders wichtige Resonanzfrequenzen oberhalb der Grenzfrequenz mit erhöhter Genauigkeit auswerten möchte. Dann würde man den Anstieg von df^mod in diesem Bereich weniger stark ausfallen lassen, bzw. ganz aussetzen, so dass df^mod dort ein Plateau bildet. Oder man könnte in diesem Bereich sogar wieder zu kleineren df^mod übergehen, d.h. dass df^mod dort vom monoton wachsenden Verlauf in ein lokales Minimum übergeht und dann ggf. wieder weiter monoton wächst. Im Allgemeinen ist daher df^mod oberhalb der Grenzfrequenz wenigstens abschnittsweise monoton wachsend, wobei alle df_j ^mod größer oder gleich dfo sind.

Bei einer Anlage, bei der die Schwankungsbreite B der Anregungsfrequenz nicht bekannt ist, oder sich nur unter erheblichen Aufwand ermitteln lässt, können die fraglichen Parameter auch mit einem heuristischen Verfahren festgelegt werden. Dazu bringt man in die Anlage kurzzeitig eine kleine künstliche Schädigung ein, und nimmt dabei Messdaten auf, welche anschließend Fourier-transformiert werden. Die künstliche Schädigung schlägt sich im Frequenzspektrum nieder, wie ein Vergleich mit Daten von der Ungeschädigten Anlage zeigt. Ausgehend von einer hohen Grenzfrequenz und einem zugehörigen flachen linearen Anstieg von df^mod (die Extrapolation der Anstiegsgerade sollte durch den Nullpunkt gehen) und jeweiliger Berechnung des modifizierten Spektrums, wird die Grenzfrequenz so lange sukzessive verringert, bis die künstliche Schädigung nicht mehr oder nur noch sehr schlecht im modifizierten Spektrum nachgewiesen werden kann. Man wählt dann eine etwas höhere Grenzfrequenz, damit Schädigungen noch sicher nachgewiesen werden können. Eine künstliche Schädigung kann man beispielsweise durch das Umwickeln eines Zahnradzahnes der Anlage mit Klebeband erzeugen. Bei Bedarf können die so bestimmten Parameter noch gemäß dem vorhergehenden Abschnitt abgewandelt werden.

Durch die Festlegung der genannten Parameter ist die Lage der Frequenzlinien f_j ^mod des modifizierten Spektrums gegeben. Bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche Intervalle verwenden, werden dieselben zusammen mit den Frequenzlinien berechnet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einem linearen Anstieg von df_j ^mod die Intervallgrenzen g_j ^mod mit dem geometrischen Mittelwert gebildet werden, da dann die folgenden Beziehungen gelten: fj+i ^mod/fj^mod = Konstant; gj+i ^mod/gj^mod = Konstant; fj^mod/gj^moc| = Konstant

Im Verfahrensschritt, welcher mit V1 bezeichnet ist, werden mit Hilfe eines Sensors, welcher an geeigneter Stelle der Anlage angeordnet ist, Schwingungssignale erzeugt und an eine Signalverarbeitungseinheit übermittelt. Dabei werden die Schwingungssignale von der Signalverarbeitungseinheit mit der Abtastrate R erfasst. Für den Verfahrensschritt V1 ist daher der Parameter R erforderlich. Die Signalverarbeitungseinheit umfasst dabei eine Recheneinheit, welche geeignet ist, auf der Basis der aus den übermittelten Schwingungssignalen erfassten Daten die oben beschriebene FT durchzuführen und aus dem resultierenden Frequenzspektrum das modifizierte Frequenzspektrum zu berechnen. Dazu befindet sich in der Recheneinheit ein Computerprogramm mit Programmschritten zur Durchführung der genannten Rechenoperationen.

Die Durchführung der FT auf dem Zeitfenster To erfolgt im Verfahrensschritt, welcher mit V2 bezeichnet ist. Für den Verfahrensschritt V2 ist daher der Parameter To erforderlich.

Die Berechnung des modifizierten Frequenzspektrums erfolgt im Verfahrensschritt, welcher mit V3 bezeichnet ist. Dabei kommen der Parameter f_g, die Lage der Frequenzlinien f_j ^mod und ggf. die Intervallgrenzen zur Anwendung.

Beim mit V4 bezeichneten Verfahrensschritt handelt es sich um wenigstens einen Diagnoseschritt, welcher das modifizierte Frequenzspektrum als Input verwendet. Wie bereits erwähnt können die Diagnoseschritte entweder vor Ort oder entfernt (remote) durchgeführt werden.

In der Praxis können die Verfahrensschritte V1 , V2 und V3 beispielsweise über unterschiedliche asynchrone Rechenprozesse umgesetzt werden. Die Datenübergabe von V1 an V2, sowie V2 an V3 kann dabei beispielsweise über Queues erfolgen. Jeder Prozess hat dabei wie oben erwähnt seine eigenen Vorgabewerte.

Figur 4 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und einen Datenträger, auf welchem der Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist. Der Datenträger ist mit 5 bezeichnet. Der Datenträger 5 ist ein computerlesbares Medium. Die Anordnung umfasst die zu überwachende Anlage, welche mit 1 bezeichnet ist. Dabei umfasst die Anlage 1 einen Sensor zur Erzeugung von Schwingungssignalen, welcher mit 2 bezeichnet ist. Die Anordnung umfasst ferner eine Signalverarbeitungseinheit, welche mit 3 bezeichnet ist. Der Sensor 2 ist mit der Signalverarbeitungseinheit 3 verbunden. Dabei kann die Verbindung auch drahtlos erfolgen. Die Signalverarbeitungseinheit 3 umfasst eine Recheneinheit, welche mit 4 bezeichnet ist. In der Recheneinheit ist ein Computerprogramm mit Programmschritten gespeichert, die bewirken, dass die Anordnung das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Überwachung einer Anlage (1) mit einem Sensor (2) zur Erzeugung von Schwingungssignalen, wobei das Verfahren die Schritte VI, V2, V3 und V4 umfasst, und wobei im Schritt VI mit Hilfe des Sensors (2) Schwingungssignale erzeugt und an eine Signalverarbeitungseinheit (3) übermittelt werden, wobei die Signalverarbeitungseinheit (3) die Schwingungssignale mit einer vordefinierten Abtastrate R erfasst, und wobei im Schritt V2 auf den erfassten Schwingungssignalen eine FT auf einem vordefinierten Zeitfenster To von einer Recheneinheit (4) durchgeführt wird, um ein Frequenzspektrum (fi, a,) zu erhalten, und wobei im Schritt V4 wenigstens ein Diagnoseschritt durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt V3 eine vordefinierte Grenzfrequenz f_g und eine Vielzahl von vordefinierten Frequenzen f_j ^mod verwendet werden, wobei sich die Frequenzen f_j ^mod über das Frequenzband der FT erstrecken und für Frequenzen unterhalb f_g die Frequenzen f_j ^mod mit den Frequenzlinien fi der FT übereinstimmen, und für Frequenzen > f_g der Abstand zwischen aufeinanderfolgende Frequenzen dfj^mod = fj_+i ^mod-fj^mod wenigstens abschnittsweise monoton ansteigt, wobei alle dfj^mod > 1/To sind und f_g unterhalb der maximalen Frequenz der FT liegt, und wobei im Schritt V3 ein modifiziertes Frequenzspektrum (fj^mod, aj^mod) berechnet wird, wobei für Frequenzen unterhalb f_g die Amplituden aj^mod mit den Amplituden a, der FT übereinstimmen, und für Frequenzen > f_g die Amplituden aj^mod aus den Amplituden a, der FT berechnet werden, und wobei im Schritt V4 das modifizierte Frequenzspektrum für die Durchführung des Diagnoseschrittes verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt V3 für Frequenzen > f_g die Amplituden aj^mod aus den Amplituden a, der FT durch Interpolation berechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Schritt V3 Intervalle l_j ^mod berechnet werden, die den gesamten Frequenzbereich oberhalb von f_g abdecken, wobei in jedem Intervall l_j ^mod genau ein modifizierter Frequenzwert fj^mod liegt: lj^mod = [gj^mod, gj+i^mod], wobei gj^mod < fj^mod < gj+i^mod, und wobei im Schritt V3 die Amplitude aj^mod aus den Amplituden a, der FT berechnet wird, deren Frequenz fi in das Intervall Ij^mod fallen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor dem Schritt V3 Intervalle l_j ^mod und I, berechnet werden, die jeweils den gesamten Frequenzbereich oberhalb von f_g abdecken, wobei in jedem Intervall l_j ^mod genau ein modifizierter Frequenzwert fj^mod liegt: lj^mod = [gj^mod, gj+i^mod], wobei gj^mod < fj^mod < gj+i^mod, und wobei die Intervalle I, durch [fi-dfo/2, f,+dfo/2] gegeben sind, und wobei im Schritt V3 die Amplitude aj^mod aus den Amplituden a, der FT berechnet wird, deren zugehörige Intervalle Ii mit dem jeweiligen Intervall l_j ^mod überlappen, wobei die Amplituden a, mit einem Gewichtungsfaktor berücksichtigt werden, der dem prozentualen Überlapp des Intervalls I, mit dem Intervall l_j ^mod entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Grenzen der Intervalle I^mod durch den arithmetischen Mittelwert von zwei aufeinander folgenden modifizierten Frequenzwerten f^mod gebildet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Grenzen der Intervalle I^mod durch den geometrischen Mittelwert von zwei aufeinander folgenden modifizierten Frequenzwerten f^mod gebildet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei im Schritt V3 die Amplitude aj^mod durch die Berechnung eines Mittelwertes aus den entsprechenden Amplituden a, gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei im Schritt V3 die Amplitude aj^mod durch die Berechnung einer Summe aus den entsprechenden Amplituden a, gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei anstelle der Amplituden a, und aj^mod die Quadrate dieser Größen verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für Frequenzen > f_g der Abstand zwischen aufeinanderfolgende Frequenzen df_j ^mod = f_j+1mo^d_f.mo^d |j_near ansteigt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Grenzfrequenz durch f_g = 1 / (B ^* To) gegeben ist, wobei B die Schwankungsbreite einer Anregungsfrequenz der Anlage (1 ) ist, und wobei der Anstieg von df^mod oberhalb der Grenzfrequenz f_g durch df_j ^mod = B ^* f_j ^mod gegeben ist, wobei f_j+i ^mod = f_j ^mod + df_j ^mod ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 in Verbindung mit den Ansprüchen 6, 8 und 9.

13. Anordnung zur Überwachung einer Anlage (1 ), umfassend einen Sensor (2) zur Erzeugung von Schwingungssignalen, eine Signalverarbeitungseinheit (3) mit einer Recheneinheit (4), welche geeignet sind, die Verfahrensschritte nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.

14. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung des vorangehenden Anspruchs die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausführt.

15. Computerlesbares Medium (5), auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.