Störungsfrüherkennung an Gas-Druckregelgeräten

Entwicklung eines Störungsfrüherkennungssystems für Gas-Druckregelgeräte durch Über­wachung der ausfallkritischen Bauteile Ventilsitz, Ventilkegel und Membran.

In nahezu allen Industriezweigen, in denen Stoffströme beeinflusst werden müssen, kommen Regelarmaturen zum Einsatz.

Der grundsätzliche Aufbau jeglicher Regelarmaturen ist gleich, unabhängig von Stoffstrom oder Fluidcharakter. Ist die Funktion der Regelarmatur beeinträchtigt, kann der Sollwert der Regelgröße nicht eingehalten werden. Dies kann zu einem Ausfall der Anlage führen. Nicht selten ist die Funktionsbeeinträchtigung der Regelarmatur mit einem Gefahrenpotential verbunden. In der folgenden Abbildung 1 ist die Schnittdarstellung eines gängigen Gas-Druckregelgerätes beispielhaft dargestellt.

Das Gas-Druckregelgerät erfüllt die Aufgabe, die über den Tag schwankenden Abnahme­mengen von Erdgas bei gleichbleibendem Druck zur Verfügung zu stellen. Wird kein Gas abgenommen, muss das Gas-Druckregelgerät dicht abschließen, um einen Druckanstieg in der Zubringer­leitung des Endabnehmers zu verhindern. Ist diese Funktion der Regelung durch die Beschädigungen von Bauteilen gestört, muss die Versorgungsleitung durch eine Sicherheitseinrichtung geschlossen werden. Ein redundantes Versorgungs­system übernimmt in diesem Fall die Versorgung bis eine Reparatur erfolgt ist.

Um eine Anlage bestimmungsgemäß zu Betreiben, ist eine uneingeschränkte Funktion der Regelarmatur grundlegend. Daher nimmt die Instandhaltung von Gas-Druckregelarmaturen innerhalb des Betriebs von Gasversorgungssystemen eine Kernfunktion zur Gewährleistung der Versorgung ein. Um einem Ausfall vorzubeugen, werden die Geräte regelmäßigen Wartungsintervallen unterzogen, während denen alle ausfall­kritischen Bauteile präventiv ausgetauscht werden. Der tatsächliche Zustand des jeweiligen Bauteils zum Zeitpunkt der Wartung spielt dabei keine Rolle. Ist das Gerät zum Wartungszeitpunkt vollständig intakt, wird eine unnötige Instandhaltung durchgeführt. Durch den Einsatz eines Störungsfrüh-erkennungssystems können die Wartungsintervalle optimiert werden. Eine Wartung findet dann nur noch bei tatsächlichem Bedarf statt.

Ein Störungsfrüherkennungssystem dient der frühzeitigen Erkennung einer Störung in einer Anlage. Ungewollte Betriebszustände werden beim Auftreten identifiziert und durch das Störungs­früherkennungssystem angezeigt. Dies ermöglicht eine bedarfsorientierte Reaktion. Eine ausschließlich ausfallpräventive Wartung ist nicht mehr nötig.

Zur Beurteilung des Zustandes eines Gas-Druckregelgerätes, dient das Zeitsignal eines Mikrofonaufnehmers oder eines Schwingbeschleunigungssensors. Die aufgenommenen Zeitsignale werden entsprechend aufbereitet und in das jeweilige Frequenzspektrum transformiert. Anschließend werden die Einzelfrequenzen eines bestimmten Betriebszustandes zu n-dimensionalen Merkmalsvektor zusammengefasst und eine binäre Klassenzuordnung in „intakt“ bzw. „defekt“, durch den Benutzer vorgenommen. Diese Merkmale mit den Zuordnungen werden dann  an den Klassifizierer übergeben.

Die Klassifizierung erfolgt mit Hilfe der sogenannten Support Vector Machine (SVM). Diese trennt die Merkmale beider Klassen in einem n-dimensionalen Merkmalsraum durch eine Hyperebene. Die errechnete Hyperebene kann anschließend zum Klassifizieren unbekannter Betriebszustände verwendet werden.

Die Abbildung 2 zeigt ein Beispiel, der binären Klassentrennung durch die SVM für einen 2-dimensionalen Fall, durch den Einsatz einer linearen Trennhyperebene (hier: Gerade).