本發(fā)明涉及一種用于在過程自動化中的振動分析的計算機實施的監(jiān)測方法，以識別機器故障或硬件故障。

背景技術(shù)：

1、由現(xiàn)有技術(shù)已知，監(jiān)測機器執(zhí)行的過程，以確定所使用的機器、計算機等是否出現(xiàn)錯誤或故障。為此通常使用傳感器，這些傳感器在過程進程期間連續(xù)地記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進行評估，以判定是否存在故障。例如由de?10?2018?222?562?a1已知，識別電機勵磁電路中的故障狀態(tài)，其中，對勵磁電流和控制信號進行濾波，并將其與參考值進行比較，作為由傳感器檢測的比較信號。由ep?0?934?567?a1已知一種對可測量到的時間序列的統(tǒng)計相關(guān)性進行分類的方法，其中記載了使用各種零假設(shè)的迭代測試。由de?10?2019107?363?a1也已知一種計算機實現(xiàn)的方法，其用來通過距離度量采用所謂的“變化點探測”來輸出工具機的磨損信號。然而，該方法通常并非足夠可靠地進行長期、全天候的觀測。

2、此外，借助零假設(shè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估也已在l.shalalfeh等人的論文《fractionaldynamics?of?pmu?data(pmu數(shù)據(jù)的分?jǐn)?shù)階動力學(xué))》(ieee?transactions?on?smart?grid，ieee，美國，第12卷，第3期，第1-11頁，2021年5月)中有所提及，論文編號為xp011850407，issn：1949-3053，doi：10.1109/tsg.2020.3044903。

3、此外由ep?0?907?913?b1已知一種用于診斷區(qū)分的方法，該方法使用直方圖測量調(diào)控偏差，其中，可以推斷出各種干擾源。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是，可以提出一種用于故障識別的監(jiān)測方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)特別可靠的故障識別。

2、該目的基于目前由現(xiàn)有技術(shù)已知的監(jiān)測方法，通過權(quán)利要求1的特征得以實現(xiàn)。

3、通過從屬權(quán)利要求中提到的措施，可以實現(xiàn)本發(fā)明的有利設(shè)計和進一步改進。

4、根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測方法旨在用于過程自動化中的振動分析。例如，可以通過探測振動及其偏差來檢查帶有轉(zhuǎn)子的機器(例如風(fēng)扇)是否存在可能的故障，例如根據(jù)趨勢緩慢發(fā)展的故障偏差等。因此，根據(jù)本發(fā)明的用于在機械執(zhí)行的過程中識別機器故障或硬件故障的監(jiān)測方法，所述機器故障或硬件故障由振動分析得出，首先還包括檢測在過程進程期間測量到的至少一組傳感器數(shù)據(jù)。這些由傳感器檢測的數(shù)據(jù)通常按時間序列記錄。但例如也可以設(shè)想，如果要由傳感器檢測兩個部件之間是否始終保持相同的距離，或者構(gòu)件是否由于加熱、不平衡或其他異常情況而未離開其預(yù)定的存儲位置，則該組傳感器數(shù)據(jù)可以表示局部序列或局部進程。

5、本發(fā)明的教導(dǎo)的特點在于，所力求的故障識別還可以包含故障預(yù)測。本發(fā)明認(rèn)識到，機器或硬件故障尤其是在監(jiān)測振動或旋轉(zhuǎn)時通常會“預(yù)報”，也就是說，機器的突發(fā)性自發(fā)故障很少會在沒有任何征兆的情況下發(fā)生，確切地說，故障通常會出現(xiàn)一些預(yù)示著故障且可測量到的癥狀性現(xiàn)象，因為例如與機器/硬件相關(guān)的測量變量會逐漸變化。變化的測量變量通?？梢杂蓚鞲衅鳈z測到，例如輸出電流、輸入電流、轉(zhuǎn)速(例如對于鼓風(fēng)機)等。通常情況下，機器或硬件可以繼續(xù)執(zhí)行其工作，有時最初甚至沒有或沒有明顯的生產(chǎn)質(zhì)量損失，直到機器發(fā)生較大的故障。

6、在這方面，本發(fā)明還可以實現(xiàn)優(yōu)化維護間隔，也就是說，對于現(xiàn)有的機器庫存，可以預(yù)測何時需要維護以及維護間隔應(yīng)該多長或多短。

7、根據(jù)本發(fā)明，認(rèn)識到如下困難：測得的傳感器數(shù)據(jù)受到統(tǒng)計誤差(特別是統(tǒng)計噪聲)的掩蓋，由此難以對各個測量到的傳感器數(shù)據(jù)進行評估，因為這些傳感器數(shù)據(jù)受到統(tǒng)計誤差的影響，并且即使不存在誤差也可能偏離預(yù)定的目標(biāo)值。

8、已認(rèn)識到，例如這種由傳感器檢測到的變量平均而言不會變化或變化緩慢，但該變量圍繞預(yù)期值的統(tǒng)計波動會增大。

9、此外，根據(jù)本發(fā)明首次考慮到，發(fā)生的故障通常會以各種方式影響所檢測的傳感器數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明，因此在評估和調(diào)查過程中首先處理統(tǒng)計異常，即首先無論其故障原因如何，因為事實證明，簡單的比較和檢測各個值的偏差不足以作為可靠的誤差識別的標(biāo)準(zhǔn)。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法可廣泛用于各種應(yīng)用，因為對被監(jiān)測的機器無需特殊前提條件，并且通常也只需要了解由傳感器檢測到的測量變量的一般預(yù)期行為，即使例如該測量變量只是一個隨時間恒定的值。

10、根據(jù)本發(fā)明，在發(fā)出警告信號之前，要檢查至少兩個、最好是至少三個標(biāo)準(zhǔn)。作為根據(jù)本發(fā)明被認(rèn)為在故障識別時至關(guān)重要的基本標(biāo)準(zhǔn)，檢查測量數(shù)據(jù)在預(yù)定的公差范圍內(nèi)是否恒定。為了能夠在很大程度上并行處理，在發(fā)出警告之前，在一個實施例中必要時甚至可以同時確定和檢查這些標(biāo)準(zhǔn)。

11、由于基本標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，并且相對于趨勢分析或突變調(diào)查等其他標(biāo)準(zhǔn)也代表了更通用的測試，其是趨勢偏差或突變偏差的基本條件，因此在第一步中也會首先檢查基本標(biāo)準(zhǔn)。只有當(dāng)該基本標(biāo)準(zhǔn)揭示偏差時，才會檢查其他標(biāo)準(zhǔn)。這些后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)也可以在時間上并行予以評估，以便更快地進行評估。

12、以有利的方式，本發(fā)明的一個實施例因而還提供了一種多級的(至少三級)警告系統(tǒng)，其中根據(jù)在故障識別時滿足的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量而定，顯示單獨的警告級別。以此方式，同時提供了一種監(jiān)測方法，其對發(fā)生的故障進行加權(quán)，從而操作員被提醒異常的嚴(yán)重程度，以及可以有針對性地評估是否以及采取何種措施來干預(yù)進程或機器的執(zhí)行。

13、如果在第一步中首先檢查基本標(biāo)準(zhǔn)，并在后續(xù)步驟中檢查其他標(biāo)準(zhǔn)，則警報系統(tǒng)也可以按有利的方式適應(yīng)這種情況，即發(fā)出考慮到該劃分的至少兩級的警報。

14、本發(fā)明特別適用于連續(xù)運行且其振動行為或振動特性與運行密切相關(guān)的系統(tǒng)的過程自動化。作為范例，應(yīng)提及用于潔凈室應(yīng)用的真空泵監(jiān)測或每周7天、每天24小時運行的風(fēng)扇的監(jiān)測。由根據(jù)本發(fā)明的對振動信號的分析，可以有利地很早期地提供對起初受損的指示，從而機器或系統(tǒng)在發(fā)生重大損壞和故障之前能夠得到及時的維修或維護。根據(jù)多種此類指示，還可以對維護間隔進行調(diào)整，即如果能夠估計此類損壞在運行過程中發(fā)生的頻率以及預(yù)期發(fā)生時間。該系統(tǒng)可針對長期監(jiān)測非?？焖俚剡m應(yīng)各種應(yīng)用。在優(yōu)選的改進中，作為所述傳感器，采用振動傳感器，以便例如監(jiān)測連續(xù)運行的風(fēng)扇、軸承、泵、真空泵或其他馬達(dá)。

15、例如，在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域可以存在一種有利的應(yīng)用，其中技術(shù)和生物過程相互作用，這有利于統(tǒng)計偏差的產(chǎn)生，并使需要干預(yù)的故障識別與簡單的統(tǒng)計偏差更加難以區(qū)分。另一個有利的應(yīng)用是在生產(chǎn)過程的冷卻領(lǐng)域(通風(fēng)機、風(fēng)扇等)。

16、根據(jù)本發(fā)明，計算并提供測量到的傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)期值。例如在統(tǒng)計評估時需要該預(yù)期值。測量到的傳感器數(shù)據(jù)的偏差可以參照預(yù)期值。預(yù)期值描述了隨機變量(在這里為傳感器數(shù)據(jù))至少在特定時間段內(nèi)的平均取值。即使存在趨勢，例如也可以檢查與預(yù)期值的偏差是否隨時間增大。對波動敏感性的確定也可以參照預(yù)期值。

17、根據(jù)本發(fā)明，因此規(guī)定了對至少一個記錄序列或至少一個記錄序列的一部分進行統(tǒng)計評估。在一個有利的實施例中，還檢查至少三個標(biāo)準(zhǔn)，以便能夠根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)中同時得到滿足的數(shù)量來分配相應(yīng)的警告級別。根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測方法通常作為計算機實施的方法予以執(zhí)行，其中以電子方式或計算機輔助方式評估傳感器數(shù)據(jù)。因此，這也克服了包含統(tǒng)計誤差或噪聲的信號無法從誤差和合理性方面進行統(tǒng)計評估的技術(shù)偏見。

18、根據(jù)本發(fā)明的統(tǒng)計評估是通過建立零假設(shè)來進行的。如果偏離零假設(shè)，或者偏離零假設(shè)的概率高于預(yù)定的顯著性水平α，則發(fā)出警告。

19、在本發(fā)明的特別優(yōu)選的改進中，例如可以在統(tǒng)計評估中檢查以下三個標(biāo)準(zhǔn)中的至少一個：

20、-可以使用統(tǒng)計方法來識別的典型誤差在于，在時間或空間序列中存在平均傳感器數(shù)據(jù)水平的跳躍。這種跳躍必須與個別偏差區(qū)分開來，個別偏差是由噪聲引起的，因此純粹是統(tǒng)計性的，并不存在真正意義上的誤差。例如，當(dāng)待測變量實際上經(jīng)歷突然出現(xiàn)的、但持續(xù)的變化(即偏離穩(wěn)定的行為)時，可能會存在這種跳躍形式的誤差。然而，例如也可想到由傳感器引起的導(dǎo)致這種水平偏差的誤差。因此，平均值(至少在較大的時間或空間間隔內(nèi)取平均值)會隨時間變化。

21、-另一個可通過統(tǒng)計方法識別到的誤差可以是，測量到的傳感器數(shù)據(jù)會按照一致的趨勢持續(xù)變化(“跑偏”)。于是在這種情況下，也存在與穩(wěn)定行為的偏差。時間平均值不斷地變化。

22、-即使平均值在較大的時間或空間間隔內(nèi)平均來看保持不變，但在發(fā)生誤差時，波動的敏感性或波動也會發(fā)生很大變化，或者尤其會增大。

23、在本發(fā)明的一個實施方式中，預(yù)期行為可以用模型函數(shù)來描述，該模型函數(shù)由描述平穩(wěn)行為的函數(shù)、用于為了對噪聲建模而表示隨機游移的函數(shù)以及描述隨時間/空間距離變化的趨勢行為的線性函數(shù)之和組成，以便能夠體現(xiàn)諸如背景噪聲或測量值漂移等典型影響。因此，測量值可以描述如下：

24、yt＝ct+δt+ut，

25、其中，yt表示建模的測量數(shù)據(jù)隨時間t(或位置)的變化，ut描述平穩(wěn)行為，ct表示隨機游移(例如用于模擬噪聲)，δt表示趨勢，即測量值的“跑偏”或“漂移”。

26、通過這些模型描述，可以針對可能出現(xiàn)的誤差，使得對預(yù)期誤差的統(tǒng)計評估在數(shù)學(xué)上具體化。通過這種模型描述，可以計算出諸如預(yù)期值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差等統(tǒng)計量。對于平穩(wěn)行為，可以通過求平均值來確定預(yù)期值。從模型中也可以計算出測量值與模型函數(shù)的偏差，即殘差。

27、由于測量值的趨勢-行為，尤其是測量值的連續(xù)漂移，可能代表誤差，因此在模型中起初假定δ＝0。

28、第一個標(biāo)準(zhǔn)是檢查測量數(shù)據(jù)平均水平是否存在突然的跳躍，即所謂的水平偏移。在平穩(wěn)行為的情況下，方差理想情況下等于0。如果測量值受噪聲影響，則方差位于某個預(yù)期值(此處理想情況下為平均值)附近。根據(jù)零假設(shè)，隨機游移分量ct的波動率等于零，并且僅在整體非平穩(wěn)行為(即使考慮到潛在噪聲)的情況下才不同于零。在非平穩(wěn)行為的情況下，只要在彼此接續(xù)的時間間隔內(nèi)重新確定預(yù)期值，該預(yù)期值本質(zhì)上也會發(fā)生變化。在這種情況下，在統(tǒng)計上觀察，例如出現(xiàn)了跳躍，該跳躍使得測量值在整體上如此強地偏移，以至于在確定方差下由于潛在噪聲導(dǎo)致的與預(yù)期值的偏差不再能通過噪聲行為來解釋。

29、對于零假設(shè)，可以使用平穩(wěn)kpss測試(kpss：kwiatkowski、phillips、schmidt和shin)：

30、對于數(shù)量t個測量值，于是可以認(rèn)為零假設(shè)的測試統(tǒng)計量為

31、

32、其中，st是在各個測量點t(通常是各個時間點t)相對于模型函數(shù)或回歸曲線的殘差et之和

33、st＝e1+e2+e3+...+et，

34、s2是相對于預(yù)期值的方差。在檢查第一個標(biāo)準(zhǔn)(是否存在水平偏移)時，通常有利的是，使用相對少量的測量數(shù)據(jù)，以由此形成檢驗函數(shù)中的和，因為在比較時相應(yīng)地也不需要使得數(shù)據(jù)中潛在跳躍發(fā)生的點位于要檢查的時間或位置區(qū)間內(nèi)。該測試統(tǒng)計遵循一定的分布。為了測驗零假設(shè)，現(xiàn)在可以檢查給定測試統(tǒng)計的概率有多大。在一定的概率或顯著性以下時，可以認(rèn)為零假設(shè)不正確。不應(yīng)被超過的顯著性水平α例如可以設(shè)定為1％；否則，與測試統(tǒng)計的偏差過大，需要發(fā)出警告。

35、如果模型函數(shù)的波動率＝0，則存在可能伴有噪聲的平穩(wěn)行為。

36、為了檢查第二個標(biāo)準(zhǔn)，即是否存在趨勢-曲線或測量數(shù)據(jù)是否持續(xù)“跑偏”，通常需要評估和比較更多的測量點。否則，針對此標(biāo)準(zhǔn)也可以采用kpss測試。作為條件，在模型函數(shù)中仍然假設(shè)δ＝0，因為否則必須假設(shè)存在趨勢-行為，并忽略自相關(guān)性。

37、如果現(xiàn)在顯著性小于某個預(yù)定的值，并且使用了大量的測量數(shù)據(jù)，則可以假設(shè)滿足第二個標(biāo)準(zhǔn)的趨勢-曲線。

38、但是，對第一個標(biāo)準(zhǔn)和第二個標(biāo)準(zhǔn)的檢查僅在測試數(shù)據(jù)的數(shù)量或測量到的時間間隔上有所不同。在此相應(yīng)地檢查：

39、-隨機游移項的波動率是為零還是在量值上大于設(shè)定值；和/或

40、-平穩(wěn)kpss測試的測試統(tǒng)計是否滿足某個預(yù)定概率。

41、為了檢查第三個標(biāo)準(zhǔn)，即波動范圍或波動敏感性是否穩(wěn)步增加，將兩個不同測試階段或測量范圍內(nèi)的方差相互比較就足夠了。待檢查的零假設(shè)是，方差始終一致或至少僅以預(yù)定概率偏離。如果波動范圍增大，則方差在后續(xù)時間或測量間隔內(nèi)也會增大。測試數(shù)據(jù)量可能比在檢查趨勢-曲線的第二個標(biāo)準(zhǔn)時要小。

42、因此，從統(tǒng)計學(xué)角度來看，顯著性也可以相對于預(yù)定的概率值來確定，其中，如果顯著性低于該概率值，則波動范圍增大，并且滿足第三個標(biāo)準(zhǔn)。