DE4017448A1

DE4017448A1 - Verfahren zur diagnose der mechanischen eigenschaften von maschinen

Info

Publication number: DE4017448A1
Application number: DE19904017448
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr Ing Lattka
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1989-06-05
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1990-12-06

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose der mechani schen Eigenschaften von Maschinen, die rotierende Bauteile auf weisen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine optimale Ausnutzung von Produktionsanlagen führt dazu, daß dort vorhandene Maschinen sehr stark belastet werden, und als Folge hiervon treten häufiger Schäden und Maschinenausfälle auf. Der Zustand dieser Maschinen (z. B. Pumpen, Kompressoren, Turbinen, Elektromotoren, Ventilatoren und Werkzeugmaschinen) muß daher unabhängig von deren Leistung, Größe und Einsatzart routinemäßig gemessen werden, wobei der zeitliche Trend inter essant ist und eventuell mit Grenzwerten verglichen wird.

Stand der Technik

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-OS 33 14 005) wird die für den Zustand der Maschinen aussagekräftige Maschinen diagnose durch Trend- und Grenzwertüberwachung der Maschinen schwingungen gelöst. Dieses Verfahren basiert im wesentlichen auf Grenzwertüberwachung von verschiedenen Kenngrößen, die aus der detektierten Maschinenschwingung gewonnen werden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle und zu verlässige Methode anzugeben, aus routinemäßig gewonnenen Schwingungsbildern typische bekannte Maschinenfehler zu dia gnostizieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Verfahren die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 auf und ist mit den Merkmalen der Unteransprüche in vorteilhafter Weise weiterzubilden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst sogenannte Fehler- oder Schädigungsbilder, z. B. Korrosion, Ermüdung, Ver schleiß, unsachgemäße Nutzung, Unwucht etc., aus dem Schwin gungsverhalten der Maschine gewonnen und als Mustersignal mit dem Detektionssignal im Frequenzbereich verglichen.

Das Mustersignal wird beispielsweise mit Hilfe eines Beschleu nigungsaufnehmers aufgenommen und als Schwingungsbeschleuni gungssignal zu einem Signalwandler geführt. Dort wird das detektierte Zeitsignal verstärkt und in eine Schwinggeschwin digkeit und/oder einen Schwingweg umgewandelt. Weiter kann also das Mustersignal je nach Bedarf in einer dieser Signalformen benutzt werden. Das analoge Mustersignal wird sodann in vor teilhafter Weise in einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert und mittels einer FFT-Transformation (Fast-Fourier-Transforma tion) in die Frequenzebene transformiert. Das somit aus einer Anzahl von Frequenzspektren bestehende Mustersignal kann auf einfache Weise im Speicher eines Digitalrechners abgespeichert werden. Das Detektionssignal wird dagegen regelmäßig während des Betriebes der Maschine erfaßt und mit den abgespeicherten Mustersignalen auf Gleichheit oder Ähnlichkeit untersucht. Auch das Detektionssignal kann in vorteilhafter Weise von einem Beschleunigungsaufnehmer gewonnen werden und auf gleichem Wege wie das Mustersignal verarbeitet werden.

Im Digitalrechner können die beiden Signale mit Hilfe des er findungsgemäßen Korrelationsverfahrens gemäß Unteranspruch 4 verglichen werden. Der mathematische Zusammenhang zur Erlangung einer Aussage über die Korrelation der beiden Signale ergibt sich hierbei aus dem Matrizenprodukt der einzelnen Korrela tionswerte jedes Verfahrensschrittes. Für den i-ten Korrela tionswert g_i gilt:

und für den folgenden Wert

Die Korrelation zwischen den einzelnen Mustersignalwerten m und Detektionssignalwerten s kann symbolisch auch als Korrelationsprodukt

dargestellt werden.

Kurze Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 und 3 Frequenzspektren der zu untersuchenden Signale,

Fig. 4 bis 6 Ersatzschaltbilder einer Korrelation und

Fig. 7 eine weitere Darstellung der Frequenzspektren zeigen.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild zur Auswertung von Mustersignalen M und Detektionssignalen S dargestellt, wobei das Mustersignal M am Eingang der Schaltung das Schwingungs signal einer zu untersuchenden, hier nicht dargestellten Maschine im Zeitbereich darstellt, welches bei vorgegebenen Fehlern bzw. Schädigungen erfaßt worden ist. Das Detektions signal S stellt das laufend im Betrieb der Maschine aufgenom mene Schwingungssignal dar. Beide Signale sind beispielsweise Ausgangssignale von Beschleunigungsaufnehmern, so daß die ent sprechenden Beschleunigungssignale a_M(t) bzw. a_S(t) die Schwingbeschleunigung im Muster- bzw. Detektionsfall darstel len.

In Signalwandlerschaltungen UM und US werden diese Signale je weils in Schwinggeschwindigkeitssignale V_M(t) bzw. V_S(t) bzw. in Schwingwegsignale S_M(t) bzw. S_S(t) umgewandelt. Beide Si gnale werden jeweils über einen Analog/Digital-Umsetzer ADM bzw. ADS einer Frequenztransformationsschaltung FFTM bzw. FFTS zugeführt. Zwei beispielhafte Verläufe eines Mustersignals M und eines Detektionssignals S im Frequenzbereich sind unterhalb der Bausteine FFTM bzw. FFTS skizziert. Die Analog/Digital- Wandler ADM und ADS können als Bestandteile eines Digitalrech ners PC, der noch einen Speicher SP und einen Korrelator programmbaustein MEVA aufweist, ausgeführt sein. Das Ausgangs signal des Frequenztransformationsbausteins FFTM wird hierbei in den Speicher SP geladen und dort für die Korrelation mit dem Detektionssignal S zur Verfügung gehalten. Zur Korrelation, die anschließend beschrieben wird, werden das Detektionssignal S und ein abgespeichertes Mustersignal M miteinander verglichen, wobei das Ausgangssignal A das Ergebnis dieser Korrelation dar stellt.

Im folgenden wird anhand von Beispielen erläutert, wie die Fehler- bzw. Schädigungsbilder, die als Mustersignale M abge speichert sind, mit jeweils im Betrieb erfaßten Detektions signalen S korreliert und so insgesamt für die Maschinen diagnose verwendet werden.

Im linken Teil der Fig. 2 ist eine Folge von Spektrallinien eines Mustersignals M gezeigt, bei denen untersucht werden soll, ob und an welchen Stellen dieses Mustersignal M im rechten Teil, der das Detektionssignal S zeigt, enthalten ist. Wird der Vergleich stückweise vorgenommen, so wird das Muster signal M Abtastwert für Abtastwert am Detektionssignal S vor beigeschoben, und es werden dabei jeweils übereinanderliegende Spektrallinien des Mustersignals M und des Detektionssignals S verglichen. Besteht das Mustersignal M beispielsweise aus n Werten, dann sind nach jeder Verschiebung n Vergleiche erfor derlich; diese können darin bestehen, jeweils das Verhältnis von Detektionssignalwert zu Mustersignalwert zu bilden. Sind alle n Verhältnisse gleich, liegt das gesuchte Mustersignal M in der Signalfolge des Detektionssignals S vor. Die Verhältnis bildung ist relativ aufwendig und führt insbesondere nur dann zum Ziel, wenn der entsprechende Signalabschnitt des Detek tionssignals S bis auf einen konstanten Verstärkungsfaktor exakt mit dem Mustersignal M übereinstimmt. Hierbei muß man davon ausgehen, daß die Signale mehr oder weniger durch addi tive oder nichtlineare Störungen verzerrt sind, d. h., man er hält in der Regel anstelle einer Übereinstimmung eine mehr oder weniger große Ähnlichkeit zwischen Detektionssignal S und Mustersignal M.

Es ist somit vorteilhaft, für jede Verschiebung aus den betref fenden Detektionssignal- und Mustersignalwerten eine Zahl zu ermitteln, die angibt, wie groß die gerade vorliegende Ähnlich keit ist. Eine derartige Zahl läßt sich dadurch gewinnen, daß nach jeder Verschiebung übereinanderstehende Werte von Muster signal M und Detektionssignal S multipliziert werden und alle Produkte addiert werden.

Ein Beispiel für diese Vorgehensweise ist in der Fig. 3 ange geben, wo im oberen Teil das detektierte Signal S mit Spektral linien S₁, S₂, S₃, in der Mitte verschiedene Positionen 1 . . . 5 eines Mustersignals M mit ebenfalls einer Anzahl Spektrallinien relativ zum Detektionssignal S und im unteren Teil das Korre lationsergebnis G mit den einzelnen Korrelationswerten g₁ . . . g₅ dargestellt sind.

Das Detektionssignal S nach Fig. 3 enthält in diesem Fall das Mustersignal M und besteht ansonsten nur aus Nullwerten. Sind das Detektionssignal S und das Mustersignal M deckungsgleich, so sind alle Korrelationswerte g₁ . . . g₅ positiv, und die Summe ist maximal (G_max). Bei einer Verschiebung aus dieser Posi tion wird die Summe kleiner, weil die Korrelationswerte g₁ . . . g₅ zum Teil unterschiedliches Vorzeichen bekommen und sich bei der anschließenden Addition größtenteils kompensieren. Für den Idealfall der exakten Übereinstimmung von Detektionssignal S und Mustersignal M arbeitet dieses Verfahren sehr genau. Aber auch wenn die Signalwerte geringfügig vom Sollverlauf abwei chen, zeigt sich die noch weitgehende Ähnlichkeit des Detek tionssignals S mit dem Mustersignal M durch das Fortbestehen des Maximums (G_max). Dieses kann beispielsweise bei Überschrei ten eines geeignet gewählten Schwellwertes detektiert werden und somit auf die Existenz und die Lage des Mustersignals M im Detektionssignal S geschlossen werden. Die Höhe des Schwell wertes legt dabei fest, bis zu welchem Grad an Ähnlichkeit ein Signalabschnitt im Detektionssignal S noch als eventuell ver zerrtes Mustersignal M gedeutet werden soll.

Der Vorgang des Verschiebens, der Produktbildung und der Addi tion stellen die Verfahrensschritte der Korrelation dar. Fig. 4 zeigt den vorher beschriebenen Vorgang schematisch durch eine Korrelation eines weiteren Detektionssignals S mit einem Mustersignal M.

Ein weitgehend automatisiertes Korrelationsverfahren beruht darauf, daß das Korrelationsergebnis gleichbleibt, wenn man, anstatt mit dem Mustersignal M am Detektionssignal S entlang zufahren, die Signalfolge des Detektionssignals in umgekehrter Richtung am Mustersignal M entlangschiebt. Man kann z. B. die Folge der Spektralwerte des Detektionssignals S seriell in ein hier nicht näher dargestelltes Schieberegister eingeben und nach jeder Verschiebung die Registerinhalte mit Koeffizienten, die den Mustersignalwerten m gleich sind, multiplizieren und alle Produkte addieren. Dieses Verfahren ist schematisch in Fig. 5 dargestellt.

Gemäß der Verfahrensvariante nach Fig. 5 kann nach zwei Alter nativen vorgegangen werden. Entweder die Detektionssignal werte s werden von rechts nach links durch ein Schieberegister geschoben und es werden die Mustersignalwerte m von links nach rechts angeordnet oder es werden die Detektionssignalwerte s in umgekehrter Richtung durch das Schieberegister geschoben und es werden die Mustersignalwerte m ebenfalls umgekehrt angeordnet. Schieberichtung der Detektionssignalwerte s und Anordnung der Mustersignalwerte m sind also stets entgegengesetzt gerichtet; das Korrelationsergebnis G ist in beiden Fällen identisch. Ent hält das einlaufende Detektionssignal S das gesuchte Muster signal M, so tritt das Korrelationsmaximum G_max dann auf, wenn der entsprechende Signalabschnitt voll im Korrelationsregister steht, d. h., wenn der letzte Wert des Signalabschnitts in das Schieberegister eingelaufen ist.

Das erläuterte Verfahren läßt sich auf einem herkömmlichen Digitalrechner PC (vgl. Fig. 1), beispielsweise auf einem Personalcomputer, in der Programmiersprache BASIC realisieren. Ein Beispiel für ein solches Programm mit den beiden oben er läuterten Alternativen ist unten angegeben.

Die Detektionssignalwerte s aus einem Schieberegister SR gemäß Fig. 6 werden bei der Ausführung dieses Programms mit den Mustersignalwerten m eines weiteren Schieberegisters SK korre liert, wobei das Ergebnis im Schieberegister RG abgelegt wird. Bevor ein Signal in ein Eingangsschieberegister SE eingegeben wird, werden die dort bereits gespeicherten Werte um eine Zelle nach rechts bzw. links verschoben (Programmzeilen 50 . . . 70); dabei fällt der "älteste" (ganz rechts bzw. links stehende) Wert heraus. Dann wird der neue Wert eingegeben (Programmzeile 80). Anschließend beginnt die eigentliche Korrelation (Pro grammzeile 100 . . . 120), deren Ergebnis in das Ausgangsregister SG eingeschrieben wird (Programmzeile 130). Das Eingeben der Daten in die Korrelatoranordnung nach Fig. 6 sowie das Ablegen der Ergebnisse wird durch die Schleife mit der Laufvariablen (Programmzeilen 40 . . . 140) vorgenommen.

Die Korrelation läßt sich zur weiteren Verdeutlichung mathema tisch durch ein Matrizenprodukt wie folgt darstellen. Für den i-ten Korrelationswert g_i gilt:

und für den folgenden Wert

dargestellt werden.

Ein weiteres Beispiel zur Ausführung des Verfahrens wird anhand der Fig. 7 erläutert, wo oben das Mustersignal M an gegeben ist, auf das die Korrelation einzustellen ist. Ein Korrelator K wird symbolisch durch einen Block dargestellt, in den die Mustersignalwerte m eingezeichnet sind. Diese stimmen mit den Mustersignalwerten m überein, nur sind sie von rechts nach links angeordnet, da das Mustersignal M hier von links eingeschoben wird. Unter dem Korrelator K sind die Eingangs und Ausgangssignale S, G angegeben. Die Eingangssignalfolge besteht hierbei aus einem Mustersignal M und einer Zufallsfolge (beide getrennt durch eine Anzahl von Nullwerten). Am Ausgang des Korrelators K erscheint, sobald das Muster M voll im Kor relator K steht, ein deutliches Maximum. Verläßt der Muster abschnitt den Korrelator K, werden die Werte am Ausgang klei ner. Die anschließende Zufallsfolge ist trotz ihrer größeren Amplitude nicht in der Lage, ein Ausgangssignal zu liefern, welches das Korrelationsmaximum G_max des Mustersignals M er reicht, d. h., die Zufallsfolge enthält keinen Abschnitt, der mit dem Mustersignal M übereinstimmt.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die Erfindung ist vor allem bei der Überwachung und Diagnose von Maschinen mit rotierenden Teilen in Produktionsanlagen anwendbar.

Claims

1. Verfahren zur Diagnose der mechanischen Eigenschaften von Maschinen, die rotierende Bauteile aufweisen,

- bei dem Schwingungen der rotierenden Bauteile und/oder der gesamten Maschine als Detektionssignal (S) erfaßt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Detektionssignal (S) mit einem schnellen Frequenztrans formationsverfahren (FFT) aus dem Zeitbereich in den Fre quenzbereich transformiert wird und daß
- im Frequenzbereich das Detektionssignal (S) mit einem Muster signal (M) verglichen wird und Abweichungen des Detektions signals (S) vom Mustersignal, das bei einem vorgegebenen Normalzustand oder bei bekannten Fehlerbildern gebildet ist, angezeigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

- das Mustersignal (M) und das Detektionssignal (S) jeweils als Beschleunigungssignal (a_M(t) bzw. a_S(t)) aufgenommen werden,
- sodann jeweils in ein Geschwindigkeitssignal (V_M(t), V_S(t)) oder ein Wegsignal (S_S(t); S_M(t)) umgewandelt werden,
- diese Signale (V_M(t), V_S(t); S_S(t), S_M(t)) digitalisiert und in den Frequenzbereich transformiert werden und daß
- das Mustersignal (M) und das Detektionssignal (S) mit Hilfe eines Korrelatorprogramms in einem Digitalrechner (PC) mit einander verglichen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß

- eine Anzahl von Mustersignalen (M) bei vorgegebenen Fehler bildern der Maschine ermittelt und in einem Speicher (SP) des Digitalrechners (PC) abgelegt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- zur Korrelation die einzelnen Spektralanteile der Frequenz spektren in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten des Mustersignals (M) und des Detektionssignals (S) miteinander multipliziert werden und eine Addition aller so gewonnenen Produkte vorgenommen wird, wobei
- nach jedem dieser Verfahrensschritte die Spektralanteile entweder des Mustersignals (M) oder des Detektionssignals (S) gegenüber dem jeweils anderen Signal um einen vorge gebenen Betrag (Δf) im Frequenzbereich verschoben werden und die Korrelation jeweils neu durchgeführt wird, so daß sich ein Gesamtkorrelationswert als Ver gleichsergebnis ergibt.