WO2002079885A2

WO2002079885A2 - Verfahren und vorrichtung zur instandhaltung mit simulationsmodell

Info

Publication number: WO2002079885A2
Application number: PCT/DE2002/001013
Authority: WO
Inventors: Lueder Heidemann; Hansjürgen SEYBOLD
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2002-10-10
Also published as: WO2002079885A3; EP1373998A2

Abstract

Zur präventiven Erkennung von Instandhaltungsbedarf wird ein realer Prozess simuliert und die Simulation mit dem realen Prozess synchronisiert. Durch den Vergleich zwischen dem realen Prozess und der Simulation in verfahrenstechnischer Hinsicht lassen sich Störung frühzeitig erkennen und Instandhaltungsmassnahmen entsprechend managen. Dadurch können Ausfallzeiten einer Anlage reduziert und einzelne Prozessschritte optimiert werden.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Instandhaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Instandhaltung eines Systems, in dem^' ein Real- prozess abgewickelt wird.

Üblicherweise werden erforderliche Instandhaltungsmaßnahmen ereignisgesteuert oder zeitgetriggert durchgeführt. Bei ereignisgesteuerten Instandhaltungsmaßnahmen wird eine Prozesskomponente ausgetauscht oder repariert, wenn diese ausgefallen ist. Demgegenüber werden bei zeitgetriggerten Instandhaltungsmaßnahmen in regelmäßigen Zeitabständen Wartungsmaßnah- men durchgeführt, wodurch ein Ausfall der Prozessanlage verhindert werden soll.

Die präventive Instandhaltung ist insbesondere bei sehr komplexen Anlagen von herausragender Bedeutung. Der Ausfall bei- spielsweise einer Produktionsanl.age kann sehr hohe Kosten hervorrufen. Daher werden komplexe Anlagen häufig durch Sensoren überwacht, und die Messwerte dafür verwendet, um Instandhaltungsbedarf zu erkennen. Typischerweise werden hierzu Messwerte von Anlagenkomponenten erfasst und während des Pro- zesses mitgeschrieben. Aus den Veränderungen der Messwerte lassen sich Tendenzen erkennen, die unter Umständen Instandhaltungsmaßnahmen erfordern. So kann beispielsweise der Druck in einer Anlage im Laufe der Zeit ansteigen, was beispielsweise auf eine Verstopfung einer Rohrleitung hinweist. Dar- über hinaus können Vibrationen Rückschlüsse auf einen Lagerverschleiß geben oder das Messen des Phasenwinkeldreiecks in einem Antrieb auf einen ungünstigen Schlupf hinweisen. Nicht bei jeder Anlage lassen sich jedoch die einzelnen Komponenten ständig auf Verschleiß und dergleichen überwachen. So kann eine Überwachung beispielsweise bei sehr hohen Prozesstemperaturen, sehr kompakter Anlagenbauweise oder zu hoher Komplexität von Einzelkomponenten unwirtschaftlich sein. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Möglichkeiten zur Erkennung von Instandhaltungsbedarf von Anlagen und Systemen zu verbessern bzw. zu erweitern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Instandhaltung eines Systems durch Ausführen eines Realprozesses in dem System, Ausführen eines Simulationsprozesses zeitlich parallel zu dem Realprozess, wobei der Simulations- prozess zumindest einen Teil des Realprozesses simuliert, Vergleichen des Simulationsprozesses mit dem Realprozess oder dem Teil davon unter Gewinnen eines Vergleichsergebnisses und Ableiten von Instandhaltungsmaßnahmen aus dem Vergleichsergebnis .

Ferner wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Instandhaltung eines Systems, auf dem ein Realprozess mit einem oder mehreren Realprozessschritten ablaufbar ist, mit einer Simulationseinrichtung zum Simulieren zumindest eines Teils des Realprozesses durch einen Simulati- onsprozess, wobei der Simulationsprozess zeitlich parallel zu dem Realprozess ausführbar ist, einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Simulationsprozesses mit dem Realprozess unter Gewinnen eines Vergleichsergebnisses und einer Steuereinrichtung zum Veranlassen einer Instandhaltungsmaßnahme auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses.

In vorteilhafter Weise kann mit der Erfindung damit eine produktionsgetriebene Instandhaltung ermöglicht werden, wobei die Simulation des Prozesses parallel zum realen Prozess ab- läuft. Dabei kann der Simulationsprozess beispielsweise mit zugehörigen Produktionsparametern versorgt werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen. Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG1 ein Datenflussdiagramm eines realen Prozesses und eines erfindungsgemäßen parallel laufenden Simulationsprozesses;

FIG 2 ein Signalflussdiagramm zum Alarmieren und Vorhersagen von Instandhaltungsbedarf; und

FIG 3 ein Signalflussplan zur Durchführung von Instandhaltungsmaßnahmen.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen be- vorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

FIG 1 zeigt einen schematischen Signalflussplan einer Steuerung eines realen Prozesses in der linken Hälfte des Bildes und eines parallellaufenden Simulationsprozesses in der rech- ten Hälfte des Bildes. Zur Steuerung des realen Prozesses dient als Ausgangspunkt die Auftragssteuerung bzw. ein sogenannter Scheduler. Mit den Auftragsdaten wird eine Rezeptsteuerung (batch flexible) angesteuert. Aus einer Datenbank, der Rezeptverwaltung, bezieht die Rezeptsteuerung das bzw. die gewünschten Rezepte. Diese Ansteuerung ist sowohl für

Stapelverarbeitungsprozesse (batch) als auch für kontinuierliche Prozesse geeignet.

Die eigentliche Anlagensteuerung bzw. Automatisierung erfolgt in dem mit „Sequenz Logik" bezeichneten Block in FIG 1. Ein eigener Baustein zwischen der Rezeptsteuerung und der Sequenz Logik sorgt für die Koordination der Befehle hinsichtlich der Semantik.

Die Sequenz Logik steht mit mehreren Funktionsblöcken FB in Verbindung, die für die Automatisierung der einzelnen Schritte zuständig sind. Die Sequenz Logik und die Funktionsblöcke tauschen dann über eine Eingabe/Ausgabe-Peripherie Befehle und Messwerte mit den Prozesskomponenten des realen Prozesses aus. Als Beispiel eines realen Prozesses könnte ein einfacher Produktionsprozess dienen, der in einer vereinfachten Anlage durchgeführt wird. Ein Behälter steht mit einem Reaktor über ein Rohr in Verbindung. In dem Reaktor befinden sich zwei Aggregate, ein Rührer und ein Heizaggregat. Der Behälter wird mit einem bestimmten Stoff gefüllt. Während des Produktionsprozesses könnte der Reaktor mit dem Stoff aus dem Behälter gefüllt werden und anschließend den eingefüllten Stoff heizen und rühren. Die entsprechenden Verfahrensschritte sind Füllen, Heizen und Rühren. Jeder dieser einzelnen Verfahrensschritte bzw. Grundoperationen besitzt eine eigene interne Sequenz von Befehlsschritten, die in der Sequenz Logik umge- setzt wird. Beispielsweise kann der Verfahrensschritt Füllen die Befehle umfassen: Überprüfe Zustand der Zellradschleuse, öffne Schieber, überprüfe Füllstand usw. In einem Rezept zur Herstellung einer bestimmten Substanz sind die einzelnen Verfahrensschritte exakt festgelegt. Ähnlich einem Kochrezept enthält das Steuerungsrezept Parameter wie Prozesszeiten,

Prozesstemperaturen usw. Darüber hinaus wird eine bestimmte Abfolge der Verfahrensschritte vorgegeben.

In der Sequenz Logik werden die einzelnen Verfahrensschritte zur Abfolge gebracht und der jeweilige Anfang und das Ende zeitlich festgelegt. Unter Vorgabe der Sequenz Logik übernehmen Funktionsbausteine die Einzelsteuerung von Anlagenkomponenten.

In der rechten Seite des Bildes von FIG 1 ist ein entsprechender Simulationsprozess dargestellt. Wie das reale Prozesssystem besteht das Simulationssystem aus einem Koordinationsbaustein mit nachfolgender Sequenz Logik und Equipment- Funktionsbausteinen. Die Eingabe/Ausgabe-Peripherie des rea- len Prozesses wird durch eine logische Peripherie simuliert. Der reale Prozess selbst muss zum einen in seinen Komponenten als auch in dem Verfahrensablauf selbst simuliert werden. Die Komponenten werden in einer sogenannten Equipmentsimulation simuliert und die Verfahrenssimulation findet durch geeignete Zusammenschaltung der Equipmentsimulationsbausteine statt.

Aus einer Bibliothek mit RB-Klassen (Reaktionsbausteine) kann die logische Peripherie und die Equipmentsimulation durch einen Semantikmanager automatisch generiert werden.

Equipment-Stammdaten, Stoff-Stammdaten, Rohrleitungs-Stammda- ten etc. fließen in die Verfahrenssimulation ein. Equipment- Stammdaten sind beispielsweise der Durchmesser von Behältern, Leistungsmerkmale von Ventilen, Pumpen usw. Stoff-Stammdaten sind Mengen, Körnung usw. des verwendeten Stoffes. Schließlich geben die Rohrleitungs-Stammdaten Abmessungen und sons- tige relevante Größen der verwendeten Rohrleitungen wieder. Sämtliche Stammdaten können in Bibliotheken hinterlegt werden.

Erfindungsgemäß wird nun der reale Prozess mit dem Simula- tionsprozess synchronisiert. Dadurch findet ein Parallellauf beider Prozesse statt, so dass ein unmittelbarer Vergleich der Prozessergebnisse ermöglicht wird. Dabei muss nicht der gesamte reale Prozess simuliert werden, sondern es kann beispielsweise ein besonders kritischer Prozessschritt, der bei- spielsweise eine ständige Überwachung erfordert, simuliert werden.

Die Verfahrenssimulation wird günstiger Weise von der Auftragssteuerung des realen Prozesses mitgesteuert. Es kann aber für die Simulation auch eine separate Steuerung vorgesehen werden. Darüber hinaus bezieht die Verfahrenssimulation die Rezepte vorzugsweise aus der Rezeptverwaltung des realen Prozesses. Diese unmittelbare Angliederung an den realen Prozess ist mit eine Voraussetzung für ein automatisches Engi- neering der Simulation. Jedenfalls ist sie hierfür ausgesprochen hilfreich.

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Tabelle

und Ist-Anlage gut/ schlecht ist und (bei Verfahrenssimulation) Zuweisung zu asset.

Auswertung Verhalten Wert aus Archiv Anlagenverhalten oder aus Anlagenverhalten (mit festen Werten, die bei IBS/Probe- betrieb ermittelt werden) vergleichen mit realen Anlagenergebnissen vergleichen. Ansonsten wie oben.

Anmerkung:

Auswertung Simulation ist vorteilhaft bei Vielzwe- ckanlagen, bei denen die durch die Vielfalt der Produkte/Rezepte ein aussagefähiges Archiv Anlagenverhalten nicht gewährleistet ist.

Auswertung Verhalten ist vorteilhaft bei „Einzweck" -Anlagen und Conti- /Semiconti-Anlagen.

VerfahrensSimulation Technologische Überwachung von Rezeptschritten SIMIT hat Modelle der Anlagen GO's (Rühren, Heizen, Füllen usw.). Jedes einzelne Modell hat Parameter (Stoff-, Unit- und Produktparameter) . Die Si- mulation läuft unter BF Kontrolle (BF gibt den Schrittstart mit dem für den Schritt gültigen Parametersatz und dem Ende- Kriterium (z. B. Endtemperatur 92 °C) an SIMIT. SIMIT startet Simulation und gibt nach erreichen des Ende-Kriteriums den für die GO definierten Ergebnisparametersatz an Diag.

SIMIT beherrscht (noch) keine Stoffumwandlungen, solche Operationen (z.B. „Reaktion" , „Synthese" ) müssen durch einfache empirische Gleichungen nachgebildet werden, wenn mehrere GO's in einer „Simulationskette" durchlaufen werden sollen. Weil dieses Verfahren unter der Kontrolle von BF abläuft, sind keine projektspezifischen Engineeringarbeiten erforderlich. SIMIT braucht „nur" ver- fahrens-/projektneutrale Modelle.

Equipment erhalten Technologische Überwachung des Equipmentverhaltens SIMIT hat Modelle des (technologischen) Equipmentverhaltens (z. B. Widerstands-Heizelement mit Zeitverhalten, Wärmeübergang, Wärmefluss im Stoff usw. ) .

Ansonsten sinngemäß wie oben

Arch Archiv Anlagenverhalten Historie des Produkt- und Stoff/materialabhängigen Zeitverhaltens von Teilanlagen, Units, Equipments und entsprechende (feste) Parameter.

Unterschiedliche Ausprägungen bei Prozess- und diskreter (Fertigungs-) Industrie:

Prozessindustrie: Objekte sind Ablaufschritte z. B. Füllen, Heizen usw. und Equipments (S 88), nicht die Objekte des Anlagenmodells z. B. Pumpe, Regelventil usw.

Diskrete Industrie: Objekte sind die „Maschinen" des Anlagenmodells.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Instandhaltung eines Systems durch

Ausführen eines Realprozesses in dem System,

g e k e n n z e i c h n e t d u r c h

Ausführen eines Simulationsprozesses zeitlich parallel zu dem Realprozess, wobei der Simulationsprozess zumindest einen Teil des Realprozesses simuliert,

Vergleichen des Simulationsprozesses mit dem Realprozess oder dem Teil davon unter Gewinnen eines Vergleichsergebnisses und

Ableiten von Instandhaltungsmaßnahmen aus dem Vergleichsergebnis.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Ausführen des Simu- lationsprozesses ein Synchronisieren mit dem Realprozess stattfindet .

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Simulationsprozess und der Realprozess jeweils mehrere Schritte umfassen und mindestens je einer der Schritte zum Ableiten von Instandhaltungsmaßnahmen miteinander verglichen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Vergleichen anhand von Endergebnissen des Realprozesses und des Simulationsprozesses betreffend insbesondere verfahrenstechnische Größen und/oder von Teilergebnissen von einem oder mehreren Schritten des Realprozesses und des Simulationsprozesses betreffend insbesondere verfahrenstechnische Größen erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Realprozess und der Simulationsprozess zusammen von einer einzigen Steuereinrichtung gesteuert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Instandhaltungsmaßnahme ein Alarm und/oder ein Aktivieren eines Instandhaltungssystems ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei aus einer Realprozessstruktur eine Simulationsprozessstruktur automatisch erzeugt wird, insbesondere unter Verwendung eines generischen Simulationsmodells.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Simulationsprozess mit Stoff- und/oder Produktionsparametern aus dem Realprozess versorgt wird.

9. Vorrichtung zur Instandhaltung eines Systems, auf dem ein Realprozess mit einem oder mehreren Realprozessschritten ablaufbar ist,

g e k e n n z e i c h n e t d u r c h

eine Simulationseinrichtung zum Simulieren zumindest eines Teils des Realprozesses durch einen Simulationsprozess, wobei der Simulationsprozess zeitlich parallel zu dem Realprozess ausführbar ist,

eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Simulationsprozesses mit dem Realprozess unter Gewinnen eines Ver- . gleichsergebnisses und

eine Steuereinrichtung zum Veranlassen einer Instandhaltungsmaßnahme auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Simulationsprozess in der Simulationseinrichtung mit dem Realprozess synchronisierbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Simulationsprozess und der Realprozess jeweils mehrere Schritte umfassen und mindestens je einer der Schritte in der Vergleichseinrichtung miteinander vergleichbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei in der Vergleichseinrichtung das Vergleichen anhand von Endergebnissen des Realprozesses und des Simulationsprozesses betreffend insbesondere verfahrenstechnische Größen und/oder von Teilergebnissen von einem oder mehreren Schritten des Realprozesses und des Simulationsprozesses betreffend insbesondere verfahrenstechnische Größen durchführbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Realprozess und der Simulationsprozess zusammen von einer einzigen Steuereinrichtung steuerbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, die in ein Instandhaltungssystem eingebettet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei aus einer Realprozessstruktur eine Simulationsprozessstruktur automatisch, insbesondere unter Verwendung eines generischen Simulationsmodells erzeugbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Simulationseinrichtung mit Produktionsparametern aus dem Realprozess versorgbar ist.