MONITORIZAR LA SALUD DE UNA CENTRAL DE PRODUCCION DE ENERGIA.

Procedimiento para monitorizar la salud de un sistema, que comprende realizar en cada uno de una pluralidad de instantes las etapas de:

construir una signatura de condición para el instante presente a partir de una pluralidad de indicadores de condición que incluye (a) una pluralidad de medidas de vibración adquiridas del sistema o (b) una o más medidas de vibración y una o más medidas de parámetros de funcionamiento adquiridos del sistema; predecir una signatura normal a partir de un modelo aprendido que definen a una o más interdependencias entre dichos indicadores de condición relativos a las medidas de vibración del instante previo y el cambio de dichos indicadores de condición relativos a las medidas de vibración en el instante presente, correspondiendo dicha signatura normal a la signatura de condición para un sistema con buena salud en el instante presente, y comprendiendo dicho modelo una red neuronal que tiene una capa oculta; comparar la signatura de condición para el instante presente con la signatura normal; y registrar un acontecimiento sí la signatura de condición para el instante presente difiere de la signatura normal en más de un umbral predeterminado

Tipo: Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: W0103020GB.

Solicitante: ROLLS-ROYCE PLC.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: 65 BUCKINGHAM GATE,LONDON, GREATER LONDON SW1E.

Inventor/es: HAYTON,PAUL, ANUZIS,PAUL, KING,STEVE,P, KING,DENNIS,M, TARASSENKO,LIONEL, UTETE,SIMUKAI.

Fecha de Publicación: .

Fecha Concesión Europea: 2 de Septiembre de 2009.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01H1/00 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01H MEDIDA DE VIBRACIONES MECANICAS O DE ONDAS ULTRASONORAS, SONORAS O INFRASONORAS.Medida de vibraciones en sólidos utilizando la conducción directa al detector (G01H 9/00, G01H 11/00 tienen prioridad).
  • G01N29/12 G01 […] › G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 29/00 Investigación o análisis de materiales por el empleo de ondas ultrasonoras, sonoras o infrasonoras; Visualización del interior de objetos por transmisión de ondas ultrasonoras o sonoras a través del objeto (G01N 3/00 - G01N 27/00 tienen prioridad). › mediante la medida de la frecuencia o resonancia de ondas acústicas.
  • G01N29/44N
  • G01N29/46 G01N 29/00 […] › mediante análisis espectral, p. ej. análisis de Fourier.

Clasificación PCT:

  • G01H1/00 G01H […] › Medida de vibraciones en sólidos utilizando la conducción directa al detector (G01H 9/00, G01H 11/00 tienen prioridad).

Clasificación antigua:

  • G01H1/00 G01H […] › Medida de vibraciones en sólidos utilizando la conducción directa al detector (G01H 9/00, G01H 11/00 tienen prioridad).

Fragmento de la descripción:

Monitorizar la salud de una central de producción de energía.

Sector de la invención

Esta invención se refiere a procedimientos y sistemas de procesamiento de datos para monitorizar la salud de un sistema. Los procedimientos y sistemas de procesamiento de datos de la invención están especialmente, aunque no necesariamente exclusivamente, adaptados para monitorizar la salud de una central de producción de energía, que incluye por ejemplo turbinas de gas, motores de combustión interna de ignición por chispa o por compresión.

Antecedentes

La salud de un sistema se puede considerar como la medida de la condición de un sistema respecto a unas pautas esperadas. Un sistema con buena salud es aquel cuya condición coincide con precisión con las expectativas, mientras que un sistema con mala salud es uno cuya condición difiere de lo esperado, que presenta por ejemplo un deterioro o un posible problema con el sistema. Por lo tanto, la capacidad para monitorizar la salud de un sistema puede permitir detectar este deterioro y/o problemas y, sí es necesario, tratarlos a tiempo.

Por ejemplo, US-5684718 describe un sistema que no es en tiempo real para monitorizar el funcionamiento de un generador eléctrico en el cual los datos de vibración y carga se combinan para producir una única señal que entonces se compara con datos almacenados representativos de unas combinaciones aceptables máximas de los dos parámetros. Esencialmente, el sistema es un "cuadro de vigilancia" automático que emite avisos cuando hay vibraciones que exceden límites aceptables.

Con la finalidad de determinar la condición, y consecuentemente la salud, de un sistema, es normal monitorizar y analizar una serie de indicadores medibles que reflejan por sí mismos aspectos de la condición del sistema. Por ejemplo, tomando el ejemplo de una turbina de gas, se pueden monitorizar parámetros de funcionamiento tales como las temperaturas y presiones de funcionamiento y velocidades de eje de la turbina. Para obtener una imagen de conjunto más completa de las condiciones del motor, estos parámetros de funcionamiento se pueden completar con otros indicadores de condición que incluyen, por ejemplo, medidas de vibración y medidas de las partículas arrastradas en el circuito de aceite.

Especialmente, en sistemas mecánicos complejos como las turbinas de gas, el número de indicadores que hay que monitorizar para obtener una imagen de conjunto útil de la condición del sistema puede ser elevado. Esto significa a su vez que la tarea de análisis de series de indicadores completas para determinar la salud del motor es compleja, que suele implicar disponer de un experto especializado para analizar los datos posteriormente.

Volviendo al ejemplo de la turbina de gas, es por ejemplo conocido recoger datos de funcionamiento y vibración del motor en el tiempo para analizarlos posteriormente por parte de uno o más expertos. En general, los datos de funcionamiento se compararán con datos de simulación del mismo motor y a partir de esta comparación, un experto se formará una imagen de la salud del motor. Asimismo, se revisará una pequeña cantidad de datos, que darán una visión superficial de los cambios generales del comportamiento del motor. Sí se detecta un problema, entonces los datos de vibración podrán ser analizados con más detalle, en general por otro experto, que buscará cualquier indicación anormal que pudiera ser un síntoma de problemas mecánicos subyacentes que podrían conducir a una pérdida de salud y de operabilidad.

EP-A-1014054 propone un proceso para monitorizar el diagnóstico vibracional de máquinas rotativas en el que se usan parámetros de funcionamiento, tales como salida efectiva y corriente de salida, para predecir parámetros de vibración para su comparación con los parámetros medidos correspondientes.

Resumen de la invención

Es un objetivo general de la presente invención proporcionar un procedimiento y un sistema de procesamiento de datos para facilitar la adquisición y el análisis de indicadores de condición de una manera tal que se pueda evaluar la salud general de un sistema más rápidamente.

Asimismo, unos aspectos primero y segundo de la invención proponen procedimientos para monitorizar la salud de un sistema según las reivindicaciones 1 y 3 respectivamente.

El término "signatura", tal como se emplea en el presente texto, pertenece a los valores de una pluralidad de indicadores de condición combinados o mezclados para proporcionar una unidad o cantidad tal como un conjunto, vector o escalar. En el ejemplo de un vector de signatura, los indicadores pueden corresponder a los elementos respectivos del vector. En el ejemplo de una signatura escalar, la magnitud del escalar se puede determinar mediante una función matemática que actúa sobre los valores de los indicadores.

Combinando o mezclando de esta manera los indicadores de condición en una única signatura, y proporcionar una signatura normal con la cual se puedan comparar los datos combinados, se simplifica considerablemente la tarea de evaluación de la salud de un sistema. En especial, puesto que la detección de un acontecimiento equivale a una indicación de un problema potencial o de un sistema con mala salud (es decir una condición de sistema que difiere de lo que se esperaría normalmente), la monitorización de la salud se puede automatizar ampliamente, quitando, o al menos minimizando, la necesidad de la implicación de un experto durante el proceso de monitorización. Esto a su vez significa que se vuelve posible monitorizar continuamente la salud de un sistema, y proporcionar información útil sobre la salud del sistema en tiempo real durante el funcionamiento.

Preferentemente, los indicadores de condición que se combinan para formar la signatura de condición del sistema incluye parámetros de funcionamiento, que en el caso de un sistema mecánico pueden ser velocidades, presiones (por ejemplo presiones de gas, presiones de aceite) y temperaturas por ejemplo. Otros parámetros útiles pueden incluir los considerados convencionalmente como parámetros de estado o de control. Por conveniencia, se hará referencia a estos parámetros empleando únicamente la expresión "parámetros de funcionamiento" en el siguiente texto.

Sin embargo, para obtener una imagen más completa de la salud de un sistema mecánico, incluyendo en la signatura uno o más indicadores de condición relativos a la vibración del sistema.

Se puede considerar, más generalmente, que los indicadores de condición a partir de los cuales se construye la signatura de condición del sistema se pueden derivar a partir de dos o más fuentes de datos distintas. Esto ilustra una fortaleza particular de este enfoque por el hecho de que se puede abarcar una gran variedad de diferentes formas de datos indicadores de signatura de condición del sistema, proporcionando una medida más completa de la salud del sistema de lo que ha sido posible previamente sin muchos análisis.

Preferentemente, se emplean al menos tres indicadores de condición para construir la signatura de condición. Más preferentemente, se emplean al menos 10 e incluso más preferentemente al menos 20 indicadores de condición para construir la signatura de condición.

Según una realización preferida, el sistema comprende un motor con turbina de gas.

La signatura normal del sistema se deduce a partir de un modelo del sistema predefinido que se está monitorizando. Este modelo puede él mismo desarrollarse fuera de línea y luego implantarse durante la ejecución del procedimiento de monitorización de la salud. Más preferentemente, sin embargo, el modelo está concebido para ir refinándose a medida que se ejecuta el procedimiento de modo que se puede ajustar mejor a un sistema específico.

Cualquiera que sea el enfoque que se adopte, el modelo es un "modelo aprendido" desarrollado empleando, al menos parcialmente, un enfoque de dirección por datos. Esto significa que el modelo aprendido aprende a partir de datos de entrenamiento que comprenden series de indicadores de condición que han sido etiquetados como normales (es decir saludables) o anormales (es decir no saludables) según el caso. De hecho, se da a menudo el caso de que hay más mucha más disponibilidad de datos normales que de datos anormales y por lo tanto los datos de entrenamiento pueden incluir solamente ejemplos de datos normales. Esto sigue dando como resultado un modelo efectivo porque los acontecimientos posteriores pueden identificarse como desviaciones del modelo aprendido de normalidad.

La signatura normal...

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para monitorizar la salud de un sistema, que comprende realizar en cada uno de una pluralidad de instantes las etapas de:

construir una signatura de condición para el instante presente a partir de una pluralidad de indicadores de condición que incluye (a) una pluralidad de medidas de vibración adquiridas del sistema o (b) una o más medidas de vibración y una o más medidas de parámetros de funcionamiento adquiridos del sistema;

predecir una signatura normal a partir de un modelo aprendido que definen a una o más interdependencias entre dichos indicadores de condición relativos a las medidas de vibración del instante previo y el cambio de dichos indicadores de condición relativos a las medidas de vibración en el instante presente, correspondiendo dicha signatura normal a la signatura de condición para un sistema con buena salud en el instante presente, y comprendiendo dicho modelo una red neuronal que tiene una capa oculta;

comparar la signatura de condición para el instante presente con la signatura normal; y registrar un acontecimiento sí la signatura de condición para el instante presente difiere de la signatura normal en más de un umbral predeterminado.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la etapa de comparar la signatura de condición con la signatura normal implica calcular un error de predicción.

3. Procedimiento para monitorizar la salud de un sistema, que comprende realizar en cada uno de una pluralidad de instantes las etapas de:

construir una signatura de condición para el instante presente a partir de una pluralidad de indicadores de condición que incluye (a) una pluralidad de medidas de vibración adquiridas del sistema o (b) una o más medidas de vibración y una o más medidas de parámetros de funcionamiento adquiridos del sistema;

predecir una signatura normal a partir de un modelo aprendido que definen a una o más interdependencias entre dicha signatura de condición y signatura normal, correspondiendo dicha signatura normal a la signatura de condición para un sistema con buena salud en el instante presente, y siendo dicho modelo un modelo de filtro de Kalman para un proceso de medida de la forma y(i) = Cx(i)+v (i) y una ecuación de estado de la forma x(i+l) = Ax(i)+w(i) donde i indica un instante, y(i) es la signatura de condición, x(i) es un estado oculto, C y A son matrices, v(i) y w(i) son igual a cero en promedio y distribuidos según una distribución normal, y uno o más términos no-diagonales diferentes de cero de C definen dichas interdependencias;

comparar la signatura de condición para el instante presente con la signatura normal; y registrar un acontecimiento sí la signatura de condición para el instante presente difiere de la signatura normal en más de un umbral predeterminado.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que la etapa de comparar la signatura de condición con la signatura normal implica calcular un valor para las innovaciones normalizadas elevadas al cuadrado.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos tiempos definen intervalos sucesivos de 1 segundo de duración máxima.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichas medidas se adquieren de manera síncrona del sistema con una imprecisión de sincronización de 1 segundo como máximo.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el sistema comprende un motor con turbina de gas.

8. Sistema de tratamiento de datos para monitorizar la salud de un sistema, que comprende:

medios de adquisición de datos para adquirir una pluralidad de indicadores de condición del sistema en cada uno de una pluralidad de instantes, incluyendo los indicadores de condición (a) una pluralidad de medidas de vibración o (b) una o más medidas de vibración y una o más medidas de parámetros de funcionamiento;

medios de procesamiento para construir una signatura de condición para el instante presente a partir de dichos indicadores de condición y para predecir una signatura normal a partir de un modelo aprendido que define a una o más interdependencias entre dichos indicadores de condición relativos a las medidas de vibración en el instante previo y el cambio de dichos indicadores de condición relativos a las medidas de vibración en el instante presente, correspondiendo dicha signatura normal a la signatura de condición para un sistema con buena salud en el instante presente, y comprendiendo dicho modelo una red neuronal que tiene una capa oculta;

medios de comparación para comparar la signatura de condición para el instante presente con la signatura normal; y medios de registro para registrar un acontecimiento si el comparador indica que la signatura de condición para el instante presente difiere de la signatura normal en más de un umbral predeterminado.

9. Sistema de tratamiento de datos para monitorizar la salud de un sistema, que comprende:

medios de adquisición de datos para adquirir una pluralidad de indicadores de condición del sistema en cada uno de una pluralidad de instantes, incluyendo los indicadores de condición (a) una pluralidad de medidas de vibración o (b) una o más medidas de vibración y una o más medidas de parámetros de funcionamiento;

medios de procesamiento para construir una signatura de condición para el instante presente a partir de dichos indicadores de condición y para predecir una signatura normal a partir de un modelo aprendido que define a una o más interdependencias entre dicha signatura de condición y signatura normal, correspondiendo dicha signatura normal a la signatura de condición para un sistema con buena salud en el instante presente, y siendo dicho modelo un modelo de filtro de Kalman para un proceso de medida de la forma y(i) = Cx(i)+v(i) y una ecuación de estado de la forma x(i+l) = Ax(i)+w(i) donde i indica un instante, y(i) es la signatura de condición, x(i) es un estado oculto, C y A son matrices, v(i) y w(i) son igual a cero en promedio y distribuidos según una distribución normal, y uno o más términos no-diagonales diferentes de cero de C definen a dichas interdependencias;

medios de comparación para comparar la signatura de condición para el instante presente con la signatura normal; y medios de registro para registrar un acontecimiento sí el comparador indica que la signatura de condición para el instante presente difiere de la signatura normal en más de un umbral predeterminado.


 

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