Technische Diagnostik - Aktueller Stand und Entwicklung

Technische Diagnostik Aktueller Stand und Entwicklung •Prof. Dr.-Ing. G. Meltzer •Technische Universität Dresden •Institut für Energiemaschinen und Maschinenlabor •D- 01062 Dresden •Telefon : +49-351-463 35372 •Telefax: +49-351-463 37298 •E-mail: meltzer@mal.mw.tu-dresden.de Instandhaltungskongress Dresden 5. und 6. November 2002 Technische Diagnostik Aktueller Stand und Entwicklung Prof. Dr.-Ing. habil. Gottfried Meltzer Technische Universität Dresden Monitoring oder Diagnostik Neue internationale Normung unterscheidet immer noch diese beiden Aktivitäten bei der Feststellung des Zustandes eines Systems oder Prozesses. Dabei soll durch einfache Überwachung (Monitoring) lediglich das Vorhandensein eines Fehlers oder Schadens detektiert werden. Die dazu erforderliche Signalaus- wertung ist relativ einfach, meist wird nur ein Diagnose- Merkmal mit einem Grenz- wert verglichen. Die Diagnostik beginnt nach der Entdeckung eines Schadens und dient der Identifi- zierung und Lokalisierung des Schadens und der Abschätzung seines Ausmaßes. Dazu sind meist mehrere Merkmale aus dem Diagnosesignal zu extrahieren, welche erst in ihrer Kombination eine befriedigende Aussage über den Schaden geben. Gegenwärtige Überwachungsstrategien geben nicht die Gewähr für eine sichere De- tektion des Schadens. Deshalb ist es nützlich, bereits in der Überwachungsphase die gesamte Signalverarbeitung der Diagnosephase auszuführen. Das ist durch die computergesteuerte Mess- und Auswertetechnik problemlos möglich. Monitoring und Diagnostik im herkömmlichen Sinne verschmelzen deshalb mehr und mehr zu einer leistungsfähigen Aktivität. Monovariate und multivariate Diagnostik Bei monovariater Diagnose lässt sich der Zusammenhang zwischen Schaden und Diagnosemerkmal in Form einer Kennlinie darstellen. Diese gilt nur bei festgelegten Referenzbedingungen, welche während der Diagnosemessung einzuhalten sind. Multivariate Diagnose erfordert zwar mehrere Merkmale, u.U. sogar mehre Messsig- nale, lässt aber auch die Identifikation von Schäden nach Art, Lage und Größe zu und kann auch unterschiedliche Betriebsbedingungen respektieren. Als Diagnose- modelle kommen Klassifikatoren oder neuronale Netze in Frage. Für beide Gruppen steht ausreichend Entwicklungssoftware zur Verfügung. Der Übergang von datenbasierten zu regelbasierten Diagnosemodellen Das Anlernen von multivariaten Diagnosemodellen erfordert umfangreiche Messun- gen an Objekten unterschiedlichen Zustands oder die Computersimulation der Merkmale für unterschiedliche Zustände. Um diesen Aufwand zu verringern, kann man a- priori- Kenntnisse über das schadensbedingte Verhalten des Diagnoseobjek- tes einbringen und in Regeln fassen. Man nähert sich dadurch schon Systemen künstlicher Intelligenz an. Auch für dieses Vorgehen ist software verfügbar. Innovative Signalanalyse- Verfahren Schwingungsdiagnostik ist das verbreitetste Diagnoseverfahren. Da vibro- akustische Diagnosemerkmale drehzahlabhängig sind, ist eine zuverlässige Diagnose nur bei konstanter Drehzahl möglich. Da zum anderen vibro- akustische Diagnosemerkmale als „Durchschnittswerte“ über eine endliche Messdauer gebildet werden, ist eine Er- kennung kurzzeitiger Störungen ebenfalls meist nicht möglich. Zeit- Frequenz- Vertei- lungen als Ergebnis innovativer Verfahren der Signalverarbeitung (z.B. WIGNER- VILLE- Verteilung oder Wavelet- Transformation) lassen eine Zustandsdiagnostik auch während Anlauf- oder Auslaufvorgängen oder bei örtlich konzentrierten Schä- den zu. Kostensenkung durch Mikrosystemtechnik Zustandsüberwachung und –diagnostik kostet Geld. Notwendige Anschaffungen müssen sich durch Verringerung von Produktionsausfällen und Havarien amortisie- ren. Geringwertige Module in verketteten Produktionsanlagen verteuern sich durch eine integrierte Überwachungseinrichtung unverhältnismäßig stark. Das Suchen nach billigen Diagnoseeinrichtungen macht sich erforderlich und lässt sich durch Einfüh- rung der Mikrosystemtechnik voranbringen. Gegenwärtig verfügbare Technik Die Überwachungs- und Diagnosetechnik ist bereits weit ausgereift. Sie reicht vom tragbaren Überwachungsgerät mit und ohne Rechneranschluss über Diagnosesys- teme mit Datenfernübertragung bis hin zu komplexen fest installierten Diagnoseein- richtungen. Bei fast allen ist heutzutage die computergestützte Auswertung der Messsignale eine Selbstverständlichkeit. Die computergestützte Verwaltung der Er- gebnisse mit integrierter Zeittrendanalyse und Alarmgebung als nachfolgender Schritt ist aber noch nicht zur Selbstverständlichkeit geworden. Zum Vortragsteil über Ziel und Arbeitsstufen der technischen Diagnostik sowie die verfügbaren Hilfsmittel werden die nachfolgenden Folien bereitgestellt. Tiefergehende Erläuterungen finden sich im Internet als Lehrmaterial „Einfüh- rung in die Technische Diagnostik“ unter http://mlu.mw.tu-dresden.de Zu innovativen Entwicklungen in der technischen Diagnostik wird auf die Lite- ratur MELTZER, G.: Stand und Tendenzen der Schwingungsüberwachung und –diagnostik / Innovative Diagnosetechnik VDI Berichte Nr. 1466 (1999) Seiten 1-29 verwiesen. Weitere Auskünfte zu Literatur, Normung und Anwendungen gibt Ihnen gern der Autor. Was ist Technische Diagnostik? Sicherheit Qualitäts- Optimale Instandhaltung Zuverlässigkeit management Betriebsführung Technische Diagnostik Systembeschreibung Entscheidungsfindung Messtechnik Mechanik/Kybernetik Expertensysteme Prozessleittechnik Definitionen Sicherheit : Gefährdungsfreiheit für Mensch, Umwelt und Sachgüter Zuverlässigkeit: Fähigkeit ..., den durch den Verwendungszweck bedingten Anforderungen ... zu genügen Werkzeuge von Sicherheitsanalyse Zustandsdiagnostik Probabilistische Berechnung der System-Ausfallwahrscheinlichkeit Experimentelle Bestimmung des technischen (prognostisch, typspezifisch) Zustandes (aktuell, exemplarspezifisch) Wechselbeziehungen Systemschwachstellen Veranlassung der Diagnose der Systemschwachstellen Aktualisierung der rechnerischen Ausfalldaten aktueller technischer Erhaltungszustand der Systemkomponenten (aktuelle Ausfallwahrscheinlichkeit) Qualitätsmanagement und technische Diagnostik Obwohl das europäische Standardwerk zur Qualitätssicherung den Begriff „Technische Diagnostik“ überhaupt nicht erwähnt, ist der Vorgang der Technischen Diagnostik an zentraler Stelle im Qualitätsmanagement enthalten und auch unentbehrlich. Dabei ist es zunächst von sophistischer Natur, ob man sich der Termini „Überwachung“ (etwa: Detektion von Fehlern in Prozessen oder Systemen) oder „Technische Diagnostik“ (umfasst darüber hinaus auch die Erkennung der Art und des Ausmaßes der Fehler) bedient. Wechselbeziehungen zwischen Qualitätsmanagement und technischer Diagnostik Das moderne Qualitätsmanagement basiert auf der Prämisse „ .. Die Lenkung des Prozesses selbst der alleinigen Prüfung des fertigen Produktes vorzuziehen...“ (DIN ISO 9000–2, Abschnitt 4.9) Dazu gehören u.a. „...Beobachtungs- und Überwachungstätigkeiten, welche der Verschlechterung oder Beeinträchtigung einer Einheit (z.B. eines Prozesses) im Laufe der Zeit vorbeugen können ...“ (DIN ISO 8402, Abschnitt 4.7) und „... Eine zweckmäßige Instandhaltung von Einrichtungen, um fortdauernde Prozessfähigkeit zu gewährleisten ...“ (DIN EN ISO 9001, Abschnitt 4.9) Meßsignale Proze ßeigenscha ften Diagnose- Proze ßzustand Produkt- merkmale Anlage nzustand qualität Diagnose- Prozeß- modell modell Individueller Anfangsschaden S (0) und individuelle Einsatzbedingungen einzelner Exemplare verursachen einen individuellen Schadensverlauf S (t) und eine breite Streuung des Ausfallzeitpunktes tgrenz ∆N λ= Die „Badewannenkurve“, welche die Ausfallrate ∆t ⋅ N (t ) einer Grundgesamtheit N0 widerspiegelt, hat nur probabilistische Aussagekraft Frühausfälle Abnutzungs- ausfälle Zufallsausfälle t0 t1 t2 t Instandhaltungsstrategien und ihre Eigenschaften Operative Instandsetzung: Produktionsausfälle und (breakdown maintenance) Unfälle sind wahrscheinlich turnusmäßige Instandsetzung: erhöhter Instandhaltungsaufwand (preventive maintenance) durch unnötige Instandsetzung Zustandsabhängige Instandsetzung: Zustandsinformationen durch (predictive maintenance) Techn.