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Dokumentenidentifikation DE102005040978A1 08.03.2007
Titel Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage
Anmelder Bühler AG, Uzwil, CH
Erfinder Kuhn, Andreas, St. Gallen, CH;
Höhener, Manuel, Uzwil, CH
Vertreter Frommhold, J., Dr.-Ing., Pat.-Ass., 38114 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 29.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005040978
Offenlegungstag 08.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.03.2007
IPC-Hauptklasse G05B 23/02(2006.01)A, F, I, 20060313, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B21B 37/00(2006.01)A, L, I, 20060313, B, H, DE   B21B 38/00(2006.01)A, L, I, 20060313, B, H, DE   B02C 4/28(2006.01)A, L, I, 20060313, B, H, DE   B02C 25/00(2006.01)A, L, I, 20060313, B, H, DE   G01M 7/00(2006.01)A, L, I, 20060313, B, H, DE   G01M 13/00(2006.01)A, L, I, 20060313, B, H, DE   B41F 33/00(2006.01)A, L, I, 20060313, B, H, DE   G05B 5/01(2006.01)A, L, I, 20060313, B, H, DE   
Zusammenfassung Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Schritte auf.
a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals;
b) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall;
c) Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht, und Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum;
d) Auslösen einer Maßnahme, falls die in Schritt c) bestimmte Abweichung zwischen den Spektren größer ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen den Spektren.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, sowie auf eine mit einem derartigen System ausgestattete industrielle Anlage.

Bei solchen Anlagen handelt es sich z.B. um Walzenstühle aufweisende Mühlen für die Getreideverarbeitung oder um Walzwerke für die Verarbeitung von Suspensionen wie Schokolade oder Farben. Insbesondere bei Getreidemühlen, die oftmals eine Vielzahl von Walzenstühlen enthalten, die in einem entsprechend grossen Mühlengebäude untergebracht sind, können die einzelnen Walzenpaare der Walzenstühle nicht ständig von einem Müller überwacht werden. Fehlerhafte Betriebszustände, wie Trockenlaufen, Wickeln oder Riemenschlupf, kann der geübte Fachmann zwar optisch oder akustisch wahrnehmen, doch setzt dies voraus, dass er neben dem betreffenden Walzenstuhl steht und diesen sowohl sehen als auch hören kann.

Vor allem bei hoch industrialisierten und weitgehend automatisierten Anlagen, die mit geringem Personalaufwand betrieben werden, ist es wichtig, einen Grossteil der traditionell durch das Personal wahrgenommenen Überwachungsfunktion durch automatisierte, möglichst "intelligente" Überwachungseinheiten zu ersetzen.

Dabei hat die Überwachung von Walzenstühlen in einer von Mehlstaub geprägtem Umgebung eine besondere Bedeutung, da viele fehlerhafte Betriebszustände von Walzenstühlen nicht nur Einbussen bei der Produktqualität und eine schnelle und ungleichmässige Abnutzung der Walzen zur Folge hat, sondern auch aufgrund örtlicher Erhitzungen der Walzen zu Walzenstuhl-Bränden und Mehlstaub-Explosionen führen kann. Dadurch bedingte Folgekosten durch Produktionsausfall und Unfallkosten können sehr hoch sein.

Bekannte Lösungen zielen daher auf eine örtliche Temperaturüberwachung der Walzenoberflächen ab.

An sich bekannte Vibrationsüberwachungen können keine komplexe Fehlerbewertung gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, derart weiterzubilden, dass nicht nur das Vorhandensein irgendeines fehlerhaften Betriebszustandes, sondern auch eine Erkennung der Art des fehlerhaften Betriebszustandes möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 9 und durch das System gemäss Anspruch 18 gelöst.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Schritte auf:

  • a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals;
  • b) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall;
  • c) Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht, und Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum;
  • d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c) bestimmte Abweichung zwischen den Spektren grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen den Spektren.

Auf diese Weise wird eine Abweichung vom fehlerfreien Normalbetrieb stets möglichst gering gehalten, so dass eine möglichst einheitliche Produktqualität auch über längere Betriebszeiträume gewährleistet wird.

Vorzugsweise erfolgt die Erfassung der Vibrationen in Schritt a) mittels eines am Lager der rotierenden Walze angebrachten Beschleunigungssensors. Es können auch mehrere Beschleunigungssensoren pro Lager verwendet werden, um z.B. die Vibrationsamplituden in verschiedenen Richtungen zu erfassen. Diese mehrdimensionalen Vibrationsinformationen können dann kombiniert werden, indem man die jeweiligen Frequenzspektren bestimmt und die Gesamtheit dieser Frequenzspektren auswertet. Man kann z.B. im Bereich des linken und des rechten Lagerendes jeweils einen Beschleunigungssensor für die x-Richtung, die y-Richtung und die z-Richtung, also insgesamt sechs Beschleunigungssensoren, installieren. Alternativ kann man aber auch mit nur einem Beschleunigungssensor pro Lager ausreichend viel Information aus dem Frequenzspektrum ablesen, um typische fehlerhafte Betriebszustände identifizieren zu können.

Für einen Achtwalzenstuhl, der insgesamt acht Walzen bzw. vier Walzenpaare in einem Maschinengestell aufweist, kann man auch schon mit jeweils einem Beschleunigungssensor pro Walzenlager ausreichend viel Information gewinnen, um typische fehlerhafte Betriebszustände des Walzenstuhls identifizieren zu können.

Prinzipiell reicht es auch aus, wenn nur ein Beschleuinigungssensor pro Walzenpaar verwendet wird, d.h., vier Beschleunigungssensoren pro Achtwalzenstuhl. Damit lässt sich auf jeden Fall eine Abweichung vom Normalbetrieb des Walzenstuhls feststellen.

Um darüber hinaus auch noch eine Fehleridentifizierung mit hoher Trennschärfe zwischen möglichen unterschiedlichen Fehlern, wie z.B. Trockenlaufen, Wickeln oder Riemenschlupf, zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, mehr als nur einen Sensor pro Walzenpaar zu verwenden. Durch die an verschiedenen Stellen eines Walzenlagers (z.B. linkes und rechtes Ende) und entlang verschiedener Messrichtungen (radiale x-Richtung, radiale y-Richtung orthogonal zur x-Richtung und axiale z-Richtung orthogonal zur x-Richtung und zur y-Richtung) aufgenommen Vibrationen und die daraus bestimmten jeweiligen Frequenzspektren ermöglichen durch die Auswertung einer Kombination von Abweichungen eine sehr gute Fehleridentifizierung. Wenn der Fehler aber identifiziert wird, kann für manche Fehler sogar eine korrigierende Massnahme (Schritt d) automatisch ausgelöst werden. Das Personal wird dann durch einen Alarm erst dann involviert, wenn diese automatische Korrekturmassnahme keine Verringerung der Abweichung, d.h. keine Annährung an den Normalbetrieb bewirkt.

Zweckmässigerweise erfolgt die Bestimmung des momentanen Frequenzspektrums in Schritt b) mittels einer Fourier-Transformation des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die von den Beschleunigungssensoren gelieferten analogen elektrischen Schwingungssignale zunächst durch einen Analog/Digital-Wandler digitalisiert werden, um anschliessend einer diskreten Fourier-Transformation unterzogen zu werden.

Die Besorgung des Referenz-Frequenzspektrums in Schritt c) kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.

Sie kann einerseits mittels einer vor dem Betrieb durchgeführten Kalibrierung erfolgen durch Erfassen der von der rotierenden Walze in einem Normalbetrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Normalbetriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals auf dieselbe Weise wie in Schritt a) und anschliessendes Bestimmen des Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall auf dieselbe Weise wie in Schritt b).

Andererseits, wenn die industrielle Anlage eine automatisierte Anlage mit einem ihren verschiedenen Anlagenteilen übergeordneten Leitsystem ist, kann die Besorgung des Referenz-Frequenzspektrums in Schritt c) ergänzend oder alternativ auch durch das Leitsystem erfolgen.

Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der momentanen Abweichung in Schritt c) durch arithmetische Weiterverarbeitung einer Vielzahl von Amplitudendifferenzen zwischen den Amplituden des momentanen Frequenzspektrums und des Referenz-Frequenzspektrums für eine Vielzahl jeweiliger Frequenzwerte der beiden Frequenzspektren. Insbesondere können dabei zur Bestimmung der Abweichung die Beträge der Amplitudendifferenzen aufsummiert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Bestimmung der momentanen Abweichung in Schritt c) durch die Erstellung der Differenzfläche zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum. Diese Differenzfläche kann als Funktion der Frequenzen der beiden Spektren, d.h. als "Differenzspektrum" betrachtet werden. Aus seinem Verlauf lassen sich auch Rückschlüsse auf den ihm zugrunde liegenden Betriebsfehler treffen.

Ein weiteres erfindungsgemässes Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Schritte auf:

  • a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals;
  • b1) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall;
  • b2) Speichern der bestimmten momentanen Frequenzspektren, die einen Stichprobenumfang darstellen;
  • b3) Klassieren der gespeicherten momentanen Frequenzspektren des Stichprobenumfangs gemäss mindestens einem ausgewählten Parameter der Frequenzspektren, um die Häufigkeitsverteilung mindestens eines Parameters innerhalb des Stichprobenumfangs zu erstellen sowie den Mittelwert und ein Abweichungsmass der Parameter-Häufigkeitsverteilung zu bestimmen;
  • c1) Klassieren jedes während des Betriebs neu bestimmten Frequenzspektrums gemäss dem mindestens einen ausgewählten momentanen Parameter;
  • c2) Bestimmen der Abweichung des momentanen ausgewählten Parameters von dem in Schritt b3) bestimmten Mittelwert des ausgewählten Parameters; und
  • d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c2) bestimmte Abweichung grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen dem momentanen ausgewählten Parameter und dem Mittelwert des ausgewählten Parameters.

Die Schritte b1), b2) und b3) stellen einen Lernmodus dar, während dem der Betrieb erfasst und kumulativ abgespeichert wird, und somit quasi als "normaler Betriebszustand" erlernt wird. Ausgehend von diesem normalen Betriebszustand wird dann in Schritt c2) eine Abweichung bestimmt, die als Grundlage für die zu treffende Massnahme in Schritt d) herangezogen wird.

Wenn die industrielle Anlage eine automatisierte Anlage mit einem ihren verschiedenen Anlagenteilen übergeordneten Leitsystem ist, kann auch hier die in Schritt b3) durchgeführte Klassierung und Erstellung der Häufigkeitsverteilung mit Mittelwert und Abweichungsmass vor dem aktuellen Betrieb der Anlage erfolgen, in dem Leitsystem abgespeichert werden und von diesem für den aktuellen Betrieb bereitgestellt werden.

Ein der Parameter-Häufigkeitsverteilung zugrunde liegender Gesamt-Stichprobenumfang kann einen ersten Teil-Stichprobenumfang sowie einen zweiten Teil-Stichprobenumfang aufweisen. Dabei wird der erste Teil-Stichprobenumfang vor dem aktuellen Betrieb der Anlage erfasst und abgespeichert, und der zweite Teil-Stichprobenumfang wird während des aktuellen Betriebs der Anlage erfasst und ggf. abgespeichert. Der erste Teil-Stichprobenumfang stammt z.B. aus dem Repertoire eines übergeordneten Leitsystems, während der zweite Teil-Stichprobenumfang z.B. aus dem Lernbetrieb stammt.

Die in Schritt d) ausgelöste Massnahme kann die Abgabe eines optischen und/oder akustischen Alarmsignals sein. Die Abschaltung zumindest eines Teils der Anlage kann erfolgen, wenn die bestimmte Abweichung grösser ist als eine geduldete Maximal-Abweichung, die grösser als die Grenz-Abweichung ist, wobei die Maximal-Abweichung vorzugsweise zwischen dem 1,5-fachen und dem 5-fachen der Grenz-Abweichung liegt.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Verfahren erfolgt eine Klassierung der Spektren nach mehreren Parametern, und zwar durch:

  • b3) Klassieren der gespeicherten momentanen Frequenzspektren des Stichprobenumfangs gemäss mehrerer ausgewählter Parameter der Frequenzspektren, um die Häufigkeitsverteilung jedes dieser Parameter innerhalb jedes Stichprobenumfangs zu erstellen sowie den Mittelwert und ein Abweichungsmass der jeweiligen Parameter-Häufigkeitsverteilung zu bestimmen;
  • c1) Klassieren jedes während des Betriebs neu bestimmten Frequenzspektrums gemäss jedem der ausgewählten momentanen Parameter;
  • c2) Bestimmen der jeweiligen Abweichung des jeweiligen momentanen ausgewählten Parameters von dem in Schritt c1) bestimmten Mittelwert des jeweiligen ausgewählten Parameters; und
  • d) Auslösen einer Massnahme, falls mindestens eine der in Schritt c2) bestimmten jeweiligen Abweichungen grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen dem momentanen ausgewählten jeweiligen Parameter und dem Mittelwert des jeweiligen ausgewählten Parameters.

Durch die Heranziehung mehrerer Parameter und die Auswertung ihrer jeweiligen Abweichungen kann eine mehrdimensionale Fehleridentifizierung erfolgen, bei der jedem Fehler mehrere typische Abweichungen der jeweiligen Parameter zugeordnet werden können, um durch das mehrdimensionale Parameter-Abweichungsmuster besser identifiziert werden zu können.

Vorzugsweise bilden die in Schritt c2) bestimmten mehreren jeweiligen Abweichungen eine momentane Parameter-Abweichungskombination und werden mit zuvor bestimmten, für gewisse fehlerhafte Betriebszustände der Anlage charakteristischen Abweichungskombinationen verglichen, wobei als fehlerhafter Betriebszustand derjenige fehlerhafte Betriebszustand identifiziert wird, für den eine beste Übereinstimmung zwischen der momentanen Parameter-Abweichungskombination und seiner charakteristischen Abweichungskombination besteht.

Zweckmässigerweise werden dann bei Identifizierung eines fehlerhaften Betriebszustandes (Ist-Betriebszustand) in Schritt d) spezifische Massnahmen getroffen, die das Ausmass des identifizierten fehlerhaften Betriebszustands verringern und den fehlerhaften Betriebszustand näher an den Normal-Betriebszustand (Soll-Betriebszustand) heranführen.

Ein erfindungsgemässes System zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, weist die folgenden Elemente auf:

  • • Vibration-Erfassungsmittel zum Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals;
  • • Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel zum Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall;
  • • Vergleichsmittel zum Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht;
  • • Abweichung-Bestimmungsmittel zum Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum;
  • • Betätigungsmittel zum Auslösen einer Massnahme in der industriellen Anlage.

Vorzugsweise weist das Vibration-Erfassungsmittel einen am Lager der rotierenden Walze angebrachten Beschleunigungssensor auf. Es können auch mehrere derartige Sensoren an diesem Lager oder in seiner unmittelbareren Nähe derart angebracht sein, dass sie vorzugsweise Amplituden von Vibrationsbewegungen in verschiedenen Richtungen aufnehmen können, wie z.B. in zwei zueinander orthogonalen Richtungen (x-Richtung und y-Richtung) und jeweils orthogonal zur Axialrichtung (z-Richtung) der Welle. Dies ermöglicht eine differenzierte Informationserfassung als Grundlage für eine treffsichere Fehleridentifizierung.

Das Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel kann einen Rechner zur Durchführung einer Fourier-Transformation aufweisen. Ebenso können das Vergleichsmittel und das Abweichung-Bestimmungsmittel einen Rechner aufweisen. Vorzugsweise werden aber das Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel, das Vergleichsmittel sowie das Abweichung-Bestimmungsmittel auf ein und demselben Rechner implementiert.

Vorzugsweise ist das erfindungsgemässe System in dem Leitsystem einer automatisierten industriellen Anlage integrierbar. Dies ermöglicht eine kostengünstige Nachrüstung vorhandener industrieller Anlagen mit dem erfindungsgemässen System.

Bei Mühlenanlagen, die eine Vielzahl von Walzenstühlen enthalten, wird das erfindungsgemässe System im Innern eines jeweiligen Walzenstuhls angebracht, wobei darauf geachtet wird, dass alle Kabel zwischen den einzelnen Beschleunigungssensoren und einer elektronischen Verarbeitungseinheit bzw. einem Rechner möglichst kurz verkabelt sind. Am besten erreicht man dies, wenn man vorzugsweise den Rechner möglichst zentral in den einzelnen Walzenstühlen anordnet, so dass alle Signalkabel zwischen den einzelnen Sensoren und dem Rechner im wesentlichen dieselbe Länge haben.

Zweckmässigerweise ist in der mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthaltenden industriellen Anlage mindestens ein System gemäss einem der vorhergehenden Absätze angeordnet, das der mindestens einen oder den mehreren rotierenden Walzen jeweils zugeordnet ist. Somit können Fehler bei jeder rotierenden Walze unabhängig voneinander festgestellt und ggf. identifiziert werden.

Vorzugsweise weist die industrielle Anlage mindestens einen Überwachungsbildschirm auf, welcher der mindestens einen rotierenden Walze zugeordnet ist und deren Betriebszustand anzeigen kann. Somit kann das Betriebspersonal sich einen schnellen Überblick über den Betriebszustand jeder einzelnen, mindestens eine rotierende Walze aufweisenden Anlageneinheit verschaffen.

Vorteilhaft ist es, wenn bei einer mehrere rotierende Walzen und mehrere erfindungsgemässe Systeme aufweisenden industriellen Anlage die einzelnen Systeme miteinander und mit einer Überwachungszentrale vernetzt sind, wobei eine drahtlose Vernetzung der einzelnen Systeme mit der Überwachungszentrale besonders vorteilhaft ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung nicht einschränkend aufzufassender Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei

1 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung anhand einer Walzenstuhl-Überwachung zeigt;

2 eine schematische Darstellung eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Algorithmus ist; und

3 eine Online-Klassifikation bei einem Walzenstuhl in einer Mühle zeigt.

In 1 ist das Funktionsprinzip der Erfindung schematisch dargestellt. Über zwei Sensoren 1, 2. die im Innern einer Maschine (Walzenstuhl) M im Bereich der Lager 3, 4 zweier Walzen 5, 6 angeordnet sind, werden Vibrationen der Maschine M erfasst. Diese Vibrationen erfahren bei Schritt S1 eine Signalverarbeitung (Analog/Digital-Wandlung und Fourier-Transformation), um aus dem Signal im Zeitraum (zeitliches Vibrationssignal) ein Signal im Frequenzraum zu erzeugen (Frequenzspektrum: relative Amplituden als Funktion der Frequenz in Hz). Dieses Frequenzspektrum enthält Information, die für die Art der Maschine, deren Normalbetrieb oder Nicht-Normalbetrieb kennzeichnend ist. Diese Spektren können klassifiziert werden, und ausserhalb des Normalbereichs liegende Spektren deuten auf eine Fehlfunktion hin.

Aus dem Klassifikationsmuster wird bei Schritt S2 Information gewonnen, mit der bei Schritt S3 eine Beurteilung des Betriebszustandes erfolgt. Zumindest wird eine Entscheidung Normalbetrieb oder fehlerhafter Betrieb getroffen, um die Maschine M weiterlaufen zu lassen oder abzustellen. Dies kann unter Mitwirkung einer Bedienperson oder vollautomatisch erfolgen.

In 2 ist ein Algorithmus schematisch dargestellt, der bei der Erfindung verwendet werden kann. Auf der linken Seite ist ein Referenz-Frequenzspektrum dargestellt, das für den fehlerfreien Normalbetrieb der Maschine repräsentativ ist ("Fingerabdruck" für Normalbetrieb, Sammlung von Spektrum-"Prototypen"). Auf der rechten Seite ist schematisch dargestellt, wie eine Abweichung zwischen einem momentanen Frequenzspektrum ("Neues Spektrum") und dem Referenz-Frequenzspektrum über ein Unähnlichkeitsmass bestimmt wird. Wenn die Abweichung bzw. das Unähnlichkeitsmass um mehr als eine Grenzabweichung &Dgr;d nach oben oder nach unten abweicht, wird dies als fehlerhafter Betrieb gewertet. Ein Alarm oder eine Gegenmassnahme werden ausgelöst. Dadurch ist eine Überwachung der Maschine M (siehe 1) gewährleistet.

In 3 ist eine Online-Klassifikation für einen Walzenstuhl einer Mühle dargestellt. Sobald die Abweichung &Dgr;d der Klassifizierungen einen normierten Grenzwert überschreitet, wird dies als Beginn eines fehlerhaften Betriebs gewertet. In 3 werden ab einem Zeitpunkt 1400 diverse Fehler aufgrund einer Abweichung &Dgr;d erkannt, die einen normierten Grenzwert überschreitet.

Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von Beschleunigungssensoren beschränkt. Die Vibrationen können auch über Dehnungssensoren, wie z.B. piezoelektrische Materialien oder Widerstandsstreifen, erfasst werden. Die Abweichung zwischen Referenz-Frequenzspektrum und momentanem Frequenzspektrum kann auch durch Vergleich statistischer Parameter wie Mittelwert und Standardabweichung erfolgen.


Anspruch[de]
Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals;

b) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall;

c) Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht, und Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum;

d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c) bestimmte Abweichung zwischen den Spektren grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen den Spektren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Vibrationen in Schritt a) mittels eines am Lager der rotierenden Walze angebrachten Beschleunigungssensors erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des momentanen Frequenzspektrums in Schritt b) mittels einer Fourier-Transformation des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Besorgung des Referenz-Frequenzspektrums in Schritt c) mittels einer vor dem Betrieb durchgeführten Kalibrierung erfolgt durch:

• Erfassen der von der rotierenden Walze in einem Normalbetrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Normalbetriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals auf dieselbe Weise wie in Schritt a); und

• Bestimmen des Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall auf dieselbe Weise wie in Schritt b).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die industrielle Anlage eine automatisierte Anlage mit einem ihren verschiedenen Anlagenteilen übergeordneten Leitsystem ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Besorgung des Referenz-Frequenzspektrums in Schritt c) durch das Leitsystem erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der momentanen Abweichung in Schritt c) durch arithmetische Weiterverarbeitung einer Vielzahl von Amplitudendifferenzen zwischen den Amplituden des momentanen Frequenzspektrums und des Referenz-Frequenzspektrums für eine Vielzahl jeweiliger Frequenzwerte der beiden Frequenzspektren erfolgt. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Abweichung die Beträge der Amplitudendifferenzen aufsummiert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der momentanen Abweichung in Schritt c) durch die Erstellung der Differenzfläche zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum erfolgt. Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a) Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals;

b1) Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall;

b2) Speichern der bestimmten momentanen Frequenzspektren, die einen Stichprobenumfang darstellen;

b3) Klassieren der gespeicherten momentanen Frequenzspektren des Stichprobenumfangs gemäss mindestens einem ausgewählten Parameter der Frequenzspektren, um die Häufigkeitsverteilung mindestens eines Parameters innerhalb des Stichprobenumfangs zu erstellen sowie den Mittelwert und ein Abweichungsmass der Parameter-Häufigkeitsverteilung zu bestimmen;

c1) Klassieren jedes während des Betriebs neu bestimmten Frequenzspektrums gemäss dem mindestens einen ausgewählten momentanen Parameter;

c2) Bestimmen der Abweichung des momentanen ausgewählten Parameters von dem in Schritt b3) bestimmten Mittelwert des ausgewählten Parameters; und

d) Auslösen einer Massnahme, falls die in Schritt c2) bestimmte Abweichung grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen dem momentanen ausgewählten Parameter und dem Mittelwert des ausgewählten Parameters.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die industrielle Anlage eine automatisierte Anlage mit einem ihren verschiedenen Anlagenteilen übergeordneten Leitsystem ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b3) durchgeführte Klassierung und Erstellung der Häufigkeitsverteilung mit Mittelwert und Abweichungsmass vor dem aktuellen Betrieb der Anlage erfolgt, in dem Leitsystem abgespeichert wird und von diesem für den aktuellen Betrieb bereitgestellt wird. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der der Parameter-Häufigkeitsverteilung zugrunde liegende Gesamt-Stichprobenumfang einen ersten Teil-Stichprobenumfang sowie einen zweiten Teil-Stichprobenumfang aufweist, wobei der erste Teil-Stichprobenumfang vor dem aktuellen Betrieb der Anlage erfasst und abgespeichert wurde und der zweite Teil-Stichprobenumfang während des aktuellen Betriebs der Anlage erfasst und ggf. abgespeichert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt d) ausgelöste Massnahme die Abgabe eines optischen und/oder akustischen Alarmsignals ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt d) ausgelöste Massnahme die Abschaltung zumindest eines Teils der Anlage ist, wenn die bestimmte Abweichung grösser ist als eine geduldete Maximal-Abweichung, die grösser als die Grenz-Abweichung ist. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximal-Abweichung zwischen dem 1,5-fachen und dem 5-fachen der Grenz-Abweichung liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch:

b3) Klassieren der gespeicherten momentanen Frequenzspektren des Stichprobenumfangs gemäss mehrerer ausgewählter Parameter der Frequenzspektren, um die Häufigkeitsverteilung jedes dieser Parameter innerhalb jedes Stichprobenumfangs zu erstellen sowie den Mittelwert und ein Abweichungsmass der jeweiligen Parameter-Häufigkeitsverteilung zu bestimmen;

c1) Klassieren jedes während des Betriebs neu bestimmten Frequenzspektrums gemäss jedem der ausgewählten momentanen Parameter;

c2) Bestimmen der jeweiligen Abweichung des jeweiligen momentanen ausgewählten Parameters von dem in Schritt c1) bestimmten Mittelwert des jeweiligen ausgewählten Parameters; und

d) Auslösen einer Massnahme, falls mindestens eine der in Schritt c2) bestimmten jeweiligen Abweichungen grösser ist als eine geduldete Grenz-Abweichung zwischen dem momentanen ausgewählten jeweiligen Parameter und dem Mittelwert des jeweiligen ausgewählten Parameters.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt c2) bestimmten mehreren jeweiligen Abweichungen eine momentane Parameter-Abweichungskombination bilden und mit zuvor bestimmten, für gewisse fehlerhafte Betriebszustände der Anlage charakteristischen Abweichungskombinationen verglichen werden, wobei als fehlerhafter Betriebszustand derjenige fehlerhafte Betriebszustand identifiziert wird, für den eine beste Übereinstimmung zwischen der momentanen Parameter-Abweichungskombination und seiner charakteristischen Abweichungskombination besteht. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Identifizierung eines fehlerhaften Betriebszustandes (Ist-Betriebszustand) in Schritt d) spezifische Massnahmen getroffen werden, die das Ausmass des identifizierten fehlerhaften Betriebszustands verringern und den fehlerhaften Betriebszustand näher an den Normal-Betriebszustand (Soll-Betriebszustand) heranführen. System zur Überwachung des Betriebszustandes rotierender Walzen in einer industriellen Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, wobei das System die folgenden Elemente aufweist:

• Vibration-Erfassungsmittel zum Erfassen der von einer rotierenden Walze im Betrieb erzeugten Vibrationen während eines vorbestimmten Zeitintervalls während des Betriebs in Form eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signals;

• Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel zum Bestimmen des momentanen Frequenzspektrums des zeitlich veränderlichen elektrischen Signals für das vorbestimmte Zeitintervall;

• Vergleichsmittel zum Vergleichen des bestimmten Frequenzspektrums mit einem zuvor besorgten Referenz-Frequenzspektrum, das einem definierten Betriebszustand der rotierenden Walze entspricht;

• Abweichung-Bestimmungsmittel zum Bestimmen einer momentanen Abweichung zwischen dem momentanen Frequenzspektrum und dem Referenz-Frequenzspektrum;

• Betätigungsmittel zum Auslösen einer Massnahme in der industriellen Anlage.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Vibration-Erfassungsmittel einen am Lager der rotierenden Walze angebrachten Beschleunigungssensor aufweist. System nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzspektrum-Bestimmungsmittel einen Rechner zur Durchführung einer Fourier-Transformation aufweist. System nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsmittel einen Rechner aufweist. System nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Abweichung-Bestimmungsmittel einen Rechner aufweist. System nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es in das Leitsystem einer automatisierten industriellen Anlage integrierbar ist. Industrielle Anlage, die mindestens eine oder mehrere rotierende Walzen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein System gemäss einem der Ansprüche 18 bis 23 enthält, das der mindestens einen oder den mehreren rotierenden Walzen jeweils zugeordnet ist. Industrielle Anlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Überwachungsbildschirm aufweist, welcher der mindestens einen rotierenden Walze zugeordnet ist und deren Betriebszustand anzeigen kann. Industrielle Anlage nach Anspruch 24 oder 25 mit mehreren rotierenden Walzen und mehreren Systemen, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Systeme miteinander und mit einer Überwachungszentrale vernetzt sind. Industrielle Anlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vernetzung der einzelnen Systeme mit der Überwachungszentrale drahtlos ist.






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