Generador de señal inferencial para equipos y procedimientos instrumentados.

Un sistema de monitorización de equipos instrumentados, que comprende:

una pluralidad de sensores (430; 523; 606) capaces de ser monitorizados desde el equipo instrumentado;

un procesador (545; 618) de información;

una entrada de adquisición de datos para dicho procesador (545; 613) de información para recibir valores operativos descriptivos de los parámetros físicos del sistema a partir de dicha pluralidad de sensores (430; 523; 606);

una memoria (551; 620) que puede operar para ser acoplada con dicha entrada de adquisición de datos para almacenar un conjunto de datos de sensor correlacionados en el tiempo representativos de los estados operativos esperados, y las señales observadas durante la operación del equipo instrumentado;

en el que dicho procesador (545; 618) de información está adaptado para generar al menos un valor de salida virtual descriptivo de un parámetro del equipo instrumentado, en el que el parámetro no está representado por los valores operativos recibidos,

caracterizado porque

dicho procesador (545; 618) de información está adaptado además para generar el al menos un valor de salida virtual en base a un operador de similitud para obtener una medida de similitud entre los estados operativos esperados y los valores operativos recibidos,

en el que el operador de similitud se refiere a un cálculo que compara al menos uno de los valores operativos recibidos con un valor que representa un estado esperado del sistema para obtener una medida de similitud y en el que la medida de similitud es un valor dentro de un intervalo donde un extremo del intervalo significa que los valores comparados no tienen similitud y el otro extremo del intervalo significa que los valores comparados son idénticos, y en el que dicho procesador (545; 618) de información determina un fallo de adquisición de datos asociado con dicha entrada de adquisición de datos a partir de al menos uno de dicha pluralidad de sensores (430; 523; 606) y proporciona una señal de sustitución estimada para el mismo.

Generador de señal inferencial para equipos y procedimientos instrumentados Campo de la invención La presente invención se refiere a la monitorización de procedimientos físicos para la detección temprana de un fallo de equipo inminente o perturbación del procedimiento y la validación continua en línea de la operación del sensor. Más específicamente, la invención se refiere a sistemas y procedimientos para la generación de señales de sustitución de sensores fallidos o para señales inferidas por parámetros físicos que no están directamente instrumentados.

Antecedentes de la invención Monitorizar el rendimiento de casi cualquier procedimiento (tal como en la refinación, productos químicos, acero, producción de energía) requiere el uso de sensores para garantizar que la operación se mantiene dentro de las limitaciones prescritas y que el equipo está funcionando dentro de las especificaciones para garantizar una calidad y un rendimiento del producto aceptables. La monitorización y optimización del rendimiento de equipos y máquinas (sistemas de automóviles, motores a reacción, fabricación discreta, etc.) se basa igualmente en los sensores para garantizar una operación segura y un rendimiento máximo. Se ha desarrollado una plétora de sensores para medir los parámetros de procedimientos y equipos eléctricos, termales, químicos y físicos. Los tipos de sensores incluyen termopares, acelerómetros, medidores de flujo másico, sensores acústicos, indicadores de esfuerzo y deformación, sensores de vibración, y así sucesivamente.

Para las aplicaciones de monitorización y control de procedimientos y equipos más importantes, hoy en día los sensores se alimentan de forma eléctrica, y proporcionan una indicación eléctrica (ya sea analógica o digital) del parámetro que se solicita medir. Además, en muchas circunstancias, los sensores están conectados a través de un bus o una red, y pueden contener suficiente energía de procesamiento a bordo para paquetizar los datos de sensor y transmitirlos a través de una red. En algunos casos, los sensores están conectados con o contienen transmisores o transceptores inalámbricos para la transmisión de los datos de sensor a una localización remota.

Los datos de sensor pueden usarse en procedimientos o en operación de equipos en una variedad de maneras. Los sensores proporcionan una validación que controla los ajustes que tienen que tomar efecto, y una práctica típica es indicar una alarma cuando la lectura del sensor supera o cae por debajo de un umbral de seguridad o tolerancia. Los datos de sensor también pueden transmitirse a un repositorio de datos para un análisis y tendencia fuera de línea, que se usa para programar el mantenimiento o refinar un procedimiento. Un uso adicional de los datos de sensor es proporcionar una realimentación para el control continuo de la operación de un procedimiento de una pieza de un equipo. En un motor de automóvil, por ejemplo, un número de subsistemas usan los datos de sensor para calcular la configuración de corriente abajo para un rendimiento óptimo del motor, o para cumplir con ciertos requisitos mínimos de aire limpio.

Existe una variedad de circunstancias en las que es difícil o imposible emplear un sensor para medir un parámetro deseado. El entorno en el que se coloca el sensor puede ser hostil a la longevidad o incluso a una operación adecuada de un sensor, como por ejemplo en la medición del flujo de un gas que contiene una concentración problemáticamente alta de ácido corrosivo. Como alternativa, el entorno puede requerir un sensor que sea prohibitivamente caro o difícil de conseguir. En otra circunstancia alternativa, la medida solicitada puede ser imposible de medir de manera directa razonablemente, como en un intento de determinar el volumen vacío restante de una cámara de forma inusual parcialmente llenada con un líquido. En otras circunstancias más, el despliegue de un sensor puede debilitar de manera adversa o afectar de otra manera el procedimiento o sistema que se monitoriza. Por ejemplo, en un sistema de fluido cerrado, tal como un sistema hidráulico, la colocación de un sensor a través de la pared del sistema para medir directamente una propiedad del fluido presenta un punto de debilidad y un fallo potencial en el sistema cerrado. Lo que se necesita es una manera de medir indirectamente el parámetro en cuestión.

Bajo tales circunstancias, puede intentarse medir uno u otros más parámetros con el fin de inferir el parámetro deseado. Esto puede requerir equipar el procedimiento o equipo con sensores adicionales, y usar recursos informáticos para calcular el parámetro inferido. Sin embargo, en general, esto es difícil de hacer con éxito. Además, por lo general requiere mucho estudio y conocimiento del procedimiento o equipo, o una comprensión de los "primeros principios" dinámicos del sistema, que no pueden obtenerse fácilmente sin una razonable cantidad de tiempo de investigación y coste. Lo que se necesita es una forma efectiva de inferir un parámetro difícil de medir a partir de otros parámetros medidos de un sistema que se correlacionan de alguna manera, sin requerir un conocimiento completo de las dinámicas del sistema y de los parámetros implicados.

También existe tal necesidad para la circunstancia de fabricación de un producto instrumentado, tal como un motor u otra máquina, que use sensores para el control de la realimentación, la seguridad, o la optimización del rendimiento. Es altamente deseable para reducir el coste de producción del producto no equipar el producto con un sensor para cada parámetro, sino que inferir algunos parámetros en base a las lecturas de otros sensores. Tal inferencia puede ser posible usando un subconjunto de sensores de la máquina o del motor, junto con un amplio conocimiento del

comportamiento de todos los parámetros en tándem. Sin embargo, el conocimiento necesario puede ser difícil y costoso de desarrollar. Además, el coste de la potencia de cálculo adicional que pueda necesitarse a bordo del producto para calcular los valores de sensor inferidos puede sobrepasar el ahorro de costes de la eliminación de los sensores en el primer lugar. Lo que se necesita es una forma computacionalmente eficiente de inferir los valores de sensor "eliminados" de las unidades de producción a partir de los valores de sensores que están, de hecho, integrados en las unidades de producción del producto.

Una dificultad adicional se presenta con el fallo de los sensores. Como un ejemplo, los sensores pueden usarse para monitorizar un procedimiento o equipo para detectar cuando se desvía de la operación "normal" o correcta. Normal puede significar un estado operativo aceptable, o puede ser el más preferido de un conjunto de diversos estados aceptables. Sin embargo, en la práctica, la desviación puede deberse a un cambio en el parámetro subyacente medido por el sensor, o a un sensor fallido. Por lo tanto, es esencial que se conozca también la salud de estos sensores, y deberían identificarse y diferenciarse las perturbaciones iniciadas por los fallos del sensor de las desviaciones del procedimiento. A menudo, incluso aunque un sensor haya fallado, es deseable continuar la operación del procedimiento y el sensor fallido debe sustituirse con un sensor de sustitución o "virtual" que proporcione la misma información. Lo que se necesita es una manera de proporcionar una salida o una estimación para un sensor fallido dentro de un sistema que permita una operación continua.

Las técnicas de "primeros principios" son conocidas en la técnica para generar los datos de sensor "virtuales" en base a otros datos de sensor reales. Maloney y col. describen en "Pneumatic And Thermal State Estimators For Production Engine Control And Diagnostics", Controles de motor electrónicos 1998, algoritmos de estimador implementados en un sistema de gestión de motor (EMS) de densidad de velocidad de grado de producción. Una necesidad crítica y básica en el diseño del control EMS y los algoritmos de diagnóstico es la disponibilidad de información que describe el estado del motor. Los algoritmos de estimador proporcionan un flujo de masa del motor, la presión, y las estimaciones de temperatura para su uso general por algoritmos de estimador de control, diagnóstico y otros. Maloney y col. describen el desarrollo de tales modelos de primeros principios con motores totalmente instrumentados en el laboratorio, para calcular las señales virtuales fuera de las señales de sensor reales. El desarrollo está implicado y es altamente específico para la solicitud presentada. Por lo tanto, sería deseable proporcionar un procedimiento general para la generación de valores perdidos o señales virtuales sin tener que recurrir al desarrollo de los modelos... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de monitorización de equipos instrumentados, que comprende:

una pluralidad de sensores (430; 523; 606) capaces de ser monitorizados desde el equipo instrumentado;

un procesador (545; 618) de información;

una entrada de adquisición de datos para dicho procesador (545; 613) de información para recibir valores operativos descriptivos de los parámetros físicos del sistema a partir de dicha pluralidad de sensores (430; 523; 606) ;

una memoria (551; 620) que puede operar para ser acoplada con dicha entrada de adquisición de datos para almacenar un conjunto de datos de sensor correlacionados en el tiempo representativos de los estados operativos esperados, y las señales observadas durante la operación del equipo instrumentado;

en el que dicho procesador (545; 618) de información está adaptado para generar al menos un valor de salida virtual descriptivo de un parámetro del equipo instrumentado, en el que el parámetro no está representado por los valores operativos recibidos, caracterizado porque dicho procesador (545; 618) de información está adaptado además para generar el al menos un valor de salida virtual en base a un operador de similitud para obtener una medida de similitud entre los estados operativos esperados y los valores operativos recibidos, en el que el operador de similitud se refiere a un cálculo que compara al menos uno de los valores operativos recibidos con un valor que representa un estado esperado del sistema para obtener una medida de similitud y en el que la medida de similitud es un valor dentro de un intervalo donde un extremo del intervalo significa que los valores comparados no tienen similitud y el otro extremo del intervalo significa que los valores comparados son idénticos, y en el que dicho procesador (545; 618) de información determina un fallo de adquisición de datos asociado con dicha entrada de adquisición de datos a partir de al menos uno de dicha pluralidad de sensores (430; 523; 606) y proporciona una señal de sustitución estimada para el mismo.

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho procesador (545; 618) de información está adaptado además para usar un operador de similitud con los datos de dicha memoria (551; 620) que comprende una pluralidad de instantáneas de los estados operativos descriptivos de los parámetros físicos del sistema a partir de dicha pluralidad de sensores, comprendiendo cada instantánea los datos correlacionados en el tiempo a partir de dicha pluralidad de sensores (430; 523; 606) .

3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que la proximidad numérica de un conjunto de los valores de observación a un estado operativo esperado se determina por dicho procesador (545; 618) de información promediando sobre todos los valores de observación en el conjunto una similitud elemental para cada valor de observación con un valor correspondiente en una instantánea para el estado operativo esperado, y en el que cada una de dichas similitudes elementales se normaliza por el intervalo esperado para cada valor de observación respectivo.

4. El sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones 1-3, en el que dicha memoria (551; 620) almacena una primera matriz modelo derivada de dicho conjunto de datos de sensor correlacionados en el tiempo representativos de los estados de operación esperados, y cuando dicho procesador (545; 618) de información determina que se ha producido un fallo de adquisición de datos con respecto a al menos uno de dicha pluralidad de sensores (430; 523; 606) , dicho procesador de información se dispone para generar una segunda matriz modelo derivada de dicho conjunto de datos de sensor correlacionados en el tiempo exclusivos de cualquier sensor asociado con dicho fallo de adquisición de datos.

5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dicha primera matriz modelo comprende unos valores de similitud a partir de todas las comparaciones por pares de instantáneas de todos los conjuntos de datos de sensor correlacionados en el tiempo, y dicha segunda matriz modelo comprende unos valores de similitud a partir de todas las comparaciones por pares de instantáneas de conjuntos de datos de sensor correlacionados en el tiempo excluyendo aquellos sensores asociados con dicho fallo de adquisición de datos.

6. El sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones 1-5, en el que el al menos un valor de salida virtual representa un parámetro que no es medido por los sensores.

7. El sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones 1-6, en el que el al menos un valor de salida virtual representa un parámetro que es medido por un sensor cuando los datos de sensor son fallidos.