用于对工业设备的故障诊断进行辅助的方法和装置的制作方法

专利名称：用于对工业设备的故障诊断进行辅助的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对工业设备的故障诊断进行辅助的方法。本发明还涉及一种相应的装置。
背景技术：
所述工业设备的概念在此处及后文中尤其是指化工业、饮食业、环保技术、制药产业或天然气石油工业领域中的一种过程技术设备或方法技术设备。
这种(工业)设备通常还包括多个单独的、相互连接的设备组件。其中，方法技术设备或过程技术设备的典型设备组件包括容器、反应器、管线、零配件等等。所述设备组件在原材料、尤其是流体的制造流程的过程中经过原材料的改造/加工成为由此形成的产品。
各个单独的设备组件通常均有相应的工艺参数或工作参数。其中，所述工艺参数说明各个设备组件的或者在设备组件中待加工流体的一种在流程过程中通常可以改变的状态。这些工艺参数一方面尤其包括流体的温度、压力、流量速度或者与此相对应的质量流量。另一方面，所述工艺参数也还可说明与每种设备组件相应的调节状态，例如阀位置(“打开”、“关闭”、“部分关闭”)或泵的功率或者对应的转速。
下面将上述工艺参数分为两类即可观测到(测量技术可测)的工艺参数以及那些不可观测到的工艺参数。
可观测到的工艺参数大多(至少部分地)显示在工业设备的操作台或控制台的操作屏上。其中，所述操作屏通常会显示出设备的图解的且大多为简化的工艺流程图。其中， 所述操作屏包括多个“操作对象”，其中，每个操作对象分别对应于一个设备组件。其中，所述操作对象用于显示该设备组件的实际工作数据(尤其是可观测到的工艺参数的实际值、 额定值以及设计值)。若在设备运行中出现故障，工艺参数由此与给定的额定值之间的偏差大于某个特定的警告阈值，那么就通常由操作对象(以图形的方式)发出警告。
然而，由于设备大多具有的极高的复杂度以及上述操作屏的不完整性，借助这种报警发现故障原因并能够由此予以排除的工作通常非常困难并且相应地也十分耗时。但若过迟识别到故障原因，又可导致生产上的损失，因此，总是希望能够提前识别到故障发生的原因。发明内容
因此，本发明的目的在于，简化工业设备的故障诊断。
在一种用于对故障诊断进行辅助的方法方面，上述目的根据本发明通过权利要求 I所述的特征得以实现。其中，所述方法用于对工业设备的故障诊断进行辅助，该工业设备具有多个通过管线系统相连的设备组件。在所述方法的范畴中设计为，为设备创建一个定向的、加权的图形系统。为了创建所述的图形系统，每个设备组件均分别对应多个给定的、 抽象的组件类型中的一种。在流程的过程中由所选定的起点出发沿其管线逐个组件地处理工业设备的RI工艺流程图(“管线_/工具-图示”)。其中，分别在到达一个组件时访问一个根据组件类型与该组件对应的组件图(也即按照组件类型)。因此，为每种特定的组件选出那些为与该组件相对应的组件类型所存储的组件图。各个单独的组件图最终组合成为一个由加权的、定向的工业设备(总)图组成的系统，其中，其节点分别对应于多个单个的设备组件或者其所属的工艺参数。
下面根据所谓的图理论借助“图”概念来表示一种示图，其表示了设备组件的各个单独的工艺参数以及存在于设备组件的各个单独的工艺参数之间的联系以及相互作用。其中，每个设备组件或者每个工艺参数均对应于一个“节点”。下面将各个单独的节点之间的连接称作“边线”。只要所述边线显示出一个独立的工艺参数对于另一个取决于它的工艺参数的一种相应的相互作用，该边线即为“定向”的。在图中用沿作用方向示出的箭头来表示定向的边线。
在本发明的范畴中始终观测“加权”的图。其中，每个边线均对应于一个数值。
在本发明的一个优选实施例中，每个工艺参数为此均对应于一个所谓的“状态 (Zustand)”，其中，当所对应的工艺参数处于为其给定的有效范围内时，所述状态会被看作 “O”或“正常”。若一个工艺参数偏离了该有效范围，那么，就不再属于正常状态。那么，例如若该工艺参数超出有效范围的上限，就会被赋予“正状态”或者“ + ”，或者若其低于有限范围的下限，就会被赋予“负状态”或者
若被观测的工艺参数的这种偏差引起另一个相关的工艺参数发生同向的偏差，那么在上述实施例中，由该工艺参数-节点指向与其相关的工艺参数的节点的边线即被正加权(“+I”)。其中，当两个工艺参数的上述状态具有相同的符号时，其偏差就会被看作为同向的。据此，在反向的变化的情况下，即当两种状态具有不同的符号时，边线被负加权(“-I”)。
此外，优选设计为，从工艺参数的有效范围来观测各个工艺参数的偏差程度大小。 其中，若相关工艺参数的偏差无法通过某些情况下存在的调节回路得到调整，该偏差即被看作是“显著”的偏差，而“微弱”的偏差则可通过调节回路得以平衡。其中，优选设计为， 工艺参数在显著的正或负偏差的情况下被赋予“+10”或“-10”的状态。并且，当相关的从属的工艺参数发生显著的同向或者反向变化时，边线即以“+10”或“-10”加权。然而，同样能够采用其它分级。
在根据本发明的方法的范畴中，将这一类按照种类予以详细说明的且相对于设备或者其它设备组件而言具有独特工作方式的设备组件称作“组件类型”。一种典型设备的组件类型例如尤其包括“阀”、“容器”(也被称作“储罐”)、“管线部段”、“泵”、“流量测量器”、 “压力传感器”等等。
在根据本发明的方法的过程中所使用的组件图成对地对应于所设的组件类型。因此，为每种组件类型存储一种相对应的组件图。每种组件图在本发明的优选构型中均包括至少一个与设备组件的一个工艺参数相对应的第一节点，以及至少另一个与所观测的工艺参数相关的一个工艺参数相对应的其它节点。此外，所述组件图还包括至少一个定向的、加权的且连接第一节点与另一个节点的边线。其中，所述组件图会针对所观测的某种组件类型，以普遍的形式说明其中的设备组件或者说其所对应的工艺参数或其所对应的工艺参数与其它设备组件或者工艺参数之间的相互作用。
为了更好地与始终仅用于描述单独一种设备组件的上述组件图区分开来，也将那种或者每种根据本方法的、待创建的总设备或包含多个组件的一部分设备的图形称为“总图”。总图系统在简单设备中可由唯一一个总图构成。所述系统在更复杂的设备中则通常由多个分别对应于设备的一部分、尤其是其子系统或运行状态组的总图构成。下面进一步对“子系统”与“运行状态组”的概念进行说明。
优选始终将某个容器或者某个管线分支选作上述的逐个组件来处理特定设备在本方法中所用的RI工艺流程图的起点。该管线优选沿设备中待加工流体的流动方向排布。
在制作RI工艺流程图时，各个单独的组件图就几乎用作为模型(或者-在面向对象的编程的术语表中-类别)，其通常可以任意地实例化，也就是说通常可以对其任意地进行访问。
那么，在根据本发明的方法的过程中所创建的总设备或一部分设备的图就可有利地用于故障原因分析，因为其会显示出设备内部的故障关联。
借助上述方法，有利地能够甚至在非常复杂的工业设备中系统地创建相对应的图形。这样也尤其能够自动地从存储的组件图中创建特定设备的各个总图。由于尤其是甚至在工业设备的设计阶段就已提供了通常用于各种工业设备的RI工业流程图，因此，上述方法有利地可用于几乎各种任意的工业设备。
根据本方法来创建某个或每个总图，尤其会在没有任何或者仅有很少的关于特定设备在其运行中的状态的经验信息的情况下简化故障原因分析。因而，尤其能在主动进行故障查找及预防时有利地应用于设备的设计阶段。
在本方法的一个优选实施例中，无论是某个或每个总图，还是组件图均分别以邻接矩阵(Adjazenzmatrix)的形式示出。各个邻接矩阵以下述方式来表示相对应的图使得每列或每行均对应一个节点，并且阵列的各个单独的元素分别相应于在相关的行中所表示的节点与由相关的列表示的节点之间连接的定向边线。其中，输入信息自身作为数值反映了相关边线的加权。
为了确定对应于各个邻接矩阵的工艺参数，工艺参数向量均对应于每个邻接矩阵。所述工艺参数向量作为向量元素包括所有在相应的图中作为节点出现的工艺参数。其中，向量元素的顺序被转为(Ubertragen)矩阵的列输入信息或行输入信息的顺序。也就是说，在邻接矩阵的第i个行与第j个列中的元素相应于连接工艺参数向量的第i个向量元素(工艺参数)与第j个向量元素(工艺参数)的边线。
为了创建设备的某个或每个总图的总邻接矩阵，优选设计为，首先以相应的非特定组件的邻接矩阵的形式给出每个组件图。其中，非特定即意味着，在相应的工艺参数向量中以普遍的、而非实例化(即具体规定)的方式说明各个单独的工艺参数。
在所述方法的过程中，优选根据RI工艺流程图首先对特定设备的所有设备组件进行明确标记、尤其是编号并且由此规定。由此形成总设备或部分设备的工艺参数向量。
此外，在本方法的有利的实施方式中，根据所观测的设备工艺参数的数量为某个或每个总图创建-首先是空的、即数值未定的-总邻接矩阵。然后，逐个组件地来“填充”该总邻接矩阵。其中，-由所选定的起点出发-为每个特定的设备组件，沿着加工路线通过下述方式确定并规定(或者实例化)对应的组件邻接矩阵和对应的工艺参数向量用特定设备对象的特定工艺参数来取代组件邻接矩阵所依据的组件类型的未定的工艺参数。例如，在规定的过程中，用特定管线部段“R01215”的特定输入压力“Pi_R01215”来取代通常以“Pi” 来表示的组件类型“管线部段”的输入压力。然后，按照特定的工艺参数将组件邻接矩阵中所输入的信息转移到总邻接矩阵中。其中，沿管线逐个访问工业设备的各设备组件，直到所有设备组件的相关信息均被输入到总邻接矩阵中。
在本方法的一个尤其利于该方法自动化的设计方案中设计为，设备的RI工艺流程图尤其是以XML (“Extensible Markup Language”可扩展标记语言)格式存储在数据库中。组件邻接矩阵同样也又尤其以XML格式而存储在同一个或者另一个数据库中。
在本发明的改进方案中，设备的某个或每个总图在其创建完成后会由于不同于实体设备组件的、额外的故障原因节点得以扩展。在这些故障原因节点中存储了工业设备的一个或多个工艺参数上出现典型故障原因的后果如堵塞、泄漏、传感器或泵的失灵等。每个故障原因节点就相应地包含连接某个或每个总图中的一个或多个与实体设备组件相对应的节点的定向的、加权的边线。附有故障原因节点的总图在下文中被称为“诊断图”。
在优选实施方式中，每个故障原因节点均对应于所存储的多个故障原因类型中的一个，其中，又为每个故障原因类型尤其以XML格式存储一个其所对应的故障原因邻接矩阵。对故障原因节点的处理方法与实体设备组件所对应的节点的处理方法相同。
在确定其中一个设备组件的被观测的工艺参数与正常状态存在的差异的情况下，优选借助用于发现可能的故障原因的所谓的ESFA (“Extended Symptom-Fault Association (扩展型征兆-故障关联)”)方法来评估总图或诊断图，例如在D. S. Nam et al.中，Automatic Construction of Extended Symptom-Fault Associations from the signed Digraph(扩展型征兆-故障关联在符号图中的自动构建)“，Computers & Chemical Engineering (电脑 & 化学工程)，20，605-610，1996 中所述。
优选以图形的方式例如在工业设备的操作屏的一个分离的显示区域上显示出这样得出的可能的故障原因。
优选借助关于设备状态的历史数据、尤其是通过SOM (“self organising maps” 自组织映射)来识别可观测到的偏差。附加的或可替换的是，可借助固定给定的警告阈值识别某个偏差，所述警告阈值被存储为与每个可观测的工艺参数相对应。
为了确保复杂设备中的总图系统尽可能清晰明了，在本方法的一个优选实施例中设计为，首先将所述RI工艺流程图分为各个子系统，其中，所述子系统可有选择性地重叠。 其中，一组通过包含多个管线部段的管线系统而相互连接的设备组件即被看作子系统。因此，为每个子系统创建一个子系统图。各个单独的子系统图可以可选地作为单个总图的系统而形成过程结果(Verfahrensergebnis),或者被组合成为一个更大部分设备或者总设备的综合总图。
其中，优选这样来选定各个子系统，使其所对应的设备组件仅影响自身子系统的工艺参数并且不会与另一个子系统的设备组件或者说设备组件的工艺参数相互影响。已被证明为十分有效的是，分别选择一个容器作为用于区分两个子系统的分界组件。
在另一个易于实施的优选实施例中，将RI工艺流程图分为各个运行状态组。其中，一个运行状态组包括那些在特定的运行状态中所使用的设备组件以及串联于其间的管线部段。将设备的一种至少与另一种运行方式或运转方式有所区别的、特定的运行方式或运转方式称作运行状态。其中，为每种运行状态创建一个相对应的运行状态图，其相应地仅包括在每种运行状态中所涉及到的工艺参数作为节点。可尤其由此区分各种运行状态即在运行状态的每种状态中，设备组件的另一个子群组正常运转，其它设备组件则停止运转。因此，在某种运行状态中处于运转的设备组件可被看作一个构成子设备的单元。其中，运行状态组可由上述子系统中的一个或多个子系统构成。相应的子系统图可以可选地被组合成为分别对应的运行状态组的运行状态图。在这种情况下，运行状态图作为总图系统就形成了过程结果。
由于在同时存在于同一个工业设备中的情况下，泵与阀之间的作用关系并不明确，在这种情况下被证明为有效的是，两次经过RI工艺流程图以创建两个总图。在第一次经过时，处理除泵以外的所有组件，其中，创建第一个总图(如下“阀-总图”)。在第二次经过RI工艺流程图时，处理除阀以外的所有组件，其中创建设备的第二个总图(如下“泵-总图”)。其中，不要将所述“第一个”和“第二个”的概念理解为强制性的时间顺序。在本发明的范畴中，尤其是“泵-总图”可在“阀-总图”之前或者与其同时(即并行)创建。在具有多个运行状态组的复杂设备中，运行状态组又分别由多个子系统构成，总图系统因此尤其可包括用于每个运行状态组或者甚至是用于每个运行状态组的每个子系统的一个泵-总图以及一个阀-总图。
在设备中存在的调节回路经常会给故障的识别与分析增加难度，因为表征故障的工艺参数偏差会被校正。因此，在本方法的一个优选变型中，通过以计算法来补偿调节结果的方式，在开始调节前得到通过调整参数调节的工艺参数的假定值。由此实现上述情况即基于调整参数的实际(观测)值和被调节的工艺参数的实际值以及在将调整的作用方式纳入考虑的条件下，在调节的介入(Eingriff )前回推出工艺参数的值。
根据本发明，上述目的由一种具有权利要求14所述的特征的装置得以实现。据此，该装置包括数据库，在数据库中存储了设备的RI工艺流程图以及组件图或者与该组件图相对应的组件邻接矩阵。此外，该装置还包括创建模块，该创建模块设计为用于按照上述的根据本发明的方法来创建设备的总图系统。该装置优选还包括一个诊断单元，该诊断单元设计为用于利用源自设备的某个或每个总图的诊断图以发现故障原因。


下面借助附图进一步阐明本发明的一个实施例。图中示出
图I示出具有多个设备组件的(工业)设备的第一个RI工艺流程图，其中，所述多个设备组件通过管线系统相互连接；
图2示出以RI工艺流程图的形式所示出的、表示管线部段的第一个组件类型；
图3示出与如图2的组件类型相对应的组件图4和图5示出在如图2或图3的图中所示出的、表示手动阀的第二个组件类型；
图6和图7示出在如图2或图3的图中所示出的、表示调节阀的第三个组件类型；
图8示出在如图3的图中所示出的、表征位于容器前的流动方向上的调节阀的第四个组件类型的组件图9示出在如图3的图中所示出的、表征位于容器后的流动方向上的调节阀的第五个组件类型的组件图10和图11示出在如图2或图3的图中所示出的、表示泵的第六个组件类型；
图12和图13示出在如图2或图3的图中所示出的、表示容器的第七个组件类型；
图14和图15示出在如图2或图3的图中所示出的、表示流量测量器的第八个组件类型；
图16示出在如图2的图中所示出的、表示压力测量器的第九个组件类型；
图17示出在如图3的图中所示出的、在“泵-总图”范畴内的第九个组件类型“压力测量器”;
图18示出在如图3的图中所示出的、在“阀-总图”的范畴内的第九个组件类型 “压力测量器”;
图19示出一种用于借助如图I的RI工艺流程图创建定向的、加权的设备总图的系统的方法的流线图20示出与第一种运行状态相对应的设备的定向的、加权的“泵-总
图21示出同样与第一种运行状态相对应的设备的定向的、加权的“阀
图22示出与第二种运行状态相对应的设备的另一个定向的、加权的“
图23示出另一个(工业)设备的RI工艺流程图24示出如图23的设备的一种定向的、加权的“阀-总图”；
图25示出一种用于对工业设备的故障诊断进行辅助的装置。图”；-总图”; 阀-总图’具体实施方式
在所有图中相对应的部件和尺寸均始终以同样的标号表不。
图I示出了第一个RI工艺流程图I，其表示第一(工业)设备2。
工艺流程图I包括表示多个组成设备2的(设备_)组件3的标记。工艺流程图I 此外还包括象征设备2的管线系统4的连接线，组件3通过该管线系统相互连接。
根据工艺流程图I所示，管线系统4包括多个管线部段5，其中，每个管线部段5始终连接两个设备组件3。
因此，在工艺流程图I中会看出，哪些设备组件3在设备2中相互连接并且该连接以何种管线技术的布置实现。在工艺流程图I中，还通过箭头来存储各个单独的组件在哪个流动方向6上相互连接。
无论是设备组件3、还是管线部段5，均分别对应一个或多个工艺参数7，工艺参数说明了设备中待加工流体的流体力学的特性(即压力、质量流率等)。
每个单独的设备组件3分别对应一种抽象的“组件类型”，其表征了特定设备组件种类和分别对应的抽象的工艺参数7。
在这里所示的实施例中，设备2根据工艺流程图I包括如下组件类型的设备组件 3，组件类型分别对应下述工艺参数7
-管线部段5，其所对应的工艺参数7是质量流量M；
-手动阀10，其所对应的工艺参数7分别是阀位置V;
-调节阀11，其所对应的工艺参数7分别是可控制的阀位置S;
-压力传感器12，其所对应的工艺参数7分别是压力P；
-可控制泵13，在此为离心泵的形式，其所对应的工艺参数7是调节信号SP；
-容器14，其所对应的工艺参数7分别是液面高度L；
-流量测量器15，其所对应的工艺参数7分别是质量流量M。
从流动方向来看，设备2具体是由表I中所含的(特定的)设备组件3组成的
权利要求
1.一种用于对工业设备(2)的故障诊断进行辅助的方法，所述工业设备具有多个通过管线系统(4)相连的设备组件(3)，其中，每个设备组件(3)可对应于多个抽象的组件类型(5，10-15)中的一个类型，其中，每个组件类型(5，10-15)均对应于一个加权的、定向的组件图(30，40，50，60，61，70，80，90，95，96)， -其中，由起点出发沿管线系统(4)逐个组件地处理所述工业设备(2)的RI工艺流程图(I); -其中，在每个设备组件(3)中均访问所述设备组件的根据所述组件类型(5，10-15)所对应的组件图(30，40，50，60，61，70，80，90，95，96);和 -其中，将各个单独的组件图(30，40，50，60，61，70，80，90，95，96)组合成为所述工业设备(2)的加权的、定向的总图(140，141，142)的一个系统，所述总图的节点分别对应于多个单独的设备组件(3)。
2.根据权利要求I所述的方法， -其中，以对应的组件邻接矩阵的形式设计每个组件图(30，40，50，60，61，70，80，90，95,96)； _其中，所有设备组件(3)对应于明确标记的、尤其是编号的、并且由此规定的工艺参数； -其中，根据所述设备组件(3)的被观测的工艺参数的数量创建所述工业设备(2)的某个或每个总图(140，141，142)的空的总邻接矩阵； _其中，由起点出发逐个组件地借助明确标记所述设备组件(3)所对应的工艺参数分别为设备组件(3)规定与每个组件(3)的具体工艺参数相关的组件邻接矩阵；和 -其中，所述组件邻接矩阵中的每个元素均按照规定被转移到各个总邻接矩阵中的相应的对应位置上； -其中，沿所述管线系统(4) 一直连续地访问所述工业设备(2)的所述设备组件(3)，直到对于所有设备组件(3)而言都已实现了输入到各个总邻接矩阵中。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中，将RI工艺流程图(I)的容器(14)或管线分支选定为起点。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的方法，其中，所述管线系统(4)沿流动方向排布。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的方法，其中，存储故障原因的后果，和其中，将每个故障原因作为额外的故障原因节点(151)和所述故障原因的后果以至少一个加权边线(152)的形式添加到某个或每个总图(150)中，以构成定向的、加权的诊断图(175)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，当一个设备组件(3)的可被观测的工艺参数与正常状态之间出现偏差时，运用ESFA方法对诊断图(175)进行评估，以得出可能的故障原因。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过与所述工业设备(2)的历史数据的对比来识别所述偏差。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，借助固定设计的警告阈值来识别所述偏差。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的方法，其中，RI工艺流程图(I)被分为各个单独的子系统，其中，首先为每个子系统创建一个子系统图作为总图或所述总图的一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，这样来选定各个单独的子系统，使得各个子系统的所述设备组件(3)不会相互影响，和其中，在两个子系统之间尤其分别使用容器(14)作为分界元件。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的方法，其中，所述RI工艺流程图(I)被分为各个单独的运行状态组(114，115)，其中，每个运行状态组(114，115)分别包括那些在对应的运行状态中所涉及的设备组件(3);和其中，为每个运行状态组(114，115)创建一个自身的运行状态图(140，141 ;142)作为总图，所述总图分别仅包括在各个运行状态中所涉及的、作为节点的设备组件(3)的工艺参数。
12.根据权利要求I至11中任一项所述的方法，其中，两次经过所述RI工艺流程图(1)，以用于分离泵(13)与阀(10，11)，其中，在第一次经过时处理除泵(13)以外的所有设备组件(3)，以用于创建阀-总图，和其中，在第二次经过时则处理除阀(10，11)以外的所有设备组件(3)，以用于创建泵总图。
13.根据权利要求I至12中任一项所述的方法，其中，基于经过调整参数调节的工艺参数的实际值以及调整参数的实际值而回推出所述工艺参数的假定值，其中，所述工艺参数在调节的介入前可能具有所述假定值。
14.一种用于按照根据权利要求I至13中任一项所述的方法对工业设备(2)的故障诊断进行辅助的装置(160)， -具有数据库(164)，在所述数据库中存储了 RI工艺流程图(I)以及设备组件(3)所对应的组件图(30，40，50，60，61，70，80，90，95，96)； _具有创建模块(170)，所述创建模块设计为用于实施根据权利要求I至13中任一项所述的方法。
15.根据权利要求14所述的装置(160)， _具有诊断单元(163)，所述诊断单元设计为用于实施用于发现故障原因的诊断方法。
全文摘要
为了对工业设备(2)的故障诊断进行辅助，该工业设备具有多个通过管线系统(4)相连的设备组件(3)，设计为每个设备组件(3)均对应多个抽象的组件类型(5，10-15)中的一个类型，其中，每个组件类型(5，10-15)又对应于一个加权的、定向的组件图(30，40，50，60，61，70，80，90，95，96)。由起点出发沿管线系统(4)逐个组件地处理工业设备(2)的RI工艺流程图(1)。其中，在每个设备组件(3)中均访问其根据组件类型(5,10-15)所对应的组件图(30，40，50，60，61，70，80，90，95，96)。将各个单独的组件图组合成为工业设备(2)的加权的、定向的总图(140，141，142)的一个系统，总图的节点分别对应于多个单独的设备组件(3)。
文档编号G05B23/02GK102981493SQ201210328510
公开日2013年3月20日 申请日期2012年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者托马斯·比尔魏勒, 安尼卡·西梅尔 申请人:西门子公司